基于卓越电气工程师培养的电力系统分析课程改革

　　创新高校人才培养机制是十八届三中全会提出的明确要求。为贯彻中央提出的走中国特色新型工业化道路、建设创新型国家、建设人力资源强国等战略部署，落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》，教育部启动实施了卓越工程师教育培养计划。[1]惠州学院为配合国家教育战略，促进学院学科建设，在学校内开展了卓越工程师培养系列活动，其中电子科学系的电气工程及其自动化专业成为首批试点专业之一。
　　电气工程及其自动化专业以卓越工程师实验班模式，探索三创型专业人才培养的可行方式，着力加强学生对工程实践的了解、专业知识与应用的结合，强化培养学生的工程创新能力、优秀的学习能力以及团队协作精神。这对教师的教学工作提出了更高的要求。本学科非常重要的专业基础课电力系统分析是一门理论分析严谨、涉及内容广泛的课程，包括电力系统稳态和暂态分析两大部分。它既是后续电力系统继电保护、发电厂电气部分等相关课程的理论基础，又是学生专业素质形成的关键课程之一，对学好本学科起着非常重要的作用。
　　一、电力系统分析课程现状
　　电力系统分析课程内容与电力系统运行过程密切相关，同时又有大量的计算，学生普遍反映学起来难度较大。随着计算机技术、现代控制技术和电力电子技术的迅速发展，云计算和大数据技术与新能源技术的结合，本课程的教学内容日益丰富，教学要求也不断提高。近年来，与本专业相关的一些新技术发展很快，特别是美国提出进行新能源革命从而带动美国经济复苏的发展战略后，全球掀起了新能源开发及应用和智能电网的研究与建设的热潮。[2] [3]可见，对电力系统分析课程的教学内容、教学方法、教学手段等实践创新方面的改革势在必行。
　　二、问题教学法在理论教学环节的应用
　　问题教学法是教育理论中一种互动式教学方法。[4]笔者采用问题教学法来讲授电力系统分析课程，将课程的主体结构通过提问的方式引出，并要求学生在课程学习结束后完成以下4个任务：1.电力系统建模，以稳态模型为主，兼顾暂态模型;2.计算电力系统正常运行状况下的功率、电压的分布（即潮流分析）;3.计算电力系统发生各类故障时的电压、电流分布（即故障分析）;4.计算电力系统在各种扰动下能否维持稳定运行（即稳定分析）。
　　简略地说，就是掌握复杂电力系统的数学建模，并能够进行潮流、故障、稳定3大计算。课程的主体结构由以上对应的4部分组成，每个部分包含若干章节内容。为提升学生对课程的认知，笔者根据多年教学经验，精心挑选下列一组问题作为教学的主线。
　　1.直流电力系统与交流电力系统的特点各是什么？现代电力系统采用的是那种模式？具有什么特点？2.参照电机学，如何建立发电机、变压器、电力线路和电力负荷等元件的数学模型，对于多电压等级的电网，如何对各元件参数进行电压等级的归算，进而构建电力网络的数学模型。有名制、标幺制，精确法、近似法在进行电压等级归算时有什么异同之处？3.电力系统稳态分析中提出了潮流分析这一概念，给出对潮流这一词的理解。电力系统就是一个大的电路网络，那么潮流计算与一般的电路稳态计算有什么异同之处？4.在复杂电力系统潮流的计算机算法中，节点被分为几种类型，已知数和未知数各是什么？这与实际电力系统中的哪些设备（厂站）相对应？5.为什么要用对称分量法求解电力系统不对称短路故障时的故障电流？这一方法的数学原理是什么？有没有其他的方法可以计算不对称故障的短路电流？6.电力系统中各元件的序阻抗的是如何定义的？其物理含义各是什么？系统分析与设计中所取的电抗值又是如何得到的？7.系统的稳定性是如何定义的？电力系统稳定性主要涉及哪些电气量？
　　通过问题的设置，逐步引出课程相关内容。笔者在教学过程中体会到，用问题来引导学生可以提高学习的导向性，把学生兴趣吸引到问题上来。在关注解决问题的具体方法时，要让学生理解每个方法、步骤的意义，以免因为内容庞杂而失去对问题全貌的了解。[5]
　　三、实践环节的创新
　　笔者在实践过程中积极探索，加强实践教学的内涵建设，提升课程的实践性和创新性，取得了较好的效果。
　　（一）开放实验教学模式
　　电力系统综合实验室，由3台WDT-IIIC电力系统综合自动化试验台和1台PS-7G型电力系统微机监控试验台及相关设备组成，是一个自动化程度很高的动态电力系统物理模型，能够反映现代化电能的生产、传输、分配和使用的全过程，体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自动化，并使教学实验管理现代化。对于卓越电气工程师班的学生来说，除了按要求完成课程基本的实验内容之外，还要在课余时间对实验平台能完成的其他内容作试探性研究和拓展。学生通过实验平台开放的接口做课程设计和研究，拓宽了视野，加深了对理论知识的理解。
　　（二）自主研发、修复实验装置模块
　　综合设计实践教学是高等学校培养卓越电气工程师专业教学计划中的重要部分。本课程鼓励学生在实践过程中自己动手设计装置，完成相关实验内容，或者对旧实验装置进行维修，恢复装置功能。学生通过这种实践，对实验过程和内容有了更深刻的理解，提高了动手能力。
　　四、课程拓展及创新能力培养
　　笔者在教学过程中，一直强调学生要注重本课程具体章节内容之间的联系，逐步掌握单个知识点，理解课程体系结构，进而理解专业教学体系结构，熟悉本课程在整个教学体系中的地位和作用。通过把问题法融入教学中，能避免学生片面的学习单个知识点而忽略对全局的了解，能提高学生分析问题、解决问题的能力。
　　同时，笔者在教学过程中注重紧跟前沿技术，提升学生的创新能力。本课程内容讲授到一半时，学生对课程内容已有了一定的认识，笔者要求每位学生都要去查找文献，了解电力方向的最新技术和发展方向，然后上交一篇报告，对涉及的新技术进行描述并写心得。为了提高效率避免雷同，笔者规定，报告提交时按照时间先后顺序，若该技术在先前提交的报告中已使用，则后而提交的报告中就不能再涉及，这样越往后报告提交难度越大，所以学生基本都以最快的速度去查找资料写报告。报告审核工作由笔者独立完成，对粗制滥造、敷衍了事的报告笔者一律退回要求学生重写，直到通过为止。等学期末课程快结束时专门有新技术讨论课，这时笔者要求学生对自己报告中的新技术进行脱稿描述，以检查学生对新技术的理解程度，并对整个过程进行打分，计入期末考核。
　　学生通过查找技术资料写报告，对专业的前沿技术有了一定的了解，对自己未来的发展方向也有了较清楚的认识。比如，新能源开发及应用和智能电网的研究与建设目前在全球进行得如火如荼，新一代的大学生也要紧跟时代潮流，但学校实验条件有限，怎么办？有学生就发现，微电网技术就是一个很好的切入点。微电网（Micro-Grid）也译为微网，它是将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。微电网中的电源多为微电源，亦即含有电力电子界面的小型机组（小于100kw），包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。[6]微电网是实现主动式配电网的一种有效方式，它既能与大电网联网运行，也能在电网故障或需要时与主网断开单独运行，是传统电网向智能电网的过渡。不少学生在了解了相关知识后，已打算把微电网技术作为自己未来的研究和发展方向。
　　五、小结
　　本文在电力系统分析课程现状的基础上，基于卓越电气工程师培养目标，将问题教学法的理念贯穿于教学实践，对该课程的理论教学和实践教学环节进行改革，并对课程进行拓展，提高了学生的创新意识和能力。学生通过这种方式学习后，对课程的理解以及对电力方面知识的兴趣都有了很大的提高。卓越计划实施时间并不长，在今后的实施过程中还需继续探索、总结，不断调整，这样才能不断进步。