基于啟發(fā)式案例教學(xué)的“電能質(zhì)量分析與控制”課程改革研究與實(shí)踐

林順富 湯波 王魯楊

【摘要】對(duì)“電能質(zhì)量分析與控制”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，采用基于啟發(fā)式的案例教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)改革，精煉教學(xué)內(nèi)容，夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，建設(shè)案例庫(kù)，強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)和教師的啟發(fā)式點(diǎn)撥教育，以身臨其境的案例教學(xué)環(huán)境強(qiáng)化對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)并取得了顯著的效果。

【關(guān)鍵詞】啟發(fā)式；案例教學(xué)；課程改革；創(chuàng)新

電能作為一種特殊的商品，其質(zhì)量受到越來(lái)越多的關(guān)注，電能質(zhì)量已經(jīng)成為評(píng)估電力系統(tǒng)運(yùn)行水平的重要內(nèi)容，電能質(zhì)量的改善對(duì)于電網(wǎng)和用戶電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，促進(jìn)電力行業(yè)發(fā)展有重要意義。

影響電能質(zhì)量的主要因素有：諧波、電壓波動(dòng)與閃變、頻率波動(dòng)、三相不平衡和過(guò)電壓等。由于電力系統(tǒng)的發(fā)、供、用的實(shí)時(shí)性，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量始終處于動(dòng)態(tài)變化中，電能質(zhì)量擾動(dòng)具有潛在的危險(xiǎn)性和廣泛傳播性，越來(lái)越多的用戶成為保證電能質(zhì)量的主體，對(duì)電能質(zhì)量的綜合評(píng)估非常困難，控制和管理電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及電力系統(tǒng)、電力電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，為了適應(yīng)當(dāng)代科技發(fā)展對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)需求，上海電力學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱我校）開設(shè)“電能質(zhì)量分析與控制”研究生課程。

1課程簡(jiǎn)況與教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

“電能質(zhì)量分析與控制”課程屬于電氣工程專業(yè)的選修課，2個(gè)學(xué)分，32 個(gè)學(xué)時(shí)，面向碩士研究生開設(shè)。根據(jù)電能質(zhì)量分析與控制這一專業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)結(jié)合我校研究生主要就業(yè)方向?yàn)榭h市級(jí)供電企業(yè)及相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)單位，課程教學(xué)內(nèi)容主要包括如下方面：

（1） 電能質(zhì)量的數(shù)學(xué)分析方法

介紹功率理論的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，詳細(xì)講述瞬時(shí)無(wú)功功率理論以及基于該理論的pq諧波檢測(cè)方法和ip-iq諧波檢測(cè)方法，介紹基于傅里葉頻域分析、小波分析的諧波檢測(cè)方法。

（2） 傳統(tǒng)電能質(zhì)量的基本內(nèi)容

介紹電壓偏差、頻率偏差、電壓三相不平衡和供電可靠性、電壓波動(dòng)與閃變等傳統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題現(xiàn)象、機(jī)理、原因及評(píng)估方法。

（3） 波形畸變和電力諧波

介紹電力系統(tǒng)諧波的來(lái)源、危害及相關(guān)治理措施，分析典型非線性電力電子裝置的輸入電流特性，例如典型整流器裝置的輸入側(cè)諧波特性。

（4） 電能質(zhì)量控制技術(shù)

介紹典型的串聯(lián)型、并聯(lián)型及混合型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、電流波形控制技術(shù)和電壓控制策略、主電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。

（5） 電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)和方法

介紹電力系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估方式的分類、流程、方法及評(píng)估指標(biāo)。

目前該課程采用的教材為文獻(xiàn)[1-2]，授課方式采用PPT和板書相結(jié)合的方式，課程內(nèi)安排2-3次大型作業(yè)，閉卷考試。由于電能質(zhì)量這一領(lǐng)域的特殊性及電力行業(yè)的快速發(fā)展變化，加快對(duì)本課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2教改思路與方案設(shè)計(jì)

本次教改研究遵循系統(tǒng)性的思路，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核體系等方面入手開展方案設(shè)計(jì)。

（1）拓展教學(xué)內(nèi)容、聚焦熱點(diǎn)難點(diǎn)

由于電能質(zhì)量分析與控制這一課程既涵蓋經(jīng)典的數(shù)學(xué)分析方法又有鮮活的行業(yè)動(dòng)態(tài)，在有限的教學(xué)課程內(nèi)不可能面面俱到，這也不符合研究生教學(xué)重視能力培養(yǎng)的根本宗旨。基于此，本課程教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了拓展和聚焦：1）在現(xiàn)有教材的基礎(chǔ)上，引入國(guó)外經(jīng)典教材[3]，夯實(shí)學(xué)生對(duì)基本工具的掌握；2）聚焦最新的行業(yè)動(dòng)態(tài)，精煉教學(xué)內(nèi)容，將新能源相關(guān)電能質(zhì)量問(wèn)題、新型敏感負(fù)荷電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行聚焦。

（2）以點(diǎn)帶面、強(qiáng)化啟發(fā)引導(dǎo)

教學(xué)中只對(duì)相關(guān)方法和問(wèn)題進(jìn)行提綱挈領(lǐng)式的宏觀指導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力。這要求授課教師要全面系統(tǒng)的綜合評(píng)估該課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，選擇關(guān)鍵的教學(xué)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)撥。

（3）著眼工程實(shí)際、豐富案例研究

結(jié)合學(xué)?？蒲姓n題和行業(yè)中出現(xiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題，建設(shè)電能質(zhì)量分析案例庫(kù)。以事實(shí)素材為基礎(chǔ)，建立實(shí)際情境，以明確的目標(biāo)來(lái)驅(qū)動(dòng)學(xué)生開展學(xué)習(xí)、思考和交流，激發(fā)學(xué)生潛能，體驗(yàn)成功過(guò)程。教學(xué)中采用分組，每組完成1個(gè)案例的問(wèn)題原因分析、仿真重現(xiàn)、解決方法的完成，引導(dǎo)學(xué)生將工程問(wèn)題提升為科學(xué)問(wèn)題[4-5]。

3教學(xué)方法與實(shí)踐

（1）經(jīng)典理論的多媒體綜合教學(xué)

電能質(zhì)量分析相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)方法如傅里葉分析、小波理論、瞬時(shí)無(wú)功理論等對(duì)于學(xué)生深刻掌握該課程基礎(chǔ)并進(jìn)行相關(guān)研究至關(guān)重要。為學(xué)好數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論，本部分教學(xué)要求學(xué)生課前完成對(duì)高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)理論的學(xué)習(xí)，并利用國(guó)內(nèi)外相關(guān)網(wǎng)絡(luò)課堂（如斯坦福大學(xué)傅里葉變換視頻教程）進(jìn)行課前學(xué)習(xí)，課堂教學(xué)采用板書和PPT授課相結(jié)合的方式開展，帶領(lǐng)學(xué)生推導(dǎo)經(jīng)典理論，指導(dǎo)學(xué)生采用MATLAB仿真軟件對(duì)相關(guān)理論的應(yīng)用進(jìn)行仿真，以達(dá)到精通經(jīng)典理論和工具的目的。

（2）案例庫(kù)建設(shè)

我校是全國(guó)三大電力院校之一，已有60多年的建校史，和電力行業(yè)存在血濃于水的天然聯(lián)系，在人才培養(yǎng)、科研攻關(guān)等方面有著廣泛的合作?；诖?，將教師課題研究、供電企業(yè)各種電能質(zhì)量事件進(jìn)行匯總整理，形成課程案例庫(kù)，案例庫(kù)包括電能質(zhì)量事件的現(xiàn)象、電網(wǎng)主要參數(shù)、事件過(guò)程、原因分析及解決方案。內(nèi)容主要包括：1）居民電能質(zhì)量案例庫(kù)，涵蓋諧波、三相不平衡和過(guò)電壓、雷擊浪涌等方面，如2013年上海市電力公司發(fā)生了若干次日本制造虎牌電飯煲不能正常工作事件；2）工業(yè)電能質(zhì)量案例庫(kù)，涵蓋諧波、電壓波動(dòng)與閃變等方面，如上海浦東日立集團(tuán)諧波超標(biāo)事件、浙江常山中頻爐和紡織廠共線跳閘事件、軌道交通電能質(zhì)量問(wèn)題等；3）新能源并網(wǎng)電能質(zhì)量案例庫(kù)，涵蓋不同規(guī)模的風(fēng)電、光伏及儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題等；4）交直流混合電網(wǎng)電能質(zhì)量案例庫(kù)，涵蓋特高壓直流系統(tǒng)、柔性直流系統(tǒng)等的電能質(zhì)量事件；5）敏感性負(fù)荷的電能質(zhì)量案例庫(kù)，如上海音樂(lè)廳不明原因反復(fù)跳閘事件、電動(dòng)汽車充電設(shè)施電能質(zhì)量問(wèn)題事件；6）電能質(zhì)量控制技術(shù)案例庫(kù)，如有源電力濾波器設(shè)計(jì)方案等。

（3）案例教學(xué)實(shí)施

在完成經(jīng)典理論的教學(xué)后，對(duì)專業(yè)知識(shí)采用啟發(fā)式案例教學(xué)方法，主要步驟如下：1）布置學(xué)生完成相關(guān)專業(yè)知識(shí)的理論自學(xué)，如講授電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題時(shí)布置學(xué)生完成諧波基礎(chǔ)知識(shí)、分析方法的學(xué)習(xí)；2）安排學(xué)生分組進(jìn)行諧波測(cè)試，教學(xué)時(shí)安排學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室錄波儀、電流鉗、LABVIEW軟件等工具分組測(cè)試不同諧波源的諧波發(fā)射水平，如我校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電設(shè)施、各種家用電器等的諧波發(fā)射數(shù)據(jù)，并在SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，完成測(cè)試報(bào)告，每組一種或兩種負(fù)荷，學(xué)生必然通過(guò)自學(xué)深刻理解諧波基礎(chǔ)理論、傅里葉分析等基礎(chǔ)理論，并完全掌握諧波測(cè)試方法和仿真方法；3）下達(dá)案例，每3-5個(gè)學(xué)生一組，將案例庫(kù)中的該部分案例下達(dá)給學(xué)生，布置其按照電網(wǎng)參數(shù)搭建仿真模型，重現(xiàn)問(wèn)題，如虎牌電飯煲不能正常工作事件，讓學(xué)生將當(dāng)時(shí)電網(wǎng)錄波數(shù)據(jù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、虎牌電飯煲電氣模型進(jìn)行構(gòu)建，重現(xiàn)問(wèn)題，以身臨其境的方式學(xué)習(xí)該案例中涉及到的知識(shí)；4）交流與共享，限于教學(xué)時(shí)間的限制，不可能每個(gè)案例每個(gè)學(xué)生都能涉及，以課內(nèi)講座的形式實(shí)現(xiàn)共享，學(xué)生以PPT的形式圖文并茂的介紹給其它同學(xué)，達(dá)到共同學(xué)習(xí)的目的。操作中，案例教學(xué)存在一定的難度，在學(xué)生遇到問(wèn)題的時(shí)候需要教師及時(shí)點(diǎn)撥，提供案例數(shù)據(jù)，指點(diǎn)方法。

（4）前沿跟蹤

估計(jì)跟蹤前沿和不斷創(chuàng)新是研究生教學(xué)的重點(diǎn)，本課程要求學(xué)生在案例學(xué)習(xí)的同時(shí)將該領(lǐng)域的前沿成果論文進(jìn)行集體解讀，形成綜述報(bào)告，必要時(shí)形成英文版綜述報(bào)告，并采用英語(yǔ)交流，達(dá)到學(xué)生閱讀能力、寫作能力和交流能力的綜合鍛煉。

4結(jié)論

在電能質(zhì)量分析與控制教學(xué)中，通過(guò)精煉教學(xué)內(nèi)容提高了教學(xué)重點(diǎn)，采用啟發(fā)式的案例教學(xué)方法，教師由“說(shuō)教者”變成“點(diǎn)撥者”，學(xué)生由聽眾變成身臨其境的學(xué)習(xí)主體。通過(guò)這一教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)得到夯實(shí)，文獻(xiàn)閱讀能力、外語(yǔ)應(yīng)用水平、科研設(shè)計(jì)能力、綜合寫作能力和對(duì)外交流能力均得到顯著提高。由于案例庫(kù)尚在不斷完善中，部分案例的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和素材尚不夠完善，在今后的教學(xué)中進(jìn)一步提高。

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基金項(xiàng)目：上海市電力學(xué)院研究生教學(xué)改革專項(xiàng)基金資助。