电气工程及其自动化专业基于数字仿真平台的案例教学

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　　摘要：文章以电气工程及其自动化专业的毕业要求和教学目标为基本原则，提出了成果为导向的教学改革理念，以数字仿真平台为工具的案例教学法的实施，符合工程教育认证和卓越计划的培养标准。
　　关键词：案例教学；电自专业教学；成果导向
　　中图分类号：G642.0；TM621 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）24-0176-02
　　一、引言
　　大学教育活动中，教学内容（教什么）和教学方法（如何教）的合理组合直接影响学生学习的主动性和积极性以及教学的效率和质量，也关系到教学目标能否实现，教学任务能否完成。对于电气工程及其自动化专业的专业课教学，专业性强，理论基础和课程的承接性要求高，如果仍然采用传统的“满堂灌”讲授模式[1]，虽然有利于教师主导作用的发挥和教学目标的完成，但学生一味被动接受，自主学习、自主探究的过程被忽视，学习效果较差。
　　二、电自专业教学改革理念
　　将电气工程专业课程的教学模式改革为基于成果导向，教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果，并通过“成果是什么—为什么是这个成果—如何有效帮助学生取得成果—如何知道学生取得成果的效果”的教学设计，采用案例教学，利用既适应工程实践又满足教学的数字仿真平台（CEES供电网计算分析及辅助决策软件），满足本专业“能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂电气工程問题”、“能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂电气工程问题，以获得有效结论”、“能够基于科学原理并采用科学方法对复杂电气工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论”、“能够针对复杂电气工程问题，开发、选择与使用恰当的仿真技术、设计工具、和信息技术工具，包括对复杂电气工程问题的分析与模拟，并能够理解其局限性”等毕业要求。
　　三、案例教学法及仿真平台
　　案例教学是一种以案例为基础和引导的教学方法，教师提出多个案例供学生分析，案例解决的答案并不唯一。教师于教学中扮演设计者和激励者的角色，鼓励学生积极参与讨论。案例教学中的案例是真实存在的，具有很强的综合性，这就要求学生不仅要具备基本的理论知识，还应能审时度势、决策果断、权衡应变。可以鼓励学生独立思考，综合运用各种知识和灵活的技巧来处理并提出解决问题的方案。另外，案例重视双向交流，从而取长补短。[2]
　　CEES供电网计算分析及辅助决策软件能够帮助电气工程师进行便捷的电网方针、分析、规划、设计和运行维护计算，是具有集成化、智能化和交互式的图形化辅助计算工具，包括一次接线图辅助设计环境、计算模块、报表模块、数据交换模块、工程数据库、设备信息库等部分。系统具有潮流计算分析、短路电流计算分析、配电网可靠性评估、理论线损计算分析、继电保护协调、配网无功优化计算、空间负荷预测及配电网络规划等专业计算分析功能。CEES供电网计算分析及辅助决策软件教学版可以建立不超过30个节点的网架，模拟实际的县级高压配电网，使用绘图编辑、参数选取、潮流计算、报表生成等功能，能够满足教学目标中要求学生掌握基本的网架搭建、设备参数选择与计算、潮流计算与分析、优化潮流分布等要求。
　　四、基于仿真平台的案例教学实施
　　在教学实践中，教师将基于仿真平台的案例教学实施分解为以下几个主要部分：
　　1.任务引入：将学生进行随机分组，提供给每组学生不同的县级35kV及以上高压配电网地理接线图、网架和负荷运行参数等基础资料，要求学生通过团队合作的形式，利用CEES供电网计算分析及辅助决策软件，搭建该地区高压配网电气接线图并进行潮流计算，对计算结果进行分析并对该地区潮流的优化提出解决办法。
　　2.案例导读：根据任务引入时提出的要求，教师引导学生按个人特点在组内进行任务的分解，并要求学生首先梳理完成任务所需的相关教材内容、关键知识点，明确案例需要达到的目的，并提出存在的疑问。
　　3.仿真平台教学：教师根据学生已有的作图和电力系统分析基础，使用一个实例演示CEES供电网计算分析及辅助决策软件作图、搭建网架、选取元件参数、进行潮流计算，使学生在理解并掌握完成案例任务的方法和步骤后，举一反三，再进入具体实施。
　　4.学生实践：学生做好案例基础资料分析、相关知识准备后，开始利用CEES供电网计算分析及辅助决策软件的绘图编辑面板，进行电气接线单线图的绘制，并通过软件设备信息库中的架空线路数据、电缆数据、变压器数据等设定接线图中包含的所有元件参数。单线图及网架信息完善后，软件支持多种潮流计算方法（快速分解法、前推回推法、牛顿法等）并实现最优算法的自动选择，可以实现母线、支路潮流，电压、有功无功损耗，无功补偿等的计算分析。根据潮流计算的初步结果，再适当选择改变网络运行方式、变压器分接头、调节无功补偿等办法，确保网络运行的设备传输功率不越限、线路和母线电压水平合格、网络损耗降低。
　　5.教师指导：教师在学生实践过程中，需要对学生进行引导和启发，对实践过程中反映出来的共性的相关理论问题和实际问题要进行重点分析和讲解，并作出理论总结归纳和升华。对于个性化问题和非原则性问题，鼓励学生积极动手和创新，打破桎梏。
　　6.成果评价：案例教学最终需按组提交优化后的潮流计算结果的电气接线图一张，潮流计算和分析说明书一份。成果的考核评价的导向应该符合工程教育认证标准的专业人才的培养方向；评价的标准应该与教学目标及毕业要求指标点标准保持一致；评价过程应客观科学；评价方式与教学过程应该相适应；评价形式应该简单易行；评价方式和评价内容需持续改进。小组成果由教师给每个小组进行统一评分的同时，小组成员自行根据承担任务量和完成质量确定组内成员的贡献系数，综合教师分数和个人贡献系数得到个人成绩。教师根据成果提交时间（按时、迟交或未交）、完成态度（认真或敷衍）、完成质量（达到基本要求、有个人思考、有独到见解、有较高创新性）、提交报告及图纸的规范性（符合国家规范、较规范、不规范）等多个维度对每组成果进行评判。
　　五、实施效果评价
　　在电气工程及其自动化的专业教学中利用仿真平台实施案例教学，增强了教学的趣味性和实践性，学生的学习积极性被充分调动。案例教学的应用拉近了课堂教学与系统实际情境的距离，有助于按照卓越工程师教育培养计划进行人才培养，学生逐步学会通过动手摸索和主动思考来分析和解决问题，不再一味等待教师讲解灌输。团队合作的任务安排，组内和组间的交流讨论充分让学生体会取长补短的共赢合作模式以及良性的竞争氛围。教师和学生能够共同感觉到，案例教学法和仿真平台的使用有利于培养学生的主动性、提高学生解决问题的能力、增加学生之间的沟通合作、促使学生开拓视野、活跃思维。[3]这些优势与以成果为导向的专业课程目标、毕业要求、卓越工程师和工程教育专业认证的培养理念均十分契合。
　　六、结论
　　研究明确了电气工程及其自动化专业毕业要求和教学目标，并以此为依据确定了教学改革的基本原则和理念，以利用仿真平台的案例教学法作为教学改革的实际操作手段进行了研究和实践，取得了较好的实践效果。但在具体实施过程中，也发现了一些亟待解决的问题。其中最为突出的，是案例导向的教学方法给任课教师提出了新的挑战。教师不仅必须具有专业知识和丰富的交叉学科的相关知识，还必须具备丰富的教学经验、辅助平台使用经验、工程实际实践经验，要具有强大的提出问题和分析解决问题的能力以及良好的组织管理能力。另外，在互联网充分发达的今天，学生获取知识的渠道早就不限于课堂，甚至获取新知识的方法和能力还超过了教师，这就要求教师需要在课前花费更大的精力备课，才能在课堂上帮助学生在海量的互联网资源中进行筛选和甄别。基于数字仿真平台的案例教学在电气工程及其自动化专业的教学中探索刚刚开始，教学方法、评价体系的完善还需进一步探索，学科组教师将在工作中不断充实、完善，提高教学质量。
　　参考文献：
　　[1]饶俊峰.对分课堂在电气工程专业课程的应用[J].课程教育研究，2016，（1）.
　　[2]李振兴，等.以案例为导向的电气工程课程研究方案[J].教育教学论坛，2017，（4）.
　　[3]米伟哲.案例教学法在工程实践教学中的应用[J].实验室研究与探索，2010，（3）.
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