基于項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的智能微電網(wǎng)教學(xué)改革

李忠文　程志平　蘇士美　司紀(jì)凱　張書源

［摘 要］針對(duì)智能微電網(wǎng)課程在教學(xué)過程中面臨的一些問題與挑戰(zhàn)，文章提出應(yīng)基于以學(xué)生為中心的教學(xué)模式改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性；基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的策略，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動(dòng)手能力、表達(dá)能力及項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)；基于計(jì)算機(jī)仿真的方案，提高項(xiàng)目進(jìn)展速度；基于過程性評(píng)價(jià)體系，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。最終形成了一套基于項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的、以學(xué)生為中心的教學(xué)改革方案。

［關(guān)鍵詞］智能微電網(wǎng)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；計(jì)算機(jī)仿真；以學(xué)生為中心；卓越工程師

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）10-0122-05

為了積極發(fā)展分布式發(fā)電，鼓勵(lì)新能源的高效利用，一些發(fā)達(dá)國家提出了智能電網(wǎng)概念，并制定了相應(yīng)的戰(zhàn)略，以促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)走向現(xiàn)代化[1]。微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)發(fā)展的過渡，能夠提高可再生能源滲透率和供電可靠性。因此，國內(nèi)許多本科院校的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)了智能微電網(wǎng)課程，以培養(yǎng)滿足社會(huì)發(fā)展和市場需求的優(yōu)秀本科畢業(yè)生。

作為一門新興的、具有較強(qiáng)多學(xué)科交叉背景的課程，智能微電網(wǎng)課程目前主要存在四個(gè)方面的挑戰(zhàn)：缺乏合適的教材、需要較豐富的多學(xué)科交叉背景知識(shí)、相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)更新迅速、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高。針對(duì)上述問題，本文提出了智能微電網(wǎng)課程的一系列改革方案。

一、智能微電網(wǎng)課程的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System， CPS）是深度融合計(jì)算、通信以及控制技術(shù)并由物理系統(tǒng)及信息系統(tǒng)構(gòu)成的工程系統(tǒng)[2]。智能微電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的信息物理系統(tǒng)，如圖 1所示。因此，智能微電網(wǎng)課程是包含計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、控制理論、電機(jī)學(xué)、電子學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、通信技術(shù)等知識(shí)的多學(xué)科交叉課程。

智能微電網(wǎng)課程是為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)高年級(jí)本科生開設(shè)的一門課程。為了達(dá)到卓越工程師教育培養(yǎng)目標(biāo)[3]并滿足學(xué)生繼續(xù)攻讀更高學(xué)位及工作需求，該課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)包含以下幾點(diǎn)：

1.初步掌握智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及控制與優(yōu)化理論，并強(qiáng)化解決工程問題的能力；

2.使學(xué)生具有獲取和應(yīng)用多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)、技能、策略的能力，建立相關(guān)學(xué)科完整知識(shí)體系；

3.培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，強(qiáng)化電氣、控制和信息技術(shù)領(lǐng)域的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新精神，能滿足智能微電網(wǎng)領(lǐng)域的研究、開發(fā)及運(yùn)維等相關(guān)工作需求；

4.提高學(xué)生對(duì)智能微電網(wǎng)領(lǐng)域的興趣愛好。

隨著電氣、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)的飛速發(fā)展，本科生智能微電網(wǎng)課程始終面臨著課程內(nèi)容更新與改革的壓力。此外，由于該研究領(lǐng)域興起較晚并具有多學(xué)科交叉的特性，智能微電網(wǎng)課程面臨如下難點(diǎn)：（1）缺乏合適的教材，難以利用單一的教材講解清楚智能微電網(wǎng)所包含的多學(xué)科交叉知識(shí)；（2）需要學(xué)生具有一定的相關(guān)多學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)背景；（3）智能微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展更新迅速；（4）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高，實(shí)驗(yàn)條件難以保證。

傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)范式是重視知識(shí)的傳授，關(guān)注教師教學(xué)環(huán)節(jié)。目前智能微電網(wǎng)課程多采用以教師為中心的教學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容寬泛、不夠深入，并且多偏重對(duì)理論和概念的講解，沒有涉及仿真機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[4]。因此，針對(duì)智能微電網(wǎng)這門課程，采用傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)方法存在以下問題：（1）學(xué)生間及師生間互動(dòng)少，缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的知識(shí)傳授，學(xué)生的理解應(yīng)用能力難以提高；（2）以最終考試確定成績的考核方式，缺乏過程性評(píng)價(jià)，難以構(gòu)成反饋機(jī)制并在過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；（3）缺乏仿真及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，難以使學(xué)生真正理解微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的區(qū)別及聯(lián)系；（4）缺乏對(duì)學(xué)生聯(lián)系、歸納及應(yīng)用知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題能力的培養(yǎng)。

綜合上述分析，針對(duì)智能微電網(wǎng)課程面臨的難點(diǎn)及挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以完全滿足其培養(yǎng)目標(biāo)要求。

二、項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法

針對(duì)上述問題，本文建議采用項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法改革。

（一）以學(xué)生為中心的教學(xué)方法改革

以學(xué)生為中心的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)的是教師的教學(xué)活動(dòng)服務(wù)于學(xué)生的需求，是以“拉動(dòng)自主式”教學(xué)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)“推動(dòng)灌輸式”教學(xué)方法[5-6]。近年來，以學(xué)生為中心的教學(xué)方法受到了廣泛的關(guān)注[6-9]。與傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式相比，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式不再向?qū)W生進(jìn)行填鴨式的知識(shí)灌輸，而是幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)所學(xué)內(nèi)容的意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和自主學(xué)習(xí)能力[12]。以學(xué)生為中心的教學(xué)模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）通過小組討論及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)生的溝通協(xié)作能力；（2）通過在學(xué)生與教師之間建立對(duì)等關(guān)系，學(xué)生的中心地位得到加強(qiáng)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及學(xué)習(xí)興趣；（3）通過學(xué)生自主討論與探索研究，提高學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用能力。

（二）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)策略在智能微電網(wǎng)教學(xué)中的作用

為了應(yīng)對(duì)智能微電網(wǎng)這門課程缺乏合適的教材、相關(guān)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)更新迅速和多學(xué)科交叉等問題，本文提出了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容及對(duì)應(yīng)的實(shí)踐項(xiàng)目（見表1）。

如表1所示，課題組為高年級(jí)本科生設(shè)計(jì)的智能微電網(wǎng)課程共有48個(gè)學(xué)時(shí)，其中理論授課22個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生分組討論及項(xiàng)目答疑10個(gè)學(xué)時(shí)，項(xiàng)目匯報(bào)及點(diǎn)評(píng)16個(gè)學(xué)時(shí)。與教學(xué)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的相關(guān)項(xiàng)目均是通過中英文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫檢索歸納得到的微電網(wǎng)研究領(lǐng)域相關(guān)熱點(diǎn)研究內(nèi)容，這樣不僅可以補(bǔ)充教材內(nèi)容的不足，還能緊密追蹤該研究領(lǐng)域的技術(shù)前沿。

本課程共列出了20個(gè)與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的研究課題。以具有80名學(xué)生的班級(jí)為例，讓學(xué)生每4人一組進(jìn)行自由組隊(duì)，并且教師為每個(gè)小組分配20個(gè)項(xiàng)目中的2項(xiàng)。首先，讓學(xué)生通過課前查閱文獻(xiàn)學(xué)習(xí)多學(xué)科交叉知識(shí)，從而開闊視野，熟悉相關(guān)研究內(nèi)容的背景知識(shí)；然后，通過課堂教學(xué)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的理解；接著，通過項(xiàng)目實(shí)施及過程討論，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及動(dòng)手能力；最后，通過項(xiàng)目匯報(bào)及點(diǎn)評(píng)，提高學(xué)生的表達(dá)能力并讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到其在項(xiàng)目實(shí)施過程的不足之處，為后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。無論學(xué)生將來繼續(xù)攻讀學(xué)位還是工作，相關(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)都會(huì)對(duì)其有較大幫助。

（三）計(jì)算機(jī)仿真在智能微電網(wǎng)教學(xué)中的作用

為了解決智能微電網(wǎng)這門課程面臨的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高、實(shí)驗(yàn)條件難以保證的問題，本文設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)仿真的解決方案，并結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式，構(gòu)建一套基于項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的、以學(xué)生為中心的智能微電網(wǎng)教學(xué)改革方案。本文以項(xiàng)目“三相VF控制型逆變器控制策略”為例，介紹計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)在項(xiàng)目實(shí)施及教學(xué)中的作用。

項(xiàng)目“三相VF控制型逆變器控制策略”要求設(shè)計(jì)的逆變器輸出線電壓為208 V，50 Hz的交流電，電壓/電流信號(hào)采樣頻率為10k Hz，逆變器開關(guān)頻率為10k Hz，直流側(cè)電源電壓為300 V，LC濾波電路的濾波電感和濾波電容由學(xué)生自行設(shè)計(jì)。

通過學(xué)生課前的文獻(xiàn)調(diào)研和教師課堂講解，使學(xué)生掌握?qǐng)D 2所示的三相VF控制型逆變器雙閉環(huán)PI控制策略的基本原理。為了保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行，應(yīng)盡量避免學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中因控制算法不穩(wěn)定及操作不當(dāng)造成的硬件電路損壞。因此，教師首先要指導(dǎo)學(xué)生采用基于計(jì)算機(jī)仿真的方式驗(yàn)證并調(diào)試所設(shè)計(jì)的控制策略，直到得到滿意的控制性能。然后，讓學(xué)生設(shè)計(jì)硬件電路，通過硬件實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該控制策略。這里應(yīng)當(dāng)注意的是，計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)當(dāng)盡量與真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)一致，這樣才能保證仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，從而便于將仿真驗(yàn)證通過的控制算法移植到物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。

圖 3為基于Matlab建立的三相VF控制型逆變器及其控制模塊的仿真模型?；谠摲抡婺Ｐ?，學(xué)生可以驗(yàn)證并調(diào)試雙閉環(huán)PI控制器參數(shù)，教師還可以鼓勵(lì)學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，將其他控制算法（如滑?？刂啤Ⅳ敯艨刂?、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）應(yīng)用到VF控制型逆變器系統(tǒng)的控制中。

圖 4為采用雙閉環(huán)PI控制策略時(shí)，基于Matlab仿真的三相VF控制型逆變器輸出電壓電流階躍響應(yīng)波形。從圖4可以看出，該控制策略具有較快的響應(yīng)速度和良好的波形質(zhì)量。

為了進(jìn)一步通過物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三相VF控制型逆變器的控制策略，課題組搭建了如圖 5所示的三相逆變器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用TMS320F28335型號(hào)的DSP芯片對(duì)三相逆變器進(jìn)行控制，雙閉環(huán)PI控制器的控制參數(shù)采用基于Matlab仿真模型調(diào)試通過的控制參數(shù)。對(duì)應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 6所示。

通過對(duì)比圖 4和圖 6的逆變器輸出電壓和電流波形，可以看出仿真波形和物理實(shí)驗(yàn)波形基本一致。因此，基于Matlab軟件仿真調(diào)試通過的控制策略及控制器參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)物理控制器及其參數(shù)具有重要的參考價(jià)值?；谲浖抡娴氖侄?，不僅可以縮短硬件開發(fā)周期，還可以減少硬件電路損壞。此外，當(dāng)物理實(shí)驗(yàn)成本較高或?qū)嶒?yàn)條件無法滿足實(shí)驗(yàn)需求時(shí)，軟件仿真手段同樣可以正確揭示相關(guān)理論。

三、建立過程性評(píng)價(jià)體系

傳統(tǒng)結(jié)果性評(píng)價(jià)只是簡單地關(guān)注學(xué)生的最終考試結(jié)果，存在以下缺點(diǎn)：一是評(píng)價(jià)過程脫離教學(xué)過程，不能發(fā)揮評(píng)價(jià)的反饋、調(diào)控和激勵(lì)作用[12-13]；二是評(píng)價(jià)形式單一，不能充分評(píng)價(jià)不同層次學(xué)生的綜合能力[13]；三是忽略學(xué)生非智力因素的發(fā)展，重理論輕實(shí)踐，重結(jié)果輕過程[14]。

過程性評(píng)價(jià)是在教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)的方式[15]。與結(jié)果性評(píng)價(jià)相比，過程性評(píng)價(jià)能夠充分發(fā)揮評(píng)價(jià)的反饋、調(diào)控和激勵(lì)等功能，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性；過程性評(píng)價(jià)能夠根據(jù)需要恰當(dāng)?shù)匾攵喾N評(píng)價(jià)形式，從而構(gòu)建完善的綜合評(píng)價(jià)體系；過程性評(píng)價(jià)還能夠同時(shí)關(guān)注教育目標(biāo)和教育過程，從而對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、過程及非智力因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。因此，自20世紀(jì)80年代以來，過程性評(píng)價(jià)逐步形成，并且得到了廣泛的關(guān)注與實(shí)踐。

為了提高教學(xué)效果，本文為智能微電網(wǎng)課程建立了學(xué)生過程性評(píng)價(jià)體系：課程總成績100分，項(xiàng)目實(shí)施過程中小組討論情況及課堂互動(dòng)表現(xiàn)占20%，項(xiàng)目書面報(bào)告文件占15%，項(xiàng)目口頭報(bào)告及答辯情況占15%，期末考試占50%。項(xiàng)目書面報(bào)告是項(xiàng)目完成之后學(xué)生所提交的關(guān)于對(duì)項(xiàng)目的理解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的文件。項(xiàng)目書面報(bào)告采用統(tǒng)一的模板，內(nèi)容包括問題建模、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施、結(jié)果分析等。

四、結(jié)論

由于智能微電網(wǎng)是一門新興的課程，并且具有較強(qiáng)的多學(xué)科交叉特點(diǎn)，該課程在教學(xué)過程中存在一些問題。針對(duì)這些問題，本文提出了基于項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的、以學(xué)生為中心的教學(xué)改革方案。具體包括：基于以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)所學(xué)內(nèi)容的意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和自主學(xué)習(xí)能力；基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的策略，開闊學(xué)生視野，彌補(bǔ)教材內(nèi)容的不足，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動(dòng)手能力、表達(dá)能力，積累項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)；基于計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的方案解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高、實(shí)驗(yàn)條件難以保證的問題，加快項(xiàng)目進(jìn)展速度；基于過程性評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，充分發(fā)揮評(píng)價(jià)的反饋、調(diào)控和激勵(lì)等功能，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。該改革方案具有較好的效果和較強(qiáng)的可推廣性。

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］