電氣工程及其自動化專業課程實踐教學改革

方勝利 侯貿軍 馬春艷 劉 杰

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

電氣工程及其自動化專業涉及的專業知識煩瑣，而且內容相對抽象，不易理解及掌握。為使學生系統掌握專業知識、深刻理解專業應用、切實提高電力工程實踐能力，需將電氣專業理論與電力工程應用結合起來，以達到學以致用的目的[1]。目前大多數高校的電氣工程專業均以專業課程為主線，將實踐環節穿插至各課程中，每門課程都開設有針對課程知識點的實驗，企圖通過簡單疊加的方式構建完整的專業實踐體系。而由于電氣工程專業的系統性，學生很難通過各課程實驗環節構建完整而系統的專業體系。此外，由于本專業涉及高電壓、大電流的強電領域，實體實驗存在較大的危險性，導致學生實際動手操作有限，實驗均以實驗測試、數據分析為主，無法理解其深層次的實驗核心要素，導致實驗效果較差[2]。

基于此，目前開設有電氣工程及其自動化專業的各大高校開始探索具有一定針對性的實踐教學改革，包含實踐的教學理念、教學方案、教學方法、教學環境、指導方法、結果評價等方面[3-5]，這些改革措施或方法雖然能在一定程度上克服當前電氣工程專業實驗教學存在的弊端，但由于著眼點較低、關注面較窄，并沒有根本解決實踐教學體系方面的問題，因此改革效果有待進一步提升。

本文從提高電氣工程及其自動化專業實踐效果、培養學生專業綜合應用能力角度出發，摒棄傳統分離化的課程實驗教學方式，在梳理并整合本專業關鍵知識點的基礎上，在適當的仿真軟件平臺上搭建包含各專業課程關鍵知識點的綜合性電力工程實驗仿真模型，使學生在了解電力工程背景的基礎上采用虛擬仿真手段開展在不同的專業學習階段針對不同的知識點開展虛擬仿真實驗，最終完成系統性電力工程實驗。

1 梳理并整合專業核心知識點

針對電氣工程及其自動化專業的培養目標和各課程的畢業要求指標點，梳理相關專業課程的核心知識點，主要包括：

學科基礎課：大學物理、電路、自動控制原理、模擬電子技術、數字電子技術等。此類課程主要為后期專業課程提供基本的分析原理及分析對象特性，主要講授電/磁/光特性、基本電路原理、控制原理、電子器件特性及應用等，核心知識點有電磁感應原理、電路直流/交流分析方法、控制系統靜態穩定性判定/動態參數分析方法、分離無源器件及集成電路的特性及應用等。

專業基礎課：電氣工程專業導論、電氣工程基礎、電機學等，此類課程主要為核心專業課提供基本的理論知識，主要講授電力系統組成、電氣工程核心技術及設備、電能的運行機理及特性等，核心知識點有電力系統構架、電網一/二次設備及作用、電力系統運行及調節機理、機電能量轉換機理、電能變換機理、電磁感應原理、電力系統中各類電機工作特性及應用等。

專業核心課：電力系統分析、繼電保護原理、發電廠電氣部分、電力系統自動裝置、電網監控與調度自動化、高電壓技術、電能質量與控制技術、電力電子技術、工業電氣與控制技術等。此類課程主要采用學科基礎課及專業基礎課的相關理論對電力系統的關鍵參數、關鍵設備進行調節和控制，并結合相關的電力技術對電力系統進行設計、分析和驗證。核心知識點有電力系統關鍵參數的辨識和控制、繼電保護設備的參數整定、電力設備的調節和控制、電力監控與調度、電力變流原理及應用、電網一、二次系統設計等。

根據以上專業核心知識點的屬性進行有機整合，即以各知識點在電氣工程中的作用點為標準進行分類，為后期仿真模型中各知識點的融入和各知識點實驗的開展打下基礎。

2 選擇適當仿真軟件

由于電氣專業涉及高電壓、大電流等強電領域，實體實踐操作具有較高的危險性，且電力系統組成所涉及的電力設備較多，建設實體實踐平臺的投資較大，故目前主要通過在構建電力仿真環境的基礎上進行虛擬仿真的方式進行專業實踐。

目前應用于電氣工程專業領域的仿真軟件較多，如MATLAB、PSASP、PPS/E、PSD-BPA、EMTP/ATP、DIgSILENT/PowerFactory、PSCAD在綜合考慮后期仿真實驗的操作便利性、仿真精度、過程可觀性等因素的基礎上，選用PSCAD進行電力系統仿真，其采用時域分析求解完整的電力系統及微分方程（包括電磁和機電兩個系統），仿真結果精確度高，同時PSCAD允許用戶在圖形環境下靈活地搭建具有完整調節參數的電力系統模型，具有較高的人機交互性。此外，其支持在線式參數調整，提高仿真實時性，且內部集成有豐富的圖形控件，方便用戶搭建所需的仿真模型，以提高仿真效率。

3 搭建系統性實驗仿真模型

完成本專業關鍵知識點的梳理和整合后，在選用的仿真軟件中搭建包含各關鍵知識點的綜合性電氣工程實驗仿真模型，結構如圖1所示。

圖1 綜合性電氣工程實驗仿真模型結構圖

該仿真模型以完整電氣工程為背景，集成了發電、變電、輸電、配電及用電等各環節，并將本專業各核心知識點有針對性的融入各環節中，既保證了實驗環境的完整性，又體現了電氣工程專業知識的系統性，同時該模型將具體的電力工程與專業知識緊密結合，從而凸顯了實踐環節的工程屬性，有利于學生系統性把握本專業知識體系，深刻認識各專業知識點在實際電力工程中的具體應用，切實提高學生應用專業知識解決實際電力工程問題的能力，完成了從知識到能力的升華，為提高學生的專業素養提供實踐平臺。

此外，根據學生對本專業知識的學習進度，該模型可通過仿真后臺進行有效管理：在大學一至三年級的各專業課程學習階段，可通過開關控制將部分電力環節透明化，而保留核心知識點相關的實驗模型部分，以防受到模型中其他環節的影響或干擾，便于學生針對各分離知識點進行深刻理解和掌握；在大四學年，則將本實驗模型的所有環節開放，學生對整個電力工程進行仿真實驗，從而綜合應用本專業所有的核心知識點對實驗現象進行分析、研究及總結，以加強學生對電力工程的系統性思維訓練，提高學生系統性解決電力工程問題的能力，最終提高學生的專業應用能力。

4 開展實踐教學

為保證實踐環節與課程理論知識學習的同步，實驗教師需及時與專業理論授課教師溝通，并根據學生專業知識的學習進度，通過實驗模型管理平臺，對相關環節的仿真模型進行適當的屏蔽或開放處理，以構建不同復雜程度、包含不同實驗核心要素的仿真模型，滿足學生基礎實驗需要。

在學生完成本專業所有知識的學習后，實驗教師通過管理后臺開放實驗模型的所有環節，并將各環節聯網組成完成的電力系統，開設綜合性、系統性的專業實驗，學生需綜合應用本專業所有核心知識分析并解決復雜電力工程問題，以此培養學生專業素養。

同時，為全面、合理評價實踐教學的有效性，在實踐的整個過程中需設置科學的考核方法。實驗教師根據各實驗模型的復雜度和實驗難易程度對實驗結果進行綜合評價，并通過設置不同的權重系數，最終給出科學而合理的考核結果。

此外，為不斷提高實踐內容的完整性、實踐過程的科學性及實踐方法的合理性，需進行持續改進及優化，形成實踐教學→實踐產出→實踐改革→實踐教學……的閉環。因此，一方面，需結合當前電力技術的不斷發展，積極在實踐教學中豐富實驗素材，優化實驗內容，更新實驗項目，以體現專業知識的前沿性。另一方面，需要依據學生的實踐效果及反饋，不斷優化實驗環境，并按照學生的認知規律，提高實驗過程的科學性，使學生在實際工程背景下完成專業知識的認知、理解、掌握及應用，最終幫助學生構建完整的專業體系。

5 結語

本文針對電氣工程及其自動化專業特點，在綜合分析、總結了當前專業實踐教學現狀的基礎上，從提高學生專業實踐效果、培養學生實際電力工程能力的角度出發，設計了一套以實際電力工程為背景、以虛擬仿真為實驗手段的專業課程實踐模式，并闡述了該模式的各個環節，包括專業知識點的梳理與整合、仿真軟件的選取、仿真模型的建立、仿真實驗的實施等，旨在培養學生系統性電力工程思維和綜合性專業應用能力，提高學生的專業素養。