基于OBE理念的電力系統分析實驗教學改革與探索

蔡新紅 岑紅蕾 王洪坤

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.131

摘 要 電力系統分析實驗是電氣工程專業獨立設置的實踐教學環節。將OBE理念引入該課程教學，開展以學生為中心的實驗教學課程改革與探索，建立電力系統分析實驗教學體系構架，從實驗室建設、教學文件規范、教學活動設計及完善考核評價機制等方面展開，對該專業其他實驗課程改革與探索具有一定的借鑒意義。

關鍵詞 電氣工程專業；電力系統分析實驗；OBE理念；實驗室；實驗教學；仿真實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）04-0131-03

0 引言

電力系統分析包括電力系統分析（一）和電力系統分析（二）兩門課程，主要內容為電力系統穩態分析和暫態分析，是電氣工程的專業核心課，具有實踐性強、與工程實際聯系緊密等特點[1]。隨著我國電力事業的迅猛發展，光伏、風電等清潔能源及交直流輸電新技術不斷被應用到電力系統領域，如何有效結合電力系統發展現狀開展本課程的實踐教學，是擺在專業課程組教師面前亟待解決的問題。

石河子大學電氣工程及其自動化專業自2019年初開始有序推進工程教育專業認證工作，在新的本科人才培養方案中將電力系統分析實驗獨立設課，共16學時，在第七學期開設，主要目的是培養學生的實際操作能力及分析、解決復雜電氣工程問題的能力，為后續專業課程、課程設計及畢業設計等教學環節打好實踐基礎。

學習產出導向教育（Outcomes-Based Educa-tion，OBE）理念是工程教育專業認證三個基本理念之一[2]。在電力系統分析實驗教學活動中引入OBE理念，通過物理實驗平臺和軟件相結合的方式拓展電力系統分析課程的實驗教學，開展以學生為中心的實驗教學課程改革與探索，進一步推動電力系統分析理論教學改革。

1 實驗教學體系構建

電力系統分析實驗是獨立設置的實踐教學環節，該課程要求學生在掌握電力系統的基本原理及分析方法的基礎上，熟練掌握電力系統潮流和短路電流的計算機算法，為后續專業課學習、發電廠一次部分設計及畢業設計等打好扎實的實踐基礎。通過該課程的學習，學生可以深入理解電力系統分析的理論知識，具有分析、解決復雜工程問題的能力，培養學生的工程實踐能力、職業素養、職業規范及職業道德，是電氣工程專業實踐教學體系中不可或缺的一個重要環節。

針對電力系統分析課程核心內容，課程組基于OBE理念，從實驗教學文件、實驗項目設計及實驗內容等方面進行詳細規劃，構建圖1所示電力系統分析實驗教學體系，硬件和軟件相關的實驗項目設計詳見圖1。

2 實驗教學改革思路

2.1 實驗室建設

基于電氣工程專業工程教育專業認證工作的需求，石河子大學陸續建成電力系統綜合實驗室、電力系統仿真實驗室和新能源微電網實驗室等多個專業實驗室。其中，電力系統綜合實驗室包括武漢華大電力自動技術有限責任公司研制的五臺WDT-ⅢC型電力系統綜合自動化試驗裝置及一臺PS-7G電力系統微機監控試驗裝置，能將五個試驗臺聯接成一個復雜的電力系統，實現電力系統檢測、控制、監視、保護、調度的自動化，全面反映電力系統的全過程[3]。該配置不但能夠適應新的實驗課程設置，還有利于提高學生創新思維能力與實踐技能的培養。

電力系統仿真實驗室和新能源微電網實驗室裝有MATLAB和EMTDC/PSCAD仿真軟件，同時配備具有三維效果的發電廠、變電所仿真軟件及新能源微電網實驗中所需的一些軟、硬件設施，不但能滿足電氣專業本科學生的實驗、實訓，還能滿足電氣工程學科研究生仿真實驗的物理驗證。新建的電力系統綜合實驗室兼具系統性和綜合性的特點，可以給電氣工程專業學生進行電力系統分析實驗、電力系統綜合課程設計、畢業設計及科學研究創造良好的硬件條件和軟件條件，為學生畢業后從事與電氣領域相關的理論研究、設計及運維工作打下必要的實踐基礎。

2.2 規范實驗教學文件

課程組教師和實驗指導教師就實驗教學大綱和實驗教學項目設計進行多次研討，集體撰寫實驗教學大綱，編寫電力系統實驗指導書及仿真實驗指導教程，實現實驗教學文件的規范化。

2.2.1 教學大綱制訂 教學大綱首先明確該課程的教學目標以及課程目標與畢業要求指標點的支撐關系，在設計實驗項目時充分考慮硬件實驗條件與仿真軟件資源，將驗證性實驗與綜合設計性實驗搭配組合，以提高實驗項目的全面性和系統性。具體教學目標為：通過實驗教學，讓學生深入理解電力系統的結構和各種工作狀態，掌握電力系統中主要元件（如發電機、變壓器）的物理特性和數學模型，以及電力系統分析計算的基本方法，為以后研究現代電力系統打下良好的實踐功底；培養學生的工程素養，提升學生分析和解決復雜工程問題的能力，讓學生能夠將現有的電力系統物理實驗平臺和仿真軟件相結合，完成基礎性實驗及綜合設計性實驗，對比實驗數據和結果，解釋實驗和理論模型結果差異，得到合理有效的結論。

2.2.2 實驗指導書編寫 實驗教學內容的安排以課程的教學目標為導向，按照以學生為中心的教育理念，采用基于問題的硬件和軟件相結合的混合式教學方式，主要圍繞物理模擬平臺的實驗教學和軟件仿真平臺的實驗教學全方位立體式展開。物理模擬平臺實驗項目的設置旨在加深學生對電力系統全過程的理解，深刻體會電力系統有功功率與頻率調節及無功功率與電壓調節這些工程概念，培養學生的工程意識及綜合運用所學專業知識分析、解決實際工程問題的能力。物理模擬實驗平臺開設的實驗有同步發電機的準同期并列、勵磁控制及與無窮大系統并網后穩態運行等一系列實驗。

2.2.3 仿真實驗指導教程編寫 仿真實驗項目主要培養學生對知識的理解與運用能力、采用現代工具和科學的方法進行研究的能力。電力系統仿真實驗指導教程首先簡介仿真軟件的基本操作方法及軟件的基本功能，如數據庫、圖形編輯和系統接線圖的編輯等內容[4]；其次，介紹建模及仿真流

程；最后是仿真實驗項目。

課程組將PSCAD和MATLAB軟件引入電力系統潮流計算、短路計算及新能源、交直流輸配電系統的穩態、暫態分析中，要求學生根據實驗內容，建立3～5人的實驗小組，每組自行設計系統拓撲結構方案，采用PSCAD/EMTDC（或MATLAB/Simulink）

搭建電力系統仿真模型，并根據電力系統理論知識設置仿真模塊中的各項等值參數，如同步電機模塊、直流電源模塊、輸電線路模塊、故障模塊和測量模塊等。進行電力系統穩態及故障暫態時頻域仿真分析實驗，對各項實驗數據進行分析和解釋，給出有效結論，并撰寫實驗報告。

基于PSCAD和MATLAB的仿真實驗克服了電力系統高電壓等級不便于實物仿真的缺點，具有建模方法簡單、參數調整方便、結果可視性好的特點，不但能加深學生對專業理論知識的理解，還可激發學生自主學習的興趣及創新意識，有助于提高學生的動手能力和創造力。

2.3 實驗教學活動設計

基于學生在學習中的主體地位，在授課過程中設計不同的工程場景。比如讓學生假想自己是一位現場工作人員，正在進行某發電廠或變電所電氣值班運行，在接到調度指令改變運行方式時一般要遵循哪些操作原則，會考慮哪些細節，需要用到哪些分析和計算等，調動學生主動思考，建立系統的觀點，樹立工程意識。具體教學活動設計從以下三個方面展開。

2.3.1 課前引導 為了鞏固和加深理解前期所學的電力系統分析理論知識，教師提出實踐環節的總體要求和目標，讓學生根據教師安排的實驗項目任務及要求，預習實驗內容，3～5人組成一個實驗小組，以小組為單位討論并完成實驗方案的設計，分工協作完成后期的模型搭建、數據匯總和文檔編輯，有效加強團隊意識及互助合作精神。

2.3.2 課中輔導 在實驗過程中，以構建學生的自主參與學習氛圍為主導，教師向學生準確傳達實驗目標、要求及實驗行為準則，培養學生的責任心。首先，教師針對不同實驗項目的內容，凝練其中的思政元素，在講解實驗難點及操作規范的過程中巧妙地融入思政元素，培養學生的職業素養；其次，巡視各實驗小組學生實驗操作的規范性，針對實驗操作和仿真調試過程中出現的異?，F象，一般不直接給出答案，而是啟發學生思考的角度，引導他們綜合運用所學理論知識分析出現該現象的原因，以培養學生的專業素養、職業規范及分析解決實際工程問題的能力。

2.3.3 課后交流 在實驗結束后，首先由各小組學生根據之前的分工，歸納整理實驗數據，分析結論的有效性，并撰寫實驗報告，以小組形式提交；其次，教師組織各小組學生進行相互學習交流和討論，歸納知識點并總結相關結論，激發和引導學生去發現問題，并能運用所學知識分析和解決問題；最后，涉及與課程相關的新理論和新技術，教師提供文獻資料的查閱方法，并與學生積極交流，啟發學生關注學科發展及前沿動態，以培養學生的創新意識和探究能力。

2.4 完善考核評價機制

在考核評價方面，本實驗課程考核包括平時綜合成績和實驗報告成績兩個部分。

平時綜合成績占比45%，主要考核學生對電力系統的穩態特性和暫態特性的掌握程度，能正確使用電力系統綜合實驗設備及仿真軟件，在保證安全的前提條件下進行實驗，并能夠實時收集有效實驗數據。平時綜合考核包括考勤、預習報告完成情況、安全操作及實驗中參與討論的情況，每部分根據主次分配不同的權重。其中，考勤采用只扣分不加分的方式計入平時成績，不參與達成度計算；預習報告占比20%；安全操作占比25%；實驗參與討論采用只加分不扣分的方式計入平時成績，不參與達成度計算。

實驗報告成績占總成績的55%，主要考核學生對課程目標的達成情況，如實驗中問題分析、實驗數據的處理、誤差分析以及結論是否有效等。

為實現學習全過程的科學評價，課程組十分重視學生學習過程的評價與反饋，定期發放調查問卷了解學生的學習感受及對實驗課程的學習和掌握情況，對課程目標達成度認真細致地進行分析，及時發現問題。通過總結和反思，調整教學內容及教學模式，提出下一年度改進計劃和措施，實現教學效果的持續閉環改進。

3 結束語

石河子大學電氣工程及其自動化專業將專業工程認證的OBE理念應用至電力系統分析的實驗課程教學中，開展以學生為中心的實驗教學探索，關注學生學習活動氛圍的創設，把學生的學習和發展作為教學的首要事項，通過精心設計課程實施大綱和教學活動，提高學生對專業課實驗的興趣，增強學生的創新意識。以培養學生分析解決實際工程問題能力為出發點，通過綜合設計性實驗項目的設置，彌補高電壓、大容量電力系統運行特性分析無法在物理平臺實驗的缺點，提高學生對電氣工程領域復雜工程問題進行模擬和預測的能力，不但有助于學生研究能力的培養，而且可以開闊學生的眼界，對提高學生工程素養及其他實踐課程的建設與改革，具有一定的實用價值和借鑒意義。

參考文獻

[1] 郝亮亮，吳俊勇，夏明超.“電力系統分析”實踐教

學模式的探索與改革[J].電氣電子教學學報，2020，

42（3）：144-147．

[2] 羅平，杭麗君，尹克，等.基于OBE理念的電力系統

分析課程教學模式改革[J].教育教學論壇，2020（9）：

127-128．

[3] 楊德先，陸繼明.電力系統綜合實驗：原理與指導

[M].北京：機械工業出版社，2004．

[4] 黃肇，王曉芳，唐杰.《電力系統分析》實踐環節教

學的改革與實踐[J].中國電力教育，2008（3）：107-108.

*項目來源：石河子大學教育教學改革項目“基于‘OBE理念的《電力系統分析》實踐教學改革與探索”（項目編號：JGY2020-10）。

作者：蔡新紅，石河子大學機械電氣工程學院，副教授，研究方向為電力系統分析與控制；岑紅蕾，石河子大學機械電氣工程學院，副教授，研究方向為電氣自動化；王洪坤，石河子大學機械電氣工程學院，副教授，研究方向為電力系統繼電保護（832000）。