基于OBE理念的電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)改革與探索

蔡新紅 岑紅蕾 王洪坤

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.131

摘 要 電力系統(tǒng)分析實驗是電氣工程專業(yè)獨立設(shè)置的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。將OBE理念引入該課程教學(xué)，開展以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)課程改革與探索，建立電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)體系構(gòu)架，從實驗室建設(shè)、教學(xué)文件規(guī)范、教學(xué)活動設(shè)計及完善考核評價機制等方面展開，對該專業(yè)其他實驗課程改革與探索具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 電氣工程專業(yè)；電力系統(tǒng)分析實驗；OBE理念；實驗室；實驗教學(xué)；仿真實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）04-0131-03

0 引言

電力系統(tǒng)分析包括電力系統(tǒng)分析（一）和電力系統(tǒng)分析（二）兩門課程，主要內(nèi)容為電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析，是電氣工程的專業(yè)核心課，具有實踐性強、與工程實際聯(lián)系緊密等特點[1]。隨著我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏、風(fēng)電等清潔能源及交直流輸電新技術(shù)不斷被應(yīng)用到電力系統(tǒng)領(lǐng)域，如何有效結(jié)合電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀開展本課程的實踐教學(xué)，是擺在專業(yè)課程組教師面前亟待解決的問題。

石河子大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)自2019年初開始有序推進工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，在新的本科人才培養(yǎng)方案中將電力系統(tǒng)分析實驗獨立設(shè)課，共16學(xué)時，在第七學(xué)期開設(shè)，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力及分析、解決復(fù)雜電氣工程問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程、課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)打好實踐基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Outcomes-Based Educa-tion，OBE）理念是工程教育專業(yè)認(rèn)證三個基本理念之一[2]。在電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)活動中引入OBE理念，通過物理實驗平臺和軟件相結(jié)合的方式拓展電力系統(tǒng)分析課程的實驗教學(xué)，開展以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)課程改革與探索，進一步推動電力系統(tǒng)分析理論教學(xué)改革。

1 實驗教學(xué)體系構(gòu)建

電力系統(tǒng)分析實驗是獨立設(shè)置的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，該課程要求學(xué)生在掌握電力系統(tǒng)的基本原理及分析方法的基礎(chǔ)上，熟練掌握電力系統(tǒng)潮流和短路電流的計算機算法，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)、發(fā)電廠一次部分設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計等打好扎實的實踐基礎(chǔ)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以深入理解電力系統(tǒng)分析的理論知識，具有分析、解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)規(guī)范及職業(yè)道德，是電氣工程專業(yè)實踐教學(xué)體系中不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)。

針對電力系統(tǒng)分析課程核心內(nèi)容，課程組基于OBE理念，從實驗教學(xué)文件、實驗項目設(shè)計及實驗內(nèi)容等方面進行詳細(xì)規(guī)劃，構(gòu)建圖1所示電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)體系，硬件和軟件相關(guān)的實驗項目設(shè)計詳見圖1。

2 實驗教學(xué)改革思路

2.1 實驗室建設(shè)

基于電氣工程專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的需求，石河子大學(xué)陸續(xù)建成電力系統(tǒng)綜合實驗室、電力系統(tǒng)仿真實驗室和新能源微電網(wǎng)實驗室等多個專業(yè)實驗室。其中，電力系統(tǒng)綜合實驗室包括武漢華大電力自動技術(shù)有限責(zé)任公司研制的五臺WDT-ⅢC型電力系統(tǒng)綜合自動化試驗裝置及一臺PS-7G電力系統(tǒng)微機監(jiān)控試驗裝置，能將五個試驗臺聯(lián)接成一個復(fù)雜的電力系統(tǒng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)檢測、控制、監(jiān)視、保護、調(diào)度的自動化，全面反映電力系統(tǒng)的全過程[3]。該配置不但能夠適應(yīng)新的實驗課程設(shè)置，還有利于提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力與實踐技能的培養(yǎng)。

電力系統(tǒng)仿真實驗室和新能源微電網(wǎng)實驗室裝有MATLAB和EMTDC/PSCAD仿真軟件，同時配備具有三維效果的發(fā)電廠、變電所仿真軟件及新能源微電網(wǎng)實驗中所需的一些軟、硬件設(shè)施，不但能滿足電氣專業(yè)本科學(xué)生的實驗、實訓(xùn)，還能滿足電氣工程學(xué)科研究生仿真實驗的物理驗證。新建的電力系統(tǒng)綜合實驗室兼具系統(tǒng)性和綜合性的特點，可以給電氣工程專業(yè)學(xué)生進行電力系統(tǒng)分析實驗、電力系統(tǒng)綜合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計及科學(xué)研究創(chuàng)造良好的硬件條件和軟件條件，為學(xué)生畢業(yè)后從事與電氣領(lǐng)域相關(guān)的理論研究、設(shè)計及運維工作打下必要的實踐基礎(chǔ)。

2.2 規(guī)范實驗教學(xué)文件

課程組教師和實驗指導(dǎo)教師就實驗教學(xué)大綱和實驗教學(xué)項目設(shè)計進行多次研討，集體撰寫實驗教學(xué)大綱，編寫電力系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書及仿真實驗指導(dǎo)教程，實現(xiàn)實驗教學(xué)文件的規(guī)范化。

2.2.1 教學(xué)大綱制訂 教學(xué)大綱首先明確該課程的教學(xué)目標(biāo)以及課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐關(guān)系，在設(shè)計實驗項目時充分考慮硬件實驗條件與仿真軟件資源，將驗證性實驗與綜合設(shè)計性實驗搭配組合，以提高實驗項目的全面性和系統(tǒng)性。具體教學(xué)目標(biāo)為：通過實驗教學(xué)，讓學(xué)生深入理解電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各種工作狀態(tài)，掌握電力系統(tǒng)中主要元件（如發(fā)電機、變壓器）的物理特性和數(shù)學(xué)模型，以及電力系統(tǒng)分析計算的基本方法，為以后研究現(xiàn)代電力系統(tǒng)打下良好的實踐功底；培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，提升學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，讓學(xué)生能夠?qū)F(xiàn)有的電力系統(tǒng)物理實驗平臺和仿真軟件相結(jié)合，完成基礎(chǔ)性實驗及綜合設(shè)計性實驗，對比實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，解釋實驗和理論模型結(jié)果差異，得到合理有效的結(jié)論。

2.2.2 實驗指導(dǎo)書編寫 實驗教學(xué)內(nèi)容的安排以課程的教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，按照以學(xué)生為中心的教育理念，采用基于問題的硬件和軟件相結(jié)合的混合式教學(xué)方式，主要圍繞物理模擬平臺的實驗教學(xué)和軟件仿真平臺的實驗教學(xué)全方位立體式展開。物理模擬平臺實驗項目的設(shè)置旨在加深學(xué)生對電力系統(tǒng)全過程的理解，深刻體會電力系統(tǒng)有功功率與頻率調(diào)節(jié)及無功功率與電壓調(diào)節(jié)這些工程概念，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識及綜合運用所學(xué)專業(yè)知識分析、解決實際工程問題的能力。物理模擬實驗平臺開設(shè)的實驗有同步發(fā)電機的準(zhǔn)同期并列、勵磁控制及與無窮大系統(tǒng)并網(wǎng)后穩(wěn)態(tài)運行等一系列實驗。

2.2.3 仿真實驗指導(dǎo)教程編寫 仿真實驗項目主要培養(yǎng)學(xué)生對知識的理解與運用能力、采用現(xiàn)代工具和科學(xué)的方法進行研究的能力。電力系統(tǒng)仿真實驗指導(dǎo)教程首先簡介仿真軟件的基本操作方法及軟件的基本功能，如數(shù)據(jù)庫、圖形編輯和系統(tǒng)接線圖的編輯等內(nèi)容[4]；其次，介紹建模及仿真流

程；最后是仿真實驗項目。

課程組將PSCAD和MATLAB軟件引入電力系統(tǒng)潮流計算、短路計算及新能源、交直流輸配電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)分析中，要求學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容，建立3～5人的實驗小組，每組自行設(shè)計系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，采用PSCAD/EMTDC（或MATLAB/Simulink）

搭建電力系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)電力系統(tǒng)理論知識設(shè)置仿真模塊中的各項等值參數(shù)，如同步電機模塊、直流電源模塊、輸電線路模塊、故障模塊和測量模塊等。進行電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及故障暫態(tài)時頻域仿真分析實驗，對各項實驗數(shù)據(jù)進行分析和解釋，給出有效結(jié)論，并撰寫實驗報告。

基于PSCAD和MATLAB的仿真實驗克服了電力系統(tǒng)高電壓等級不便于實物仿真的缺點，具有建模方法簡單、參數(shù)調(diào)整方便、結(jié)果可視性好的特點，不但能加深學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解，還可激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣及創(chuàng)新意識，有助于提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造力。

2.3 實驗教學(xué)活動設(shè)計

基于學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，在授課過程中設(shè)計不同的工程場景。比如讓學(xué)生假想自己是一位現(xiàn)場工作人員，正在進行某發(fā)電廠或變電所電氣值班運行，在接到調(diào)度指令改變運行方式時一般要遵循哪些操作原則，會考慮哪些細(xì)節(jié)，需要用到哪些分析和計算等，調(diào)動學(xué)生主動思考，建立系統(tǒng)的觀點，樹立工程意識。具體教學(xué)活動設(shè)計從以下三個方面展開。

2.3.1 課前引導(dǎo) 為了鞏固和加深理解前期所學(xué)的電力系統(tǒng)分析理論知識，教師提出實踐環(huán)節(jié)的總體要求和目標(biāo)，讓學(xué)生根據(jù)教師安排的實驗項目任務(wù)及要求，預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，3～5人組成一個實驗小組，以小組為單位討論并完成實驗方案的設(shè)計，分工協(xié)作完成后期的模型搭建、數(shù)據(jù)匯總和文檔編輯，有效加強團隊意識及互助合作精神。

2.3.2 課中輔導(dǎo) 在實驗過程中，以構(gòu)建學(xué)生的自主參與學(xué)習(xí)氛圍為主導(dǎo)，教師向?qū)W生準(zhǔn)確傳達實驗?zāi)繕?biāo)、要求及實驗行為準(zhǔn)則，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任心。首先，教師針對不同實驗項目的內(nèi)容，凝練其中的思政元素，在講解實驗難點及操作規(guī)范的過程中巧妙地融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)；其次，巡視各實驗小組學(xué)生實驗操作的規(guī)范性，針對實驗操作和仿真調(diào)試過程中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，一般不直接給出答案，而是啟發(fā)學(xué)生思考的角度，引導(dǎo)他們綜合運用所學(xué)理論知識分析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)規(guī)范及分析解決實際工程問題的能力。

2.3.3 課后交流 在實驗結(jié)束后，首先由各小組學(xué)生根據(jù)之前的分工，歸納整理實驗數(shù)據(jù)，分析結(jié)論的有效性，并撰寫實驗報告，以小組形式提交；其次，教師組織各小組學(xué)生進行相互學(xué)習(xí)交流和討論，歸納知識點并總結(jié)相關(guān)結(jié)論，激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題，并能運用所學(xué)知識分析和解決問題；最后，涉及與課程相關(guān)的新理論和新技術(shù)，教師提供文獻資料的查閱方法，并與學(xué)生積極交流，啟發(fā)學(xué)生關(guān)注學(xué)科發(fā)展及前沿動態(tài)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和探究能力。

2.4 完善考核評價機制

在考核評價方面，本實驗課程考核包括平時綜合成績和實驗報告成績兩個部分。

平時綜合成績占比45%，主要考核學(xué)生對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性的掌握程度，能正確使用電力系統(tǒng)綜合實驗設(shè)備及仿真軟件，在保證安全的前提條件下進行實驗，并能夠?qū)崟r收集有效實驗數(shù)據(jù)。平時綜合考核包括考勤、預(yù)習(xí)報告完成情況、安全操作及實驗中參與討論的情況，每部分根據(jù)主次分配不同的權(quán)重。其中，考勤采用只扣分不加分的方式計入平時成績，不參與達成度計算；預(yù)習(xí)報告占比20%；安全操作占比25%；實驗參與討論采用只加分不扣分的方式計入平時成績，不參與達成度計算。

實驗報告成績占總成績的55%，主要考核學(xué)生對課程目標(biāo)的達成情況，如實驗中問題分析、實驗數(shù)據(jù)的處理、誤差分析以及結(jié)論是否有效等。

為實現(xiàn)學(xué)習(xí)全過程的科學(xué)評價，課程組十分重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價與反饋，定期發(fā)放調(diào)查問卷了解學(xué)生的學(xué)習(xí)感受及對實驗課程的學(xué)習(xí)和掌握情況，對課程目標(biāo)達成度認(rèn)真細(xì)致地進行分析，及時發(fā)現(xiàn)問題。通過總結(jié)和反思，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式，提出下一年度改進計劃和措施，實現(xiàn)教學(xué)效果的持續(xù)閉環(huán)改進。

3 結(jié)束語

石河子大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)將專業(yè)工程認(rèn)證的OBE理念應(yīng)用至電力系統(tǒng)分析的實驗課程教學(xué)中，開展以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)探索，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)活動氛圍的創(chuàng)設(shè)，把學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展作為教學(xué)的首要事項，通過精心設(shè)計課程實施大綱和教學(xué)活動，提高學(xué)生對專業(yè)課實驗的興趣，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識。以培養(yǎng)學(xué)生分析解決實際工程問題能力為出發(fā)點，通過綜合設(shè)計性實驗項目的設(shè)置，彌補高電壓、大容量電力系統(tǒng)運行特性分析無法在物理平臺實驗的缺點，提高學(xué)生對電氣工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進行模擬和預(yù)測的能力，不但有助于學(xué)生研究能力的培養(yǎng)，而且可以開闊學(xué)生的眼界，對提高學(xué)生工程素養(yǎng)及其他實踐課程的建設(shè)與改革，具有一定的實用價值和借鑒意義。

參考文獻

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*項目來源：石河子大學(xué)教育教學(xué)改革項目“基于‘OBE理念的《電力系統(tǒng)分析》實踐教學(xué)改革與探索”（項目編號：JGY2020-10）。

作者：蔡新紅，石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；岑紅蕾，石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，副教授，研究方向為電氣自動化；王洪坤，石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護（832000）。