电气工程及其自动化专业课程实践教学改革
时间：2023-02-09 10:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
方胜利 侯贸军 马春艳 刘 杰
（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）
电气工程及其自动化专业涉及的专业知识烦琐，而且内容相对抽象，不易理解及掌握。为使学生系统掌握专业知识、深刻理解专业应用、切实提高电力工程实践能力，需将电气专业理论与电力工程应用结合起来，以达到学以致用的目的[1]。目前大多数高校的电气工程专业均以专业课程为主线，将实践环节穿插至各课程中，每门课程都开设有针对课程知识点的实验，企图通过简单叠加的方式构建完整的专业实践体系。而由于电气工程专业的系统性，学生很难通过各课程实验环节构建完整而系统的专业体系。此外，由于本专业涉及高电压、大电流的强电领域，实体实验存在较大的危险性，导致学生实际动手操作有限，实验均以实验测试、数据分析为主，无法理解其深层次的实验核心要素，导致实验效果较差[2]。
基于此，目前开设有电气工程及其自动化专业的各大高校开始探索具有一定针对性的实践教学改革，包含实践的教学理念、教学方案、教学方法、教学环境、指导方法、结果评价等方面[3-5]，这些改革措施或方法虽然能在一定程度上克服当前电气工程专业实验教学存在的弊端，但由于着眼点较低、关注面较窄，并没有根本解决实践教学体系方面的问题，因此改革效果有待进一步提升。
本文从提高电气工程及其自动化专业实践效果、培养学生专业综合应用能力角度出发，摒弃传统分离化的课程实验教学方式，在梳理并整合本专业关键知识点的基础上，在适当的仿真软件平台上搭建包含各专业课程关键知识点的综合性电力工程实验仿真模型，使学生在了解电力工程背景的基础上采用虚拟仿真手段开展在不同的专业学习阶段针对不同的知识点开展虚拟仿真实验，最终完成系统性电力工程实验。
针对电气工程及其自动化专业的培养目标和各课程的毕业要求指标点，梳理相关专业课程的核心知识点，主要包括：
学科基础课：大学物理、电路、自动控制原理、模拟电子技术、数字电子技术等。此类课程主要为后期专业课程提供基本的分析原理及分析对象特性，主要讲授电/磁/光特性、基本电路原理、控制原理、电子器件特性及应用等，核心知识点有电磁感应原理、电路直流/交流分析方法、控制系统静态稳定性判定/动态参数分析方法、分离无源器件及集成电路的特性及应用等。
专业基础课：电气工程专业导论、电气工程基础、电机学等，此类课程主要为核心专业课提供基本的理论知识，主要讲授电力系统组成、电气工程核心技术及设备、电能的运行机理及特性等，核心知识点有电力系统构架、电网一/二次设备及作用、电力系统运行及调节机理、机电能量转换机理、电能变换机理、电磁感应原理、电力系统中各类电机工作特性及应用等。
专业核心课：电力系统分析、继电保护原理、发电厂电气部分、电力系统自动装置、电网监控与调度自动化、高电压技术、电能质量与控制技术、电力电子技术、工业电气与控制技术等。此类课程主要采用学科基础课及专业基础课的相关理论对电力系统的关键参数、关键设备进行调节和控制，并结合相关的电力技术对电力系统进行设计、分析和验证。核心知识点有电力系统关键参数的辨识和控制、继电保护设备的参数整定、电力设备的调节和控制、电力监控与调度、电力变流原理及应用、电网一、二次系统设计等。
根据以上专业核心知识点的属性进行有机整合，即以各知识点在电气工程中的作用点为标准进行分类，为后期仿真模型中各知识点的融入和各知识点实验的开展打下基础。
由于电气专业涉及高电压、大电流等强电领域，实体实践操作具有较高的危险性，且电力系统组成所涉及的电力设备较多，建设实体实践平台的投资较大，故目前主要通过在构建电力仿真环境的基础上进行虚拟仿真的方式进行专业实践。
目前应用于电气工程专业领域的仿真软件较多，如MATLAB、PSASP、PPS/E、PSD-BPA、EMTP/ATP、DIgSILENT/PowerFactory、PSCAD在综合考虑后期仿真实验的操作便利性、仿真精度、过程可观性等因素的基础上，选用PSCAD进行电力系统仿真，其采用时域分析求解完整的电力系统及微分方程（包括电磁和机电两个系统），仿真结果精确度高，同时PSCAD允许用户在图形环境下灵活地搭建具有完整调节参数的电力系统模型，具有较高的人机交互性。此外，其支持在线式参数调整，提高仿真实时性，且内部集成有丰富的图形控件，方便用户搭建所需的仿真模型，以提高仿真效率。
完成本专业关键知识点的梳理和整合后，在选用的仿真软件中搭建包含各关键知识点的综合性电气工程实验仿真模型，结构如图1所示。
图1 综合性电气工程实验仿真模型结构图
该仿真模型以完整电气工程为背景，集成了发电、变电、输电、配电及用电等各环节，并将本专业各核心知识点有针对性的融入各环节中，既保证了实验环境的完整性，又体现了电气工程专业知识的系统性，同时该模型将具体的电力工程与专业知识紧密结合，从而凸显了实践环节的工程属性，有利于学生系统性把握本专业知识体系，深刻认识各专业知识点在实际电力工程中的具体应用，切实提高学生应用专业知识解决实际电力工程问题的能力，完成了从知识到能力的升华，为提高学生的专业素养提供实践平台。
此外，根据学生对本专业知识的学习进度，该模型可通过仿真后台进行有效管理：在大学一至三年级的各专业课程学习阶段，可通过开关控制将部分电力环节透明化，而保留核心知识点相关的实验模型部分，以防受到模型中其他环节的影响或干扰，便于学生针对各分离知识点进行深刻理解和掌握；
在大四学年，则将本实验模型的所有环节开放，学生对整个电力工程进行仿真实验，从而综合应用本专业所有的核心知识点对实验现象进行分析、研究及总结，以加强学生对电力工程的系统性思维训练，提高学生系统性解决电力工程问题的能力，最终提高学生的专业应用能力。
为保证实践环节与课程理论知识学习的同步，实验教师需及时与专业理论授课教师沟通，并根据学生专业知识的学习进度，通过实验模型管理平台，对相关环节的仿真模型进行适当的屏蔽或开放处理，以构建不同复杂程度、包含不同实验核心要素的仿真模型，满足学生基础实验需要。
在学生完成本专业所有知识的学习后，实验教师通过管理后台开放实验模型的所有环节，并将各环节联网组成完成的电力系统，开设综合性、系统性的专业实验，学生需综合应用本专业所有核心知识分析并解决复杂电力工程问题，以此培养学生专业素养。
同时，为全面、合理评价实践教学的有效性，在实践的整个过程中需设置科学的考核方法。实验教师根据各实验模型的复杂度和实验难易程度对实验结果进行综合评价，并通过设置不同的权重系数，最终给出科学而合理的考核结果。
此外，为不断提高实践内容的完整性、实践过程的科学性及实践方法的合理性，需进行持续改进及优化，形成实践教学→实践产出→实践改革→实践教学……的闭环。因此，一方面，需结合当前电力技术的不断发展，积极在实践教学中丰富实验素材，优化实验内容，更新实验项目，以体现专业知识的前沿性。另一方面，需要依据学生的实践效果及反馈，不断优化实验环境，并按照学生的认知规律，提高实验过程的科学性，使学生在实际工程背景下完成专业知识的认知、理解、掌握及应用，最终帮助学生构建完整的专业体系。
本文针对电气工程及其自动化专业特点，在综合分析、总结了当前专业实践教学现状的基础上，从提高学生专业实践效果、培养学生实际电力工程能力的角度出发，设计了一套以实际电力工程为背景、以虚拟仿真为实验手段的专业课程实践模式，并阐述了该模式的各个环节，包括专业知识点的梳理与整合、仿真软件的选取、仿真模型的建立、仿真实验的实施等，旨在培养学生系统性电力工程思维和综合性专业应用能力，提高学生的专业素养。
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