“新工科”背景下“電力信息技術(shù)”教學(xué)改革

莊慧敏 張紹全 張江林

(成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院， 成都 610225)

高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等前沿科技掀起了新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革浪潮，給高等工程教育帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1]。為此，教育部高教司發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，指出了加快工程教育改革創(chuàng)新的必要性及緊迫性，提出了開展“新工科”研究和實(shí)踐的主要內(nèi)容和組織方式。在教育部高教司的積極推動下，我國許多高校以培養(yǎng)符合社會經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新型、綜合型工科人才為核心目標(biāo)，紛紛展開“新工科”的大力建設(shè)[2-3]。

在此背景下，電氣工程專業(yè)作為寬口徑的典型工科，應(yīng)跟上專業(yè)改革與技術(shù)創(chuàng)新的步伐，以培養(yǎng)滿足電氣工程新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)對人才培養(yǎng)的最新要求為目標(biāo)，積極展開課程教學(xué)改革，打造電氣工程“金課”，有效提高課程教學(xué)質(zhì)量。隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展和電力企業(yè)信息化進(jìn)程的推進(jìn)，許多高等院校把“電力信息技術(shù)”課程作為電氣工程及其自動化專業(yè)高年級本科生的必修課之一。該課程屬于多學(xué)科交叉的課程，融合了電力技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，工程應(yīng)用和實(shí)踐性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式和方法已經(jīng)無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

以往的“電力信息技術(shù)”課程多側(cè)重于電力企業(yè)信息化系統(tǒng)的介紹，主要內(nèi)容為：電力系統(tǒng)調(diào)度中心、發(fā)電場、變電站中各應(yīng)用的信息系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)等，忽視了電力信息系統(tǒng)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)及涉及的關(guān)鍵技術(shù)，不能滿足智能電網(wǎng)建設(shè)和電力企業(yè)信息化發(fā)展對復(fù)合型人才的要求[4]。為此，采用了浙江大學(xué)出版的教材，將課程內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充。然而，“電力信息技術(shù)”課程內(nèi)容多、知識面廣、學(xué)時(shí)少，教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度難以把握，為教學(xué)質(zhì)量的提高帶來了較大的挑戰(zhàn)。因此，務(wù)必對其內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

課程內(nèi)容分為兩大部分：前半部分重點(diǎn)講述電力信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分類、電力實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，讓學(xué)生了解信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識、對電力信息系統(tǒng)有一個(gè)全面宏觀的了解，并從信息應(yīng)用的角度，加深對電氣工程專業(yè)知識的理解。后半部分介紹了電力通信和建模的標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，讓學(xué)生初步掌握關(guān)鍵信息技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容。為解決課時(shí)少、內(nèi)容多的問題，以“明確主線、突出重點(diǎn)”為宗旨，結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)營的特點(diǎn)對教材內(nèi)容進(jìn)行了合理取舍。重點(diǎn)內(nèi)容包括：信息系統(tǒng)的基本概念；電力信息系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的SCADA系統(tǒng)及作為其功能補(bǔ)充的WAMS；在智能變電站中廣泛應(yīng)用且前景廣闊的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)；公共信息模型(CIM)。其中，對于概念復(fù)雜，體系架構(gòu)龐大的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)圍繞其“三大核心思想”展開基本概念和核心內(nèi)容的講解。

2 教學(xué)模式改革

在“新工科”背景下，要求培養(yǎng)出適應(yīng)當(dāng)代社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求的工程科技人才，傳統(tǒng)的面授式單一教學(xué)模式須進(jìn)行改革，開展多元化教學(xué)，全面落實(shí)“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的工程認(rèn)證理念[5]。為此，提出“課堂教學(xué)+探究性作業(yè)+實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的學(xué)、踐、研、創(chuàng)四維一體的教學(xué)模式。

2.1 多形式課堂教學(xué)

為了充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性和積極性，采用“以教師為中心”與“以學(xué)生為中心”的混合教學(xué)方式，靈活應(yīng)用多種課堂教學(xué)形式，如討論式課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等。在教學(xué)過程中以“問題引導(dǎo)”的方式介紹思維方法，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用這些思維方法分析、思考科學(xué)問題和工程問題，既有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，又能增強(qiáng)老師與學(xué)生的互動，活躍課堂氣氛。

針對不同教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和難易程度采用不同的課堂教學(xué)方式。對于某些概述性易理解的內(nèi)容，比如電能計(jì)量系統(tǒng)的組成和功能，由學(xué)生自學(xué)講解，課堂分組討論，教師點(diǎn)評。對于正在發(fā)展中的新技術(shù)及其應(yīng)用，比如同步相量測量技術(shù)、IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及應(yīng)用等，教師在課堂上講解其基本原理和主要內(nèi)容，然后將其“應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望”，以思考題的方式布置給學(xué)生，要求課后分小組討論完成，并制作PPT，然后在翻轉(zhuǎn)課堂上匯報(bào)。根據(jù)費(fèi)曼學(xué)習(xí)法，讓學(xué)生在講解的過程中深入理解和內(nèi)化基本理論和問題的本質(zhì)。

為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、雨課堂、QQ教學(xué)群等線上方式發(fā)布基礎(chǔ)知識匯編、教學(xué)大綱、相關(guān)前沿技術(shù)等資料，激勵(lì)和引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.2 多類型的作業(yè)

通過布置多種類型的作業(yè)，促進(jìn)學(xué)生在掌握主要教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)應(yīng)用理論知識和專業(yè)技術(shù)解決生活或工程中實(shí)際問題的思路和方法，積極探索前沿技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、勤于實(shí)踐、勇于創(chuàng)新的新工科素質(zhì)。

1)基礎(chǔ)知識鞏固類

為了加強(qiáng)學(xué)生對課堂講解內(nèi)容的理解和應(yīng)用，布置了如下兩次課后作業(yè)：

(1) 應(yīng)用UML描繪變電站SCADA系統(tǒng)的任務(wù)用例圖、工作過程順序圖、功能組成關(guān)系的包圖。學(xué)生通過完成該作業(yè)，一方面學(xué)會了UML的應(yīng)用方法，另一方面，鞏固了對SCADA系統(tǒng)的組成、功能及工作流程等基礎(chǔ)知識的掌握。

(2) 為了檢查學(xué)生對公共信息模型CIM的掌握情況，給定一個(gè)110 kV變電站主接線，要求寫出該變電站及其負(fù)荷的CIM文本。

2)工程應(yīng)用類

要求學(xué)生查閱資料，闡述智能電表和遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的組成和工作原理，并提出建設(shè)性的改進(jìn)意見。該項(xiàng)作業(yè)的完成能夠加深學(xué)生對數(shù)據(jù)采集、測量、傳輸、電量計(jì)算等理論知識的理解，并認(rèn)識到理論知識和專業(yè)技術(shù)在工程中的重要價(jià)值，同時(shí)，領(lǐng)會應(yīng)用所需知識解決實(shí)際問題的基本思路。通過對當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題提出改進(jìn)方案，可激勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、積極探索和勇于創(chuàng)新。

3)分析比較和歸納總結(jié)類

要求學(xué)生采用列表的形式，比較SCADA系統(tǒng)、WAMS、 EMS的結(jié)構(gòu)、主要功能及未來發(fā)展趨勢。學(xué)生通過分析比較，能夠清晰地認(rèn)識到這3個(gè)電力實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)在組成與功能上的相似和不同之處，加深對它們的理解。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生采用“分析比較”的方法對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)。

4) 前沿技術(shù)應(yīng)用探索類

要求學(xué)生提交一個(gè)不少于2000字的報(bào)告，題目為：5G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分析及前景展望。學(xué)生通過收集整理相關(guān)資料，了解5G技術(shù)的基本概念和原理，分析5G技術(shù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用場景及發(fā)展趨勢。通過該環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生對資料文獻(xiàn)進(jìn)行檢索、整理、歸納和總結(jié)的能力，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何將新技術(shù)的特色和應(yīng)用領(lǐng)域的需求相結(jié)合，提出新的應(yīng)用場景和解決現(xiàn)有問題的新方案，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的技能和能力。

2.3 項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

為了滿足新工科對人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，讓學(xué)生自愿組合項(xiàng)目小組(4人/組)，完成實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)項(xiàng)目：基于快控組態(tài)軟件的變電站SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。通過該項(xiàng)目的實(shí)施，使學(xué)生在實(shí)踐中增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和工程能力，并獲得成就感。

給定110 kV變電站的主接線，要求學(xué)生開發(fā)的SCADA系統(tǒng)能夠模擬主站的“四遙”功能，其中，子站的數(shù)據(jù)采集及與主站的通訊功能由modbus-slave模擬。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

課程主要包括2個(gè)實(shí)驗(yàn)：遠(yuǎn)動系統(tǒng)通信規(guī)約實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)實(shí)驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)1的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏箤W(xué)生通過上機(jī)操作實(shí)驗(yàn)，更直觀地了解傳輸規(guī)約Modbus的內(nèi)容以及電力信息的傳輸過程。該實(shí)驗(yàn)采用往屆學(xué)生在工程實(shí)踐(CDIO)課程中開發(fā)的“基于Modbus規(guī)約的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動通訊實(shí)驗(yàn)”軟件，以激勵(lì)學(xué)生自己動手設(shè)計(jì)并開發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。軟件主界面如圖1所示。其中，“文件”菜單可實(shí)現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到excel文檔中；“工具”菜單用于創(chuàng)建子站，可同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)子站。子站的界面如圖2所示。該軟件能夠模擬遠(yuǎn)動系統(tǒng)通訊的“四遙”功能，直觀展示Modbus通訊協(xié)議格式及內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)2的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏箤W(xué)生掌握SCADA系統(tǒng)的基本功能、實(shí)現(xiàn)原理和操作方法；掌握表征變電站當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)類型和特點(diǎn)、獲取方式、表現(xiàn)形式。

圖1 電力遠(yuǎn)動通訊規(guī)約實(shí)驗(yàn)主界面

圖2 電力遠(yuǎn)動通訊規(guī)約實(shí)驗(yàn)的子站界面

實(shí)驗(yàn)2的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

首先運(yùn)行modbus-slave，模擬子站的數(shù)據(jù)采集功能和通信功能，主站顯示界面如圖3所示：

圖3 變電站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示界面

然后，搭建一個(gè)由繼電器控制的簡單負(fù)載電路，用智能電表測量負(fù)載的電氣量，用RS485通信線連接智能電表和電腦。檢查電路接線正確后，運(yùn)行學(xué)生自己開發(fā)的變電站SCADA系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)的“四遙”功能。其中，智能電表的數(shù)據(jù)采集如圖4所示，實(shí)驗(yàn)負(fù)載的遙控效果如圖5所示。

圖4 實(shí)時(shí)采集的智能電表數(shù)據(jù)顯示界面

圖5 實(shí)驗(yàn)負(fù)載遙控效果

3 過程化考核

考核是課程教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，也是評價(jià)教學(xué)質(zhì)量的重要手段[6]。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與對學(xué)習(xí)過程和能力培養(yǎng)的重視，考核評價(jià)采用過程性評價(jià)與終結(jié)性評價(jià)相結(jié)合的評價(jià)方式。該評價(jià)方式適當(dāng)提高學(xué)生學(xué)習(xí)過程考核在總評成績評定中的比例，合理設(shè)計(jì)多元化的考核項(xiàng)目，科學(xué)分配各項(xiàng)目所占比例，綜合考査學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)效果及綜合能力，如表1所示。

表1 考核評價(jià)項(xiàng)目及占比

4 結(jié)語

按照“新工科”建設(shè)的要求，優(yōu)化“電力信息技術(shù)”課程內(nèi)容，探索新的教學(xué)模式和方法，提出了“課堂教學(xué)+實(shí)踐探究型作業(yè)+實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”四位一體的教學(xué)模式，采用過程化考核方式，突出學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，形成以學(xué)生為中心的工科教育模式。通過靈活應(yīng)用多種課堂教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，活躍了課堂氣氛；學(xué)生通過完成多種類型的作業(yè)，不僅有效夯實(shí)了基礎(chǔ)，而且鍛煉了理論知識應(yīng)用和創(chuàng)新能力；“實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”能夠讓學(xué)生在實(shí)踐過程中不斷提升專業(yè)素養(yǎng)，且有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。經(jīng)過兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。