電氣工程及其自動化工程教育教學(xué)模式探究

張建平 謝明 李海英

摘? ? 要：隨著社會的不斷進(jìn)步與發(fā)展，工程教育的重要性逐步提高，同時工程教育畢業(yè)生理論與實踐相結(jié)合能力不足的問題也越來越凸顯。鑒于此，文章以電氣工程及其自動化學(xué)科為例，采用定位學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域前沿工程、明確工程教育教學(xué)內(nèi)容以及建立“產(chǎn)學(xué)研”合作平臺來改進(jìn)工程教育的教學(xué)模式，以此進(jìn)一步提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：電氣工程及其自動化;工程教育;教學(xué)模式;前沿工程;產(chǎn)學(xué)研

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）06-0032-03

在推動電氣工程技術(shù)的發(fā)展與工程問題的解決上，由電氣工程及其自動化學(xué)科工程教育所培養(yǎng)的畢業(yè)生發(fā)揮了重要作用。電氣工程學(xué)科旨在培養(yǎng)能進(jìn)行電氣技術(shù)方面綜合開發(fā)和應(yīng)用的高素質(zhì)應(yīng)用型人才[1-4]。該學(xué)科是一門實踐性很強(qiáng)的學(xué)科[5-7]，為了解決電氣生產(chǎn)與運(yùn)行當(dāng)中存在的復(fù)雜問題，以及提高電氣工程學(xué)科學(xué)生的素質(zhì)和水平，電氣工程及其自動化學(xué)科工程教育應(yīng)運(yùn)而生。

然而，隨著我國電力工程的不斷發(fā)展，在工程實際中，不僅電氣生產(chǎn)與運(yùn)行當(dāng)中產(chǎn)生的問題變得越來越復(fù)雜和難以解決[8-10]，而且電氣生產(chǎn)以及運(yùn)行的技術(shù)門檻也在不斷提高，這就對電氣工程及自動化專業(yè)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力提出更高的要求。因此，如何使工程教育培養(yǎng)的學(xué)生具有較強(qiáng)的理論與實踐相結(jié)合的能力變得尤為關(guān)鍵[11-14]。

在電氣工程及其自動化工程教育培養(yǎng)的研究上，李昂等以課程為重點探討了持續(xù)改進(jìn)的措施，為培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識作出了貢獻(xiàn)，但創(chuàng)新培養(yǎng)不是工程教育的主要目的。電氣工程及其自動化工程教育教學(xué)內(nèi)容逐步與前沿技術(shù)相脫軌[15-18]，因此，有必要在教學(xué)內(nèi)容上予以改進(jìn)來提升工程教育培養(yǎng)質(zhì)量。

“產(chǎn)學(xué)研”是一個很好的培養(yǎng)模式[19-25]，相較于單純在企實習(xí)以及在校學(xué)習(xí)，該模式能夠讓學(xué)生將在課堂上學(xué)習(xí)得到的理論知識更好地應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)實踐當(dāng)中，這不但能夠提升學(xué)生對理論知識重要性的認(rèn)識，而且能夠讓學(xué)生更好地接觸并了解到更為復(fù)雜的實際生產(chǎn)問題，更好地提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力[26-30]。

因此，為培養(yǎng)出具有較強(qiáng)理論與實踐相結(jié)合能力的電氣工程及其自動化工程教育畢業(yè)生，本文首先對電氣工程領(lǐng)域的前沿工程進(jìn)行了定位，并明確了教學(xué)內(nèi)容，其次引領(lǐng)學(xué)生參與高?？蒲许椖?，教授前沿工程領(lǐng)域的最新技術(shù)，最后結(jié)合“產(chǎn)學(xué)研”培養(yǎng)方法來改進(jìn)教學(xué)模式。

一、定位前沿工程，明確教學(xué)內(nèi)容

風(fēng)電是新能源發(fā)電領(lǐng)域的一個重要的方向。風(fēng)電技術(shù)中應(yīng)用了大量的電氣工程及其自動化學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識。相比于陸上風(fēng)能，海上風(fēng)能儲量更大，分布更廣，風(fēng)速也更加持久穩(wěn)定，風(fēng)電場向深遠(yuǎn)海域擴(kuò)展成為必然。全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量逐年增長，然而，由于內(nèi)陸以及近海風(fēng)場的開發(fā)逐步趨于飽和，因此，風(fēng)力發(fā)電有著逐漸從陸地走向海洋，從淺海走向深海域的趨勢。

風(fēng)資源評估是風(fēng)電場建設(shè)的基礎(chǔ)性工作，其中風(fēng)能資源的長期變化直接關(guān)系到風(fēng)電開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益以及用電安全，而風(fēng)能資源長期變化的本質(zhì)是風(fēng)速變化。因此，風(fēng)速預(yù)測的精度不僅直接影響發(fā)電量的多少，而且影響國民生活和生產(chǎn)?？梢灶A(yù)見，海上風(fēng)電場能夠高效、經(jīng)濟(jì)且穩(wěn)定發(fā)電的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確的風(fēng)資源評估。

本文以深遠(yuǎn)海域風(fēng)資源評估前沿工程為例，將風(fēng)速預(yù)測作為教學(xué)內(nèi)容來開展教學(xué)與實踐，以期為其他前沿工程的教學(xué)應(yīng)用到電氣工程及其自動化學(xué)科工程教育模式上提供參考。

二、參與科研，扎實理論

風(fēng)資源評估是風(fēng)電技術(shù)中的重要組成部分。目前，陸上與近海風(fēng)電場的風(fēng)資源評估精度不高，而深遠(yuǎn)海域風(fēng)資源評估的偏差更大。這一方面是由電氣工程及其自動化學(xué)科在風(fēng)速預(yù)測技術(shù)上的落后而引起，另一方面是因為沒有完全掌握哪種因素對風(fēng)速預(yù)測影響較大而導(dǎo)致。

為此，在工程教育的教學(xué)模式上，筆者結(jié)合電氣工程及其自動化學(xué)科特點，通過讓學(xué)生參與到深遠(yuǎn)海風(fēng)資源評估的科研項目當(dāng)中，使學(xué)生接觸并學(xué)習(xí)到最新的人工智能算法與理論知識，同時開展教學(xué)實例的學(xué)習(xí)，來鞏固學(xué)生的理論基礎(chǔ)。

（一）風(fēng)資源風(fēng)能分布的實踐

風(fēng)能分布是評價風(fēng)資源的一種重要指標(biāo)，風(fēng)能分布的情況可用于指導(dǎo)風(fēng)力機(jī)的選型、設(shè)計以及風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)的排布。準(zhǔn)確地分析風(fēng)能分布有助于更加科學(xué)地設(shè)計風(fēng)電場，可使風(fēng)電場保持電能輸出，從而進(jìn)一步提高受益，反之則會導(dǎo)致風(fēng)電場效益下降與成本虧損的后果。

圖1為上海蘆潮港地區(qū)2005年風(fēng)速與風(fēng)能分布情況。在課堂教學(xué)與科研中，對風(fēng)能分布的知識進(jìn)行講授和讓學(xué)生親自使用相關(guān)軟件以及方法得到結(jié)果，不但能夠使學(xué)生深入了解并熟悉風(fēng)速以及風(fēng)能分布的理論知識，而且能夠了解風(fēng)能分布如何應(yīng)用及該理論如何指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，同時又能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到該領(lǐng)域研究所使用的軟件以及相關(guān)技能。這不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能讓理論知識不再枯燥無味。

（二）風(fēng)速預(yù)測技術(shù)的實踐

風(fēng)速預(yù)測是電氣工程及其自動化學(xué)科的一個重要研究領(lǐng)域。風(fēng)速預(yù)測技術(shù)不僅可為風(fēng)資源評估提供參考，而且可以為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、風(fēng)力機(jī)槳葉控制策略的制定提供支持，該技術(shù)的研究具有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，風(fēng)速預(yù)測技術(shù)是一項較為不成熟的技術(shù)，同時，在風(fēng)速預(yù)測準(zhǔn)確度上，無論是學(xué)術(shù)界還是企業(yè)界的成果都不甚理想。

近年來，隨著人工智能的興起，部分人工智能模型被應(yīng)用于工程實踐當(dāng)中。因此，電氣工程及其自動化學(xué)科的教學(xué)可圍繞如何利用人工智能算法來解決風(fēng)速預(yù)測精度不足的問題。圖2為利用粒子群算法（ParticleSwarm Optimization，PSO）、布谷鳥算法（Cuckoo Search Algorithm，CSA）以及其改進(jìn)的算法來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后開展的風(fēng)速預(yù)測曲線圖。通過該科研內(nèi)容與實例的教學(xué)，引起學(xué)生對風(fēng)速預(yù)測技術(shù)的興趣，這不僅可以讓學(xué)生了解與熟悉專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的最新技術(shù)，也可深入地培養(yǎng)學(xué)生在算法改進(jìn)方面的創(chuàng)新思維，如此可為培養(yǎng)優(yōu)秀的電氣工程及其自動化學(xué)科工程教育畢業(yè)生打下堅實的基礎(chǔ)。

三、“產(chǎn)學(xué)研”平臺提升理論與實踐結(jié)合能力

良好的理論是應(yīng)用的基礎(chǔ)，而“產(chǎn)學(xué)研”則是理論應(yīng)用于實踐的平臺。讓電氣工程及其自動化學(xué)科的學(xué)生深入企業(yè)去熟悉與了解生產(chǎn)一線環(huán)境，通過將豐富的實踐與良好的教學(xué)有機(jī)結(jié)合，去發(fā)現(xiàn)并解決存在的問題，這不僅可使企業(yè)不斷攻克工程難題，也可鍛煉學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力。

在深遠(yuǎn)海域風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究方面，通過與企業(yè)開展“產(chǎn)學(xué)研”合作，目前已培養(yǎng)了本學(xué)科兩屆畢業(yè)生，獲得了用人單位的良好認(rèn)可，培養(yǎng)期間發(fā)表多篇論文并申請專利2項，為企業(yè)解決了多項技術(shù)瓶頸問題。由此可見，學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力在通過“產(chǎn)學(xué)研”平臺的鍛煉后得到了有力提升。

四、結(jié)語

本文以電氣工程及其自動化學(xué)科工程教育為例，通過“產(chǎn)學(xué)研”平臺使得學(xué)生的能力得到了鍛煉，主要結(jié)論如下。

1.在理論學(xué)習(xí)方面，將人工智能引入到解決工程問題當(dāng)中，并借助風(fēng)能分布與風(fēng)速預(yù)測兩個內(nèi)容的講授與實例實踐，一方面提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面鍛煉了學(xué)生在各方面的技能，筑牢了學(xué)生在風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。

2.通過在“產(chǎn)學(xué)研”平臺的鍛煉，電氣工程及其自動化學(xué)科的學(xué)生能夠認(rèn)識與了解到風(fēng)資源評估在生產(chǎn)實際中存在的問題，在為企業(yè)解決實際復(fù)雜工程問題的同時培養(yǎng)了學(xué)生的動手實踐能力。

3.本文的教學(xué)模式切實提升了本學(xué)科學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力，不僅能為企業(yè)攻克技術(shù)難題提供一種合作途徑，而且與工程教育培養(yǎng)目標(biāo)一致，這可為其他學(xué)科在工程教育教學(xué)模式上進(jìn)行改進(jìn)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊章勇，閆群民，馬永翔.電氣工程專業(yè)實踐教學(xué)改革探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2020（12）.

[2]李謙.卓越電氣工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的探索與實踐[J].高教學(xué)刊，2019（14）.

[3]古翠鳳，劉雅婷.行業(yè)協(xié)會參與校企深度合作育人模式建構(gòu)[J].中國高校科技，2020（10）.

[4]李昂，馬永翔，閆群民.工程教育認(rèn)證背景下電氣工程及其自動化專業(yè)建設(shè)探索與實踐[J].教育教學(xué)論壇， 2020（1）.

[5]鄭龍章.研究生導(dǎo)師評價標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)定的思考——基于立德樹人”的考量[J].中國高校科技，2020（10）.

[6]李晶，陳思，于微波，等.“新工科”背景下教學(xué)模式的探討與構(gòu)建——以電氣工程及其自動化專業(yè)為例[J].工業(yè)和信息化教育，2019（9）.

[7]趙紅，牛小兵，朱景偉.“以學(xué)生為中心”的電氣工程及其自動化專業(yè)課程教學(xué)模式設(shè)計與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2019（33）.

[8]魯敏，王洪坤，岑紅蕾.應(yīng)用型電氣工程及其自動化本科專業(yè)教學(xué)模式探索[J].中國教育技術(shù)裝備，2013（27）.

[9]謝衛(wèi)才，黃紹平，李靖，等.應(yīng)用型電氣工程及其自動化本科專業(yè)教學(xué)模式探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008（S1）.

[10]陳麗平，羅明星.論美國大學(xué)教學(xué)體系中的志愿服務(wù)課程[J].現(xiàn)代大學(xué)教育，2016（2）.

[11]徐林菊，趙欣，嚴(yán)立甫.新工科背景下高校專業(yè)課程現(xiàn)場教學(xué)模式探討——以電氣工程及其自動化專業(yè)“供配電技術(shù)”課程為例[J].科教導(dǎo)刊（下旬刊），2020（10）.

[12]杜曉燕，張坤平，曹浩.電氣工程及其自動化實踐教學(xué)模式探究[J].科技資訊，2020（13）.

[13]原琳，蔡敏夫.電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)模式改革探析[J].課程教育研究，2017（27）.

[14]宋起超，楊春光，喬爽，等.應(yīng)用型本科院校電氣工程及其自動化專業(yè)多元化實踐教學(xué)模式的構(gòu)建[J].中國冶金教育，2010（2）.

[15]孫云山，張立毅，耿艷香，等.工科專業(yè)課思政教育“一線二紅四維”創(chuàng)新教學(xué)模式探索[J].大學(xué)教育，2020（8）.

[16]楊風(fēng)開，李紅斌，尹仕.工科專業(yè)教育融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的教學(xué)模式[J].高教學(xué)刊，2019（13）.

[17]李寶平，王妍.基于OBE理念的工科課程反轉(zhuǎn)教學(xué)模式探究——以“隨機(jī)信號分析”課程為例[J].教育現(xiàn)代化，2019（96）.

[18]鄭應(yīng)友.國外工程教育模式對我國新工科教育教學(xué)模式改革的啟示[J].鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2018（6）.

[19]劉紀(jì)達(dá)，安實，王健.高校國防科技智庫的建設(shè)現(xiàn)狀與路徑選擇[J].中國高?？萍?，2020（10）.

[20]邵麗君.現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工科實踐教學(xué)模式探索[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2015（2）.

[21]冀杰，唐超，彭和.論工科創(chuàng)業(yè)教育中的研究性POPBL教學(xué)模式[J].教育與教學(xué)研究，2014（7）.

[22]侯彥東，周毅，張勇.高校工科教育理論實踐一體化教學(xué)模式研究——嵌入式專業(yè)教學(xué)改革的探索與實踐[J].電子制作，2014（8）.

[23]曹周紅，劉曉平，鄒開明，等.高等工科教育研究型課程教學(xué)模式的研究[J].中國電力教育，2010（6）.

[24]朱飛，黃英杰，孟嬌.基于五個維度的大學(xué)國際化發(fā)展探析[J].黑龍江高教研究，2019（2）.

[25]劉文麗，程杉，李世春，等.基于工程教育理念的電氣工程專業(yè)課教學(xué)模式探索[J].新課程研究（中旬刊），2018（7）.

[26]蔣琦瑋.“雙一流”建設(shè)高校研究生教育國際化探究[J].現(xiàn)代大學(xué)教育，2019（4）.

[27]梁有勇.基于創(chuàng)新型教學(xué)理念的電氣工程教育質(zhì)量保證體系研究[J].冶金管理，2020（21）.

[28]孫金根，付麗君，吳東升.電力電子技術(shù)課程工程化教學(xué)模式探索和實踐[J].大學(xué)教育，2017（4）.

[29]李文才，彭程，賈新立，等.基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的實踐教學(xué)體系設(shè)計——以電氣工程及其自動化專業(yè)為例[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2020（19）.

[30]陳雷，強(qiáng)成文.工程教育認(rèn)證視域下應(yīng)用型本科院校畢業(yè)生跟蹤反饋機(jī)制探析[J].大學(xué)教育，2017（12）.

[責(zé)任編輯? 姜? ? 雯]

收稿日期：2021-11-04

作者簡介：張建平（1972—），男，江蘇南京人，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士，主要從事新能源發(fā)電及智能電網(wǎng)研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目“多電場靜電除塵器中PM2.5磁約束脫除機(jī)理及智能預(yù)測研究”（12172228）;國家自然科學(xué)基金資助項目“磁場環(huán)境下靜電除塵器中PM2.5捕集的多場耦合機(jī)理與PIV實驗研究”（11572187）;上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目“基于人工智能模型的深遠(yuǎn)海域風(fēng)資源評估系統(tǒng)的研究”（18DZ1202105）