基于项目和计算机仿真驱动的智能微电网教学改革

李忠文　程志平　苏士美　司纪凯　张书源

［摘 要］针对智能微电网课程在教学过程中面临的一些问题与挑战，文章提出应基于以学生为中心的教学模式改革，提高学生的学习主动性；基于项目驱动的策略，提高学生的团队协作能力、动手能力、表达能力及项目实施经验；基于计算机仿真的方案，提高项目进展速度；基于过程性评价体系，进一步提高学生学习的主动性和积极性。最终形成了一套基于项目和计算机仿真驱动的、以学生为中心的教学改革方案。

［关键词］智能微电网；项目驱动；计算机仿真；以学生为中心；卓越工程师

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）10-0122-05

为了积极发展分布式发电，鼓励新能源的高效利用，一些发达国家提出了智能电网概念，并制定了相应的战略，以促进传统电网走向现代化[1]。微电网作为智能电网发展的过渡，能够提高可再生能源渗透率和供电可靠性。因此，国内许多本科院校的电气工程及其自动化专业开设了智能微电网课程，以培养满足社会发展和市场需求的优秀本科毕业生。

作为一门新兴的、具有较强多学科交叉背景的课程，智能微电网课程目前主要存在四個方面的挑战：缺乏合适的教材、需要较丰富的多学科交叉背景知识、相关技术和标准更新迅速、实验室建设成本高。针对上述问题，本文提出了智能微电网课程的一系列改革方案。

一、智能微电网课程的特点及现状

信息物理系统（Cyber Physical System， CPS）是深度融合计算、通信以及控制技术并由物理系统及信息系统构成的工程系统[2]。智能微电网系统是一个典型的信息物理系统，如图 1所示。因此，智能微电网课程是包含计算机技术、电力电子技术、电力系统、控制理论、电机学、电子学、经济学、通信技术等知识的多学科交叉课程。

智能微电网课程是为电气工程及其自动化专业高年级本科生开设的一门课程。为了达到卓越工程师教育培养目标[3]并满足学生继续攻读更高学位及工作需求，该课程的教学目标应包含以下几点：

1.初步掌握智能微电网系统的设计方法及控制与优化理论，并强化解决工程问题的能力；

2.使学生具有获取和应用多学科领域知识、技能、策略的能力，建立相关学科完整知识体系；

3.培养团队协作能力，强化电气、控制和信息技术领域的综合素质与创新精神，能满足智能微电网领域的研究、开发及运维等相关工作需求；

4.提高学生对智能微电网领域的兴趣爱好。

随着电气、计算机及控制技术的飞速发展，本科生智能微电网课程始终面临着课程内容更新与改革的压力。此外，由于该研究领域兴起较晚并具有多学科交叉的特性，智能微电网课程面临如下难点：（1）缺乏合适的教材，难以利用单一的教材讲解清楚智能微电网所包含的多学科交叉知识；（2）需要学生具有一定的相关多学科基础知识背景；（3）智能微电网相关技术及标准发展更新迅速；（4）实验室建设成本高，实验条件难以保证。

传统以教师为中心的教学范式是重视知识的传授，关注教师教学环节。目前智能微电网课程多采用以教师为中心的教学方法，教学内容宽泛、不够深入，并且多偏重对理论和概念的讲解，没有涉及仿真机实验环节[4]。因此，针对智能微电网这门课程，采用传统以教师为中心的教学方法存在以下问题：（1）学生间及师生间互动少，缺乏实验环节的知识传授，学生的理解应用能力难以提高；（2）以最终考试确定成绩的考核方式，缺乏过程性评价，难以构成反馈机制并在过程中激发学生的学习兴趣；（3）缺乏仿真及实验环节，难以使学生真正理解微电网与传统电力系统的区别及联系；（4）缺乏对学生联系、归纳及应用知识解决现实问题能力的培养。

综合上述分析，针对智能微电网课程面临的难点及挑战，传统的教学方法难以完全满足其培养目标要求。

二、项目和计算机仿真驱动的以学生为中心的教学方法

针对上述问题，本文建议采用项目和计算机仿真驱动的以学生为中心的教学方法改革。

（一）以学生为中心的教学方法改革

以学生为中心的教学模式强调的是教师的教学活动服务于学生的需求，是以“拉动自主式”教学方法代替传统“推动灌输式”教学方法[5-6]。近年来，以学生为中心的教学方法受到了广泛的关注[6-9]。与传统的以教师为中心的教学模式相比，以学生为中心的教学模式不再向学生进行填鸭式的知识灌输，而是帮助学生发现所学内容的意义，提高学生的学习主动性和自主学习能力[12]。以学生为中心的教学模式具有以下优点：（1）通过小组讨论及团队协作的方式进行学习，从而提高学生的沟通协作能力；（2）通过在学生与教师之间建立对等关系，学生的中心地位得到加强，从而提高学生的学习主动性及学习兴趣；（3）通过学生自主讨论与探索研究，提高学生的知识综合应用能力。

（二）项目驱动策略在智能微电网教学中的作用

为了应对智能微电网这门课程缺乏合适的教材、相关技术及标准更新迅速和多学科交叉等问题，本文提出了基于项目驱动的以学生为中心的教学方法，并设计了相应的教学内容及对应的实践项目（见表1）。

如表1所示，课题组为高年级本科生设计的智能微电网课程共有48个学时，其中理论授课22个学时，学生分组讨论及项目答疑10个学时，项目汇报及点评16个学时。与教学内容对应的相关项目均是通过中英文文献数据库检索归纳得到的微电网研究领域相关热点研究内容，这样不仅可以补充教材内容的不足，还能紧密追踪该研究领域的技术前沿。

本课程共列出了20个与教学内容密切相关的研究课题。以具有80名学生的班级为例，让学生每4人一组进行自由组队，并且教师为每个小组分配20个项目中的2项。首先，让学生通过课前查阅文献学习多学科交叉知识，从而开阔视野，熟悉相关研究内容的背景知识；然后，通过课堂教学强化学生对相关理论的理解；接着，通过项目实施及过程讨论，提高学生的团队协作能力及动手能力；最后，通过项目汇报及点评，提高学生的表达能力并让学生认识到其在项目实施过程的不足之处，为后续项目实施积累经验。无论学生将来继续攻读学位还是工作，相关项目的设计经验都会对其有较大帮助。

（三）计算机仿真在智能微电网教学中的作用

为了解决智能微电网这门课程面临的实验室建设成本高、实验条件难以保证的问题，本文设计了基于计算机仿真的解决方案，并结合项目驱动方式，构建一套基于项目和计算机仿真驱动的、以学生为中心的智能微电网教学改革方案。本文以项目“三相VF控制型逆变器控制策略”为例，介绍计算机仿真驱动在项目实施及教学中的作用。

项目“三相VF控制型逆变器控制策略”要求设计的逆变器输出线电压为208 V，50 Hz的交流电，电压/电流信号采样频率为10k Hz，逆变器开关频率为10k Hz，直流侧电源电压为300 V，LC滤波电路的滤波电感和滤波电容由学生自行设计。

通过学生课前的文献调研和教师课堂讲解，使学生掌握图 2所示的三相VF控制型逆变器双闭环PI控制策略的基本原理。为了保证项目的顺利进行，应尽量避免学生在项目实施过程中因控制算法不稳定及操作不当造成的硬件电路损坏。因此，教师首先要指导学生采用基于计算机仿真的方式验证并调试所设计的控制策略，直到得到满意的控制性能。然后，让学生设计硬件电路，通过硬件实验进一步验证该控制策略。这里应当注意的是，计算机仿真的实验系统参数应当尽量与真实的物理实验系统参数一致，这样才能保证仿真结果与实验结果基本一致，从而便于将仿真验证通过的控制算法移植到物理实验系统中。

图 3为基于Matlab建立的三相VF控制型逆变器及其控制模块的仿真模型。基于该仿真模型，学生可以验证并调试双闭环PI控制器参数，教师还可以鼓励学生通过查阅文献，将其他控制算法（如滑模控制、鲁棒控制、预测控制、神经网络控制等）应用到VF控制型逆变器系统的控制中。

图 4为采用双闭环PI控制策略时，基于Matlab仿真的三相VF控制型逆变器输出电压电流阶跃响应波形。从图4可以看出，该控制策略具有较快的响应速度和良好的波形质量。

为了进一步通过物理实验验证三相VF控制型逆变器的控制策略，课题组搭建了如图 5所示的三相逆变器实验系统，采用TMS320F28335型号的DSP芯片對三相逆变器进行控制，双闭环PI控制器的控制参数采用基于Matlab仿真模型调试通过的控制参数。对应的物理实验结果如图 6所示。

通过对比图 4和图 6的逆变器输出电压和电流波形，可以看出仿真波形和物理实验波形基本一致。因此，基于Matlab软件仿真调试通过的控制策略及控制器参数对于设计物理控制器及其参数具有重要的参考价值。基于软件仿真的手段，不仅可以缩短硬件开发周期，还可以减少硬件电路损坏。此外，当物理实验成本较高或实验条件无法满足实验需求时，软件仿真手段同样可以正确揭示相关理论。

三、建立过程性评价体系

传统结果性评价只是简单地关注学生的最终考试结果，存在以下缺点：一是评价过程脱离教学过程，不能发挥评价的反馈、调控和激励作用[12-13]；二是评价形式单一，不能充分评价不同层次学生的综合能力[13]；三是忽略学生非智力因素的发展，重理论轻实践，重结果轻过程[14]。

过程性评价是在教学过程中对学生的学习过程进行评价的方式[15]。与结果性评价相比，过程性评价能够充分发挥评价的反馈、调控和激励等功能，从而激发学生学习的主动性和积极性；过程性评价能够根据需要恰当地引入多种评价形式，从而构建完善的综合评价体系；过程性评价还能够同时关注教育目标和教育过程，从而对学生的学习效果、过程及非智力因素进行综合评价。因此，自20世纪80年代以来，过程性评价逐步形成，并且得到了广泛的关注与实践。

为了提高教学效果，本文为智能微电网课程建立了学生过程性评价体系：课程总成绩100分，项目实施过程中小组讨论情况及课堂互动表现占20%，项目书面报告文件占15%，项目口头报告及答辩情况占15%，期末考试占50%。项目书面报告是项目完成之后学生所提交的关于对项目的理解和实验结果分析的文件。项目书面报告采用统一的模板，内容包括问题建模、项目设计、项目实施、结果分析等。

四、结论

由于智能微电网是一门新兴的课程，并且具有较强的多学科交叉特点，该课程在教学过程中存在一些问题。针对这些问题，本文提出了基于项目和计算机仿真驱动的、以学生为中心的教学改革方案。具体包括：基于以学生为中心的教学模式，帮助学生发现所学内容的意义，提高学生的学习主动性和自主学习能力；基于项目驱动的策略，开阔学生视野，弥补教材内容的不足，提高学生的团队协作能力、动手能力、表达能力，积累项目实施经验；基于计算机仿真驱动的方案解决实验室建设成本高、实验条件难以保证的问题，加快项目进展速度；基于过程性评价体系对学生进行综合评价，充分发挥评价的反馈、调控和激励等功能，提高学生学习的主动性和积极性。该改革方案具有较好的效果和较强的可推广性。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ Wang J H， Conejo A J， Wang C S， et al. Smart grids， renewable energy integration， and climate change mitigation - Future electric energy systems [J]. Applied Energy， 2012（1）：1-3.

[2］ 刘东， 盛万兴，王云，等.电网信息物理系统的关键技术及其进展 [J]. 中国电机工程学报， 2015（14）： 3522-3531.

[3］ 李越，李曼丽，乔伟峰，等.政策与资源：面向工业化的高等教育协同创新：“卓越工程师教育培养计划”实施五年回顾之二 [J].清华大学教育研究，2016（6）：1-9.

[4］ 周士贵， 褚晓广. 164013智能电网与微电网教学大纲 [EB/OL].2018， http：//gxy.qfnu.edu.cn/info/1012/1466.htm.

[5］ 李曼. 以学生为中心的信息化教学模式架构研究 [J]. 中国大学教学，2012（8）：32-36.

[6］ 陈晓云，朱新卓.师生关系：从主客体之争到以学生为中心 [J]. 现代大学教育， 2015（3）： 36-41.

[7］ 陈新忠. 以学生为中心 深化本科教学改革 [J]. 中国高等教育， 2013（Z2）： 50-52.

[8］ Dervic D， Glamocic D S， Gazibegovic-Busuladzic A， et al. Teaching Physics with Simulations： Teacher-Centered Versus Student-Centered Approaches [J]. Journal of Baltic Science Education， 2018（2）： 288-299.

[9］ Goodman B E. An evolution in student-centered teaching [J]. Advances in Physiology Education， 2016（3）： 278-282.

[10］ Li Z， Zang C， Zeng P， et al. Control of a Grid-Forming Inverter Based on Sliding-Mode and Mixed H2/H_infinity Control [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017（5）： 3862-3872.

[11］ Li Z W， Zang C Z， Zeng P， et al. Combined Two-Stage Stochastic Programming and Receding Horizon Control Strategy for Microgrid Energy Management Considering Uncertainty [J]. Energies， 2016（7）： 16.

[12］ 谭志虎，胡迪青，田媛，等.微助教对高校大班课堂互动教学的重构[J].现代教育技术，2018（1）：107-113.

[13］ 王侠，王建平，张桂芳.项目化教学模式下工程制图考核评价体系的构建[J].教育与职业，2016（1）：115-117.

[14］ 张雪蓉，乔昳玥.学习过程性评价实施效果分析：以N大学G专业为个案[J].职业技术教育，2018（14）：55-59.

[15］ 蒋立兵，陈佑清.翻转课堂教学质量评价体系的构建[J].现代教育技术，2016（11）：60-66.

［责任编辑：刘鳳华］