線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式在電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)中的應(yīng)用

王 堯 邢云琪 李 奎

（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 天津 300130）

電氣工程是具有百年歷史的傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家從19世紀(jì)末陸續(xù)開(kāi)設(shè)該專(zhuān)業(yè)，而我國(guó)最早的電氣工程專(zhuān)業(yè)可以追溯到1908年南洋大學(xué)堂（交通大學(xué)前身）開(kāi)設(shè)的電機(jī)專(zhuān)科，距今也有一百多年歷史。回顧我國(guó)電氣工程學(xué)科發(fā)展歷程，教育方法的創(chuàng)新和高層次人才的培養(yǎng)，尤其是高素質(zhì)研究生的培養(yǎng)，對(duì)學(xué)科發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步起著舉足輕重的作用。近年來(lái)，我國(guó)研究生教育培養(yǎng)模式已從學(xué)術(shù)型為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)術(shù)型與專(zhuān)業(yè)型并重，全日制專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士研究生招生規(guī)模不斷擴(kuò)大。專(zhuān)業(yè)型碩士與學(xué)術(shù)型碩士的培養(yǎng)目標(biāo)不同，前者側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的研究能力，而后者則注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用某一專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。高質(zhì)量的專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生教育是培養(yǎng)未來(lái)高層次應(yīng)用型人才的有效途徑，我國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》中明確提出了“加快發(fā)展專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生教育”的戰(zhàn)略。如何在長(zhǎng)于理論研究而遠(yuǎn)離生產(chǎn)實(shí)踐的高校來(lái)完成這一培養(yǎng)目標(biāo)，是困擾眾多高校的一個(gè)難題。

本文以電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士研究生案例教學(xué)為研究對(duì)象，針對(duì)《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》課程，探討線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式在案例教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用，為學(xué)生全面、有效地獲取專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高解決實(shí)際問(wèn)題能力奠定基礎(chǔ)。

一、電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生課堂教學(xué)現(xiàn)狀與問(wèn)題

（一）教學(xué)形式單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊

從教學(xué)形式上分析，目前電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生課堂教學(xué)形式仍然以講授方式為主，教師采用“滿(mǎn)堂灌”的方式將相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)教授給學(xué)生。這種教學(xué)形式缺乏教師與學(xué)生之間的良好互動(dòng)，不容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，影響學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和掌握效果。從教學(xué)內(nèi)容上分析，傳統(tǒng)授課教材更新較為緩慢，甚至部分教學(xué)內(nèi)容略顯陳舊，例如，《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》教材中并未對(duì)人工智能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，而這正是目前低壓電器領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)之一。因此，電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生課堂教學(xué)形式與教學(xué)內(nèi)容無(wú)法滿(mǎn)足新形勢(shì)下高層次應(yīng)用型研究生人才培養(yǎng)要求。教師通過(guò)引入線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式和案例教學(xué)方法，能夠?yàn)閷W(xué)生及時(shí)展現(xiàn)技術(shù)最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，從而有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足[1]。

（二）理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合度不高

目前，電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)相關(guān)課程主要以講授理論知識(shí)為主，導(dǎo)致學(xué)生理解較為困難；在日常教學(xué)活動(dòng)中，授課教師很難有足夠時(shí)間為學(xué)生提供實(shí)踐機(jī)會(huì)，缺乏理論與實(shí)踐的有效串聯(lián)。教師通過(guò)引入線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式，并結(jié)合案例教學(xué)方法，可以使較為抽象的基礎(chǔ)理論具體化。一方面可以采用動(dòng)畫(huà)、視頻等多媒體方法彌補(bǔ)理論講解的不足；另一方面可以通過(guò)案例講解具體理論知識(shí)的應(yīng)用，并通過(guò)在線(xiàn)仿真、線(xiàn)上專(zhuān)家互動(dòng)交流、線(xiàn)下演示試驗(yàn)等多種方式為學(xué)生講解專(zhuān)業(yè)知識(shí)的具體運(yùn)用，使學(xué)生在知識(shí)運(yùn)用中提高自身實(shí)踐能力，從而有效拓展學(xué)生知識(shí)面。

二、線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式在《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》課程案例教學(xué)中的應(yīng)用

（一）案例教學(xué)法

案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，該方法最早于20世紀(jì)20年代被美國(guó)哈佛大學(xué)商學(xué)院所采用。案例教學(xué)通常圍繞實(shí)際問(wèn)題展開(kāi)，相關(guān)案例所涉及問(wèn)題通常沒(méi)有特定的解決方案。教師在教學(xué)過(guò)程中扮演設(shè)計(jì)者與激勵(lì)者的雙重角色[1]，通過(guò)設(shè)置一種教育的兩難境地，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生通過(guò)查閱資料、相互討論等方法找到解決問(wèn)題的最佳途徑，從而克服傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)模式以教師為中心的不足[2，3]。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》明確提出了“加快發(fā)展專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生教育”的戰(zhàn)略。由于人才培養(yǎng)定位不同，專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生課程應(yīng)以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，以職業(yè)需求為目標(biāo)，以綜合素養(yǎng)和應(yīng)用知識(shí)與能力的提高為核心。由此可見(jiàn)，專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生教育培養(yǎng)目標(biāo)與案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)非常契合。教師通過(guò)案例分析與實(shí)踐教學(xué)，能夠充分培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

（二）《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》課程案例

開(kāi)關(guān)電器是智能電網(wǎng)與新基建的重要組成部分。為了新時(shí)代發(fā)展需要，開(kāi)關(guān)電器智能化已成為必然。近年來(lái)，電力電子、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大推動(dòng)了智能電器新技術(shù)研發(fā)與市場(chǎng)化進(jìn)程，電弧故障斷路器、混合式直流斷路器等新型智能電器產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生課程《電器智能化與電磁兼容技術(shù)》在這種工程背景下創(chuàng)新發(fā)展。該課程的重要特征是理論聯(lián)系實(shí)際，旨在幫助學(xué)生了解智能電器的基本概念與主要應(yīng)用場(chǎng)景，使其掌握智能電器及其電磁兼容相關(guān)理論知識(shí)，并具備解決常見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題的能力。為了讓學(xué)生更好地理解智能電器產(chǎn)品的工作原理與應(yīng)用特點(diǎn)，我們通過(guò)與電器生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)專(zhuān)家廣泛交流，挖掘?qū)嶋H產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與使用中的技術(shù)問(wèn)題，濃縮成不同教學(xué)案例，構(gòu)建《電器智能化與電磁兼容技術(shù)》課程案例庫(kù)。

（三）線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式與《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》課程案例的結(jié)合

在《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》課程案例教學(xué)過(guò)程中，我們充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展提供的便利，探索線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式的創(chuàng)新實(shí)踐；借助騰訊會(huì)議、雨課堂等在線(xiàn)授課方式，打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的局限，在案例教學(xué)中增加專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)交流環(huán)節(jié)，邀請(qǐng)富有研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)技術(shù)專(zhuān)家與學(xué)生在線(xiàn)互動(dòng)，針對(duì)案例問(wèn)題進(jìn)行深入探討。同時(shí)，學(xué)生還可以借助Multisim、Matlab等仿真技術(shù)進(jìn)行在線(xiàn)仿真，邊學(xué)邊練。這充分激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率。在線(xiàn)下授課環(huán)節(jié)，教師圍繞案例問(wèn)題組織學(xué)生進(jìn)行分組討論，并為學(xué)生進(jìn)行必要實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生從不同側(cè)面深入剖析案例所涉及的技術(shù)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)提出解決問(wèn)題的有效方法。

此外，為了保證所選案例的時(shí)效性，教師在授課之余還要不斷走訪相關(guān)電器生產(chǎn)企業(yè)，與一線(xiàn)技術(shù)人員進(jìn)行廣泛交流，一方面搜集新的案例素材，另一方面了解企業(yè)真實(shí)需求，從而更好地指導(dǎo)案例庫(kù)建設(shè)，保證所建案例庫(kù)既體現(xiàn)時(shí)代特點(diǎn)，又適當(dāng)超前，滿(mǎn)足電器智能化技術(shù)發(fā)展需要。

三、線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式在電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)中的應(yīng)用舉例

（一）基于改進(jìn)AlexNet的故障電弧識(shí)別案例簡(jiǎn)介

1.案例技術(shù)背景

故障電弧是引起低壓配電系統(tǒng)電氣火災(zāi)的重要原因，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注，如何有效識(shí)別故障電弧是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，在實(shí)際不同類(lèi)型負(fù)載的故障電弧時(shí)頻域特征不完全相同；即使對(duì)于同一類(lèi)負(fù)載，不同時(shí)刻的電弧電流時(shí)頻域特征也可能存在差異。因此，教師很難枚舉每種負(fù)載條件下故障電弧時(shí)頻域特征。傳統(tǒng)的基于電弧特征以及預(yù)先設(shè)定閾值的傳統(tǒng)故障電弧保護(hù)方法，不能滿(mǎn)足非線(xiàn)性負(fù)載工況多變或負(fù)載未知情況下的故障電弧識(shí)別保護(hù)新要求。

本案例結(jié)合人工智能技術(shù)最新研究成果，并在線(xiàn)下與企業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)充分交流，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional neural network， CNN）能夠自動(dòng)識(shí)別和提取訓(xùn)練集特征的特點(diǎn)，采用深度學(xué)習(xí)過(guò)程直接從電流波形抽取非線(xiàn)性負(fù)載故障電弧特征，同時(shí)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立正常負(fù)載工況與故障電弧相區(qū)分的邊界條件；選取AlexNet網(wǎng)絡(luò)搭建深度學(xué)習(xí)故障電弧識(shí)別模型，在滿(mǎn)足故障識(shí)別準(zhǔn)確率的前提下，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；研究模型訓(xùn)練策略，選取最優(yōu)超參數(shù)組合，并對(duì)模型識(shí)別結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部連接、權(quán)值共享和池化操作可以降低模型復(fù)雜度，減少數(shù)據(jù)運(yùn)算，更全面地提取特征。它由一個(gè)輸入層、多個(gè)隱藏層以及一個(gè)輸出層組成。相較于淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，CNN的隱藏層由包括卷積層和池化層的特征提取層交替組成，具有較強(qiáng)的特征自學(xué)習(xí)能力，CNN結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.案例技術(shù)方案

雖然傳統(tǒng)AlexNet網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它具有兩個(gè)較大的卷積核，模型參數(shù)量大。因此，對(duì)AlexNet故障電弧識(shí)別模型的改進(jìn)方法是在滿(mǎn)足故障識(shí)別準(zhǔn)確率的前提下，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。傳統(tǒng)AlexNet模型有兩個(gè)大卷積核，一個(gè)是11×11卷積核，用來(lái)提取圖像底層紋理等通用特征，與故障電弧電流特征相關(guān)度不大，故保留其參數(shù)與結(jié)構(gòu)。從卷積原理分析，使用3×3的卷積核連續(xù)卷積兩次可以達(dá)到1個(gè)5×5的卷積核卷積一次提取特征的能力，即這兩種卷積過(guò)程得到的結(jié)果，都反映了原始圖像內(nèi)同樣像素大小內(nèi)的特征。基于改進(jìn)AlexNet的故障電弧識(shí)別模型的電弧識(shí)別流程如圖2所示.

（二）基于改進(jìn)AlexNet的故障電弧識(shí)別案例應(yīng)用實(shí)踐

針對(duì)低壓交流電弧故障檢測(cè)裝置教學(xué)案例，本研究選取河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院2019級(jí)電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士研究生為研究對(duì)象開(kāi)展線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)模式在案例教學(xué)中的實(shí)踐研究。在教學(xué)過(guò)程中，教師除采用授課講解、分組討論等線(xiàn)下教學(xué)方法外，還借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)平臺(tái)引入虛擬實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生在線(xiàn)仿真等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，積極解決問(wèn)題；同時(shí)，還利用騰訊會(huì)議的線(xiàn)上形式邀請(qǐng)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)專(zhuān)家與學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)，同學(xué)們積極踴躍向技術(shù)專(zhuān)家提出自己的疑問(wèn)，專(zhuān)家細(xì)心認(rèn)真回答學(xué)生的提問(wèn)，這種良好互動(dòng)突破了傳統(tǒng)教學(xué)方式的時(shí)空限制。此外，學(xué)生在線(xiàn)上還可以通過(guò)CNKI、IEEE Xplore等多種數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行預(yù)習(xí)和自學(xué)。相比于傳統(tǒng)灌輸式課堂教學(xué)，線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式與案例教學(xué)方法相互結(jié)合，豐富了教學(xué)形式，活躍了課堂氣氛。在線(xiàn)滿(mǎn)意度調(diào)查顯示，該教學(xué)模式得到學(xué)生一致好評(píng)，教學(xué)效果良好。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文以電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士研究生案例教學(xué)為研究對(duì)象，針對(duì)《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》課程，探討了線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式在案例教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用。本研究通過(guò)企業(yè)走訪調(diào)研等方式，選取具有代表性課題設(shè)計(jì)了《電器智能化技術(shù)及其電磁兼容》課程案例庫(kù)。教學(xué)實(shí)踐表明，線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式在案例教學(xué)中取得良好效果，學(xué)生有效掌握了相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為其提高解決實(shí)際問(wèn)題能力奠定了基礎(chǔ)。