新工科下電力系統(tǒng)課程綜合實(shí)踐能力提升

王小君 張大海 劉 曌 張 放 羅國(guó)敏

(北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

電氣工程是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科，近年來(lái)計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，給電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行、保護(hù)與控制都帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)。傳統(tǒng)的理工科教育不再停留在單一的學(xué)科內(nèi)部，而是通過(guò)加強(qiáng)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間的聯(lián)系，打破學(xué)科壁壘，采取更加靈活的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)習(xí)者在真實(shí)情境下開(kāi)展深度學(xué)習(xí)和實(shí)踐，有利于高水平科技人才的培養(yǎng)。

一直以來(lái)各高校都注重電力系統(tǒng)方向的實(shí)踐 環(huán)節(jié)，重點(diǎn)是如何在有限的課時(shí)學(xué)分內(nèi)提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的質(zhì)量和成效。華北電力大學(xué)通過(guò)結(jié)合STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics)教育內(nèi)涵和“新工科”的建設(shè)要求，基于十?！半姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化”培養(yǎng)方案的實(shí)證調(diào)查，探討傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的改造升級(jí)問(wèn)題，重點(diǎn)考察“實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力”在人才培養(yǎng)目標(biāo)以及課程體系中的貫徹情況[1]。華中科技大學(xué)制定了解決復(fù)雜工程問(wèn)題的學(xué)年遞進(jìn)式培養(yǎng)要求，并通過(guò)對(duì)工程實(shí)踐課程和學(xué)科知識(shí)課程進(jìn)行改革與重組，從課程群建設(shè)、知行一體化建設(shè)、課外實(shí)踐活動(dòng)與課堂教學(xué)一體化建設(shè)三個(gè)方面進(jìn)行深入思考，構(gòu)建出一個(gè)復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力遞進(jìn)式培養(yǎng)的一體化課程體系，形成對(duì)培養(yǎng)要求的完全支撐[2]。安徽大學(xué)開(kāi)展面向新工科的電氣工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)模式探索與實(shí)踐，從實(shí)踐教學(xué)體系、校企融合等方面進(jìn)行了改進(jìn)[3]。其他高校從實(shí)踐師資隊(duì)伍建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加強(qiáng)師生互動(dòng)及產(chǎn)教融合等方面初步分析了面向新工科電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革與探索[4]。面向工程問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的教學(xué)模式，建立以“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”模式為核心的自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)[5]。提出適應(yīng)新工科建設(shè)要求，在產(chǎn)教融合建設(shè)中從實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、“雙師型”教師培養(yǎng)、專(zhuān)業(yè)群建設(shè)和校企合作等方面進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化，充分發(fā)揮高校特色[6]。

從整體上看，各個(gè)學(xué)校結(jié)合自身的畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)開(kāi)展了較多的嘗試與探索，具有各自的特點(diǎn)。但對(duì)于新工科建設(shè)，各高校建設(shè)重點(diǎn)仍在于交叉學(xué)科專(zhuān)業(yè)與課程的建設(shè)，對(duì)面向新工科背景下的交叉學(xué)科結(jié)合的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)探索目前仍比較少，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)開(kāi)展電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)與計(jì)算機(jī)學(xué)科、人工智能學(xué)科融合的教學(xué)探索，并在清潔能源和雙碳目標(biāo)下增加能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)高校實(shí)踐環(huán)節(jié)調(diào)研

調(diào)研了國(guó)內(nèi)電氣工程學(xué)科兩所A+高校(清華大學(xué)和西安交通大學(xué))、兩所A類(lèi)高校(華北電力大學(xué)和華中科技大學(xué))的電力系統(tǒng)方向?qū)嵺`環(huán)節(jié)。具體調(diào)研結(jié)果如下：

清華大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)更加注重夏季學(xué)期和實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，達(dá)到了10學(xué)分，共計(jì)11周；而在課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中設(shè)置的學(xué)分學(xué)時(shí)較少，其中學(xué)生自主發(fā)展課程中僅設(shè)置3學(xué)分。

西安交通大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)更加注重集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，其必修課和選修課安排比較平均，而在集中實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置中設(shè)置的學(xué)分學(xué)時(shí)較多。

華北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)更加注重課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，其必修課中就達(dá)到了20學(xué)時(shí)，而在集中實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置中設(shè)置的學(xué)分學(xué)時(shí)較少。

從華中科技大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)可以看出，其在電力系統(tǒng)方向相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置的學(xué)分學(xué)時(shí)較少，且更加注重選修課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。

總的來(lái)看，上述四所大學(xué)在實(shí)踐類(lèi)課程教學(xué)方面都比較重視，尤其以西安交通大學(xué)和華北電力大學(xué)為代表。西安交大和華北電力大學(xué)的課內(nèi)實(shí)踐和集中實(shí)踐分工很細(xì)，且學(xué)分占比較高。西安交通大學(xué)集中實(shí)踐學(xué)分占比15%，華北電力大學(xué)集中實(shí)踐學(xué)分占比16.71%。相比而言，清華大學(xué)和華中科技大學(xué)的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)較少。清華大學(xué)集中實(shí)踐學(xué)分占比5%，而華中科技大學(xué)集中實(shí)踐學(xué)分占比9.8%。清華大學(xué)更加注重學(xué)生的理論教學(xué)和課內(nèi)的實(shí)踐教學(xué)，講究理論與實(shí)踐相結(jié)合、相指導(dǎo)。而其他學(xué)校實(shí)踐類(lèi)課程學(xué)分占比明顯較高，注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2 電力系統(tǒng)方向?qū)嵺`薄弱環(huán)節(jié)分析

2.1 實(shí)踐課基本情況

在教育部推進(jìn)建設(shè)“新工科”的背景下，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院提出了“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐”的教學(xué)指導(dǎo)政策，在培養(yǎng)大綱中大幅增加電力系統(tǒng)方向的實(shí)踐環(huán)節(jié)，并從2019秋開(kāi)始，增設(shè)了“電力系統(tǒng)仿真軟件應(yīng)用實(shí)踐”“電力系統(tǒng)方向?qū)I(yè)實(shí)訓(xùn)”兩門(mén)科研實(shí)踐類(lèi)課程。總體包括：課程實(shí)驗(yàn)(電力系統(tǒng)分析、繼電保護(hù))，課程設(shè)計(jì)(電力系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì))和科研實(shí)踐(電力系統(tǒng)仿真軟件應(yīng)用實(shí)踐、電力系統(tǒng)方向?qū)I(yè)實(shí)訓(xùn))3個(gè)層次。通過(guò)3個(gè)層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，對(duì)畢業(yè)要求形成了強(qiáng)有力的支撐。

但是，目前電力系統(tǒng)方向?qū)嵺`環(huán)節(jié)也存在缺乏系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的問(wèn)題。課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和科研實(shí)踐3個(gè)層面的實(shí)踐內(nèi)容基本為依托課程設(shè)置，與其他學(xué)科的交叉不足，難以滿(mǎn)足新工科背景下的工程教育要求。

2.2 實(shí)踐課存在的問(wèn)題

分析了每門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐內(nèi)容和課時(shí)設(shè)置，并以近幾年教學(xué)反饋后得到的課程目標(biāo)達(dá)成度表為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以任課教師課程教學(xué)反饋為經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，以電氣工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案及畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)為評(píng)價(jià)手段，來(lái)分析電力系統(tǒng)方向?qū)嵺`的薄弱環(huán)節(jié)和亟需改進(jìn)的部分。

以實(shí)踐課對(duì)某個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)x的支撐加權(quán)分?jǐn)?shù)為例，加權(quán)分?jǐn)?shù)Sx按下式計(jì)算：

(1)

其中：Ci為與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)x相關(guān)第i門(mén)課程的學(xué)分?jǐn)?shù)，Si為該門(mén)課程的學(xué)生平均成績(jī)。

根據(jù)以上計(jì)算方法，2019-2021屆(即2015-2017級(jí))本科生的電力系統(tǒng)方向?qū)嵺`課對(duì)各畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐加權(quán)分?jǐn)?shù)分別見(jiàn)圖1、圖2和圖3。

通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)目前實(shí)踐教學(xué)安排雖然能夠較好支撐各畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，但存在以下問(wèn)題：

圖1 實(shí)踐課對(duì)2019屆畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐

圖2 實(shí)踐課對(duì)2020屆畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐

圖3 實(shí)踐課對(duì)2021屆畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐

1)畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)不統(tǒng)一

各個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐之間缺乏面向畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。例如，同樣是電力系統(tǒng)仿真軟件實(shí)踐課，使用ETAP的課堂和使用PSCAD的課堂支撐點(diǎn)指標(biāo)點(diǎn)卻不一致。ETAP課堂支撐2.2、4.4，而PSCAD課堂支撐3.1、5.1，需重新梳理。

2)教學(xué)內(nèi)容存在重復(fù)

例如學(xué)生在第六學(xué)期時(shí)，關(guān)于潮流計(jì)算的實(shí)驗(yàn)會(huì)分別出現(xiàn)在電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)仿真軟件應(yīng)用實(shí)踐三門(mén)課程中，且分別使用DDRTS、Matlab、ETAP/PSCAD軟件。

3)學(xué)生實(shí)踐時(shí)間不足

在實(shí)際授課過(guò)程中，存在部分情況下講授時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手參與時(shí)間不足的情況。實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)授課教學(xué)的主要區(qū)別之一就是探究式教學(xué)，允許學(xué)生試錯(cuò)。應(yīng)體現(xiàn)探究式教學(xué)理念，讓學(xué)生在試錯(cuò)的過(guò)程中自主歸納總結(jié)，自主學(xué)習(xí)。

3 電力系統(tǒng)方向?qū)嵺`優(yōu)化方案

根據(jù)新工科背景下電氣工程學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)及北京交通大學(xué)的優(yōu)勢(shì)特色，可從兩個(gè)方面對(duì)電力系統(tǒng)方向?qū)嶒?yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。一是新工科背景下學(xué)科交叉。二是新工科背景下教學(xué)方式與手段。

3.1 綜合能源系統(tǒng)+電氣工程方向

如今電力系統(tǒng)方向的發(fā)展日新月異，在上機(jī)實(shí)驗(yàn)選題上不能局限于電力系統(tǒng)潮流計(jì)算，可以引入能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)、碳達(dá)峰碳中和等熱點(diǎn)話(huà)題，從而豐富實(shí)踐課的選題和實(shí)踐方法。

1)能源互聯(lián)網(wǎng)

讓學(xué)生用傳感器、控制和軟件應(yīng)用程序，模擬將能源生產(chǎn)端、能源傳輸端、能源消費(fèi)端的個(gè)別設(shè)備、機(jī)器、系統(tǒng)連接起來(lái)，搭建能源互聯(lián)網(wǎng)的“物聯(lián)基礎(chǔ)”。

2)綜合能源系統(tǒng)

讓學(xué)生進(jìn)行編程，對(duì)能源的產(chǎn)生、傳輸與分配(能源網(wǎng)絡(luò))、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后，形成的能源產(chǎn)供銷(xiāo)一體化系統(tǒng)，初步掌握綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)概念。

3)碳達(dá)峰碳中和

安排學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的方案設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合能源行業(yè)內(nèi)外部業(yè)務(wù)需求，探索構(gòu)建碳排放精確感知、指標(biāo)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)體系，發(fā)揮電力大數(shù)據(jù)在服務(wù)環(huán)保監(jiān)測(cè)、行業(yè)分析和電力系統(tǒng)精益管理方面的應(yīng)用潛力。

針對(duì)上述選題，組織相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐競(jìng)賽，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的電力系統(tǒng)、數(shù)學(xué)知識(shí)、編程技巧進(jìn)行綜合應(yīng)用，通過(guò)專(zhuān)家評(píng)定和結(jié)果展示、答辯，對(duì)出色完成相關(guān)課題的小組進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生參與的興趣。

3.2 人工智能與大數(shù)據(jù)+電氣工程方向

人工智能本身是一個(gè)非常廣泛的領(lǐng)域，涵蓋很多學(xué)科。結(jié)合電氣工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)，人工智能與大數(shù)據(jù)方向的實(shí)踐課程將在介紹基本原理基礎(chǔ)上，針對(duì)電氣工程領(lǐng)域中人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行實(shí)踐。人工智能與大數(shù)據(jù)實(shí)踐類(lèi)課程的學(xué)習(xí)將在電氣工程相關(guān)領(lǐng)域或計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生從事工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、信息處理等工作時(shí)必要的實(shí)踐能力和素養(yǎng)。

在人工智能和大數(shù)據(jù)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，將提高學(xué)生以下幾方面能力：

1)人工智能算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

能夠在數(shù)學(xué)基本原理和人工智能算法原理基礎(chǔ)上，由淺入深地逐步驗(yàn)證各類(lèi)人工智能技術(shù)，了解人工智能技術(shù)解決問(wèn)題的思路及技術(shù)方案的演變過(guò)程；能夠針對(duì)實(shí)際問(wèn)題選取合適的人工智能算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和適應(yīng)性改進(jìn)，最終應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程方法實(shí)現(xiàn)人工智能算法，提高針對(duì)大數(shù)據(jù)的計(jì)算效率。

2)信息共享與分工協(xié)作

通過(guò)對(duì)人工智能及大數(shù)據(jù)技術(shù)的編程實(shí)現(xiàn)，提高與其他學(xué)科的成員共享信息并協(xié)作實(shí)現(xiàn)算法的能力，訓(xùn)練協(xié)作工作方式，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德和操守，以教會(huì)學(xué)生如何做人、如何做事為目標(biāo)，潛移默化地影響、教育學(xué)生。

3)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)

通過(guò)對(duì)人工智能及大數(shù)據(jù)技術(shù)的演變過(guò)程的復(fù)現(xiàn)和實(shí)踐，理解社會(huì)的進(jìn)步、技術(shù)的更新對(duì)于知識(shí)和能力的影響和要求，并在此基礎(chǔ)上能夠認(rèn)識(shí)到不斷學(xué)習(xí)與探索的必要性，并研討、探索改進(jìn)人工智能算法，具備自主學(xué)習(xí)的能力和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。

3.3 虛擬仿真+電氣工程方向

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)交通、能源、環(huán)保等多方面統(tǒng)一，構(gòu)建未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的綜合交通運(yùn)輸體系，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，提倡優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展以電能為動(dòng)力的城市軌道交通和電動(dòng)汽車(chē)。綠色智慧交通將給整個(gè)交通、能源乃至人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)巨大影響。然而，城市電氣化交通系統(tǒng)與電網(wǎng)之間存在相互影響，開(kāi)展城市電氣化交通系統(tǒng)高效用能技術(shù)教學(xué)，培養(yǎng)相關(guān)人才勢(shì)在必行。

有鑒于此，依托交通運(yùn)輸工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科、軌道交通電氣化國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)、軌道牽引電氣化國(guó)家首批卓越工程師計(jì)劃專(zhuān)業(yè)、北京交通大學(xué)-北京市地鐵運(yùn)營(yíng)公司國(guó)家級(jí)工程實(shí)踐教育中心、軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心、電力牽引教育部工程研究中心，電氣工程學(xué)院建設(shè)了城市電氣化交通系統(tǒng)高效用能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用虛擬仿真技術(shù)通過(guò)人機(jī)交互模擬城市電氣化交通系統(tǒng)高效用能過(guò)程，并集成后臺(tái)算法模擬再現(xiàn)軌道交通能量回收再利用、電動(dòng)汽車(chē)有序充電等工程場(chǎng)景，提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)興趣和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

1)認(rèn)知基本原理

城市電氣化交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要電氣設(shè)備工作原理認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的總體認(rèn)知及設(shè)備識(shí)別能力，一定程度上代替現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)習(xí)實(shí)踐。

2)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)化學(xué)生對(duì)城市電氣化交通系統(tǒng)高效用能的方法認(rèn)識(shí)，樹(shù)立重視實(shí)踐、關(guān)注數(shù)據(jù)、尊重客觀(guān)規(guī)律的理念，鍛煉學(xué)生從運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、總結(jié)規(guī)律的能力。

3)學(xué)科交叉與創(chuàng)新思維

在電氣-交通學(xué)科交叉方面，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣及創(chuàng)新思路，提升學(xué)生解決城市電氣化交通系統(tǒng)工程問(wèn)題的能力，并拓展專(zhuān)業(yè)視野。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)新工科建設(shè)需要，探索電力系統(tǒng)方向?qū)嵺`課的設(shè)置和教學(xué)方法，為此調(diào)研了國(guó)內(nèi)外重要高校的實(shí)踐課現(xiàn)狀，分析了北京交通大學(xué)實(shí)踐課在設(shè)置和執(zhí)行中存在的不足，并介紹了綜合能源+電氣、人工智能與大數(shù)據(jù)+電氣、交通+電氣等學(xué)科交叉領(lǐng)域的實(shí)踐課設(shè)置方案，以及電氣化交通虛擬仿真成果。