李忠文　程志平　蘇士美　司紀(jì)凱　張書源

［摘 要］針對智能微電網(wǎng)課程在教學(xué)過程中面臨的一些問題與挑戰(zhàn)，文章提出應(yīng)基于以學(xué)生為中心的教學(xué)模式改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性；基于項目驅(qū)動的策略，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力、動手能力、表達能力及項目實施經(jīng)驗；基于計算機仿真的方案，提高項目進展速度；基于過程性評價體系，進一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。最終形成了一套基于項目和計算機仿真驅(qū)動的、以學(xué)生為中心的教學(xué)改革方案。

［關(guān)鍵詞］智能微電網(wǎng)；項目驅(qū)動；計算機仿真；以學(xué)生為中心；卓越工程師

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）10-0122-05

為了積極發(fā)展分布式發(fā)電，鼓勵新能源的高效利用，一些發(fā)達國家提出了智能電網(wǎng)概念，并制定了相應(yīng)的戰(zhàn)略，以促進傳統(tǒng)電網(wǎng)走向現(xiàn)代化[1]。微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)發(fā)展的過渡，能夠提高可再生能源滲透率和供電可靠性。因此，國內(nèi)許多本科院校的電氣工程及其自動化專業(yè)開設(shè)了智能微電網(wǎng)課程，以培養(yǎng)滿足社會發(fā)展和市場需求的優(yōu)秀本科畢業(yè)生。

作為一門新興的、具有較強多學(xué)科交叉背景的課程，智能微電網(wǎng)課程目前主要存在四個方面的挑戰(zhàn)：缺乏合適的教材、需要較豐富的多學(xué)科交叉背景知識、相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)更新迅速、實驗室建設(shè)成本高。針對上述問題，本文提出了智能微電網(wǎng)課程的一系列改革方案。

一、智能微電網(wǎng)課程的特點及現(xiàn)狀

信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System， CPS）是深度融合計算、通信以及控制技術(shù)并由物理系統(tǒng)及信息系統(tǒng)構(gòu)成的工程系統(tǒng)[2]。智能微電網(wǎng)系統(tǒng)是一個典型的信息物理系統(tǒng)，如圖 1所示。因此，智能微電網(wǎng)課程是包含計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、控制理論、電機學(xué)、電子學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、通信技術(shù)等知識的多學(xué)科交叉課程。

智能微電網(wǎng)課程是為電氣工程及其自動化專業(yè)高年級本科生開設(shè)的一門課程。為了達到卓越工程師教育培養(yǎng)目標(biāo)[3]并滿足學(xué)生繼續(xù)攻讀更高學(xué)位及工作需求，該課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)包含以下幾點：

1.初步掌握智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方法及控制與優(yōu)化理論，并強化解決工程問題的能力；

2.使學(xué)生具有獲取和應(yīng)用多學(xué)科領(lǐng)域知識、技能、策略的能力，建立相關(guān)學(xué)科完整知識體系；

3.培養(yǎng)團隊協(xié)作能力，強化電氣、控制和信息技術(shù)領(lǐng)域的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新精神，能滿足智能微電網(wǎng)領(lǐng)域的研究、開發(fā)及運維等相關(guān)工作需求；

4.提高學(xué)生對智能微電網(wǎng)領(lǐng)域的興趣愛好。

隨著電氣、計算機及控制技術(shù)的飛速發(fā)展，本科生智能微電網(wǎng)課程始終面臨著課程內(nèi)容更新與改革的壓力。此外，由于該研究領(lǐng)域興起較晚并具有多學(xué)科交叉的特性，智能微電網(wǎng)課程面臨如下難點：（1）缺乏合適的教材，難以利用單一的教材講解清楚智能微電網(wǎng)所包含的多學(xué)科交叉知識；（2）需要學(xué)生具有一定的相關(guān)多學(xué)科基礎(chǔ)知識背景；（3）智能微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展更新迅速；（4）實驗室建設(shè)成本高，實驗條件難以保證。

傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)范式是重視知識的傳授，關(guān)注教師教學(xué)環(huán)節(jié)。目前智能微電網(wǎng)課程多采用以教師為中心的教學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容寬泛、不夠深入，并且多偏重對理論和概念的講解，沒有涉及仿真機實驗環(huán)節(jié)[4]。因此，針對智能微電網(wǎng)這門課程，采用傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)方法存在以下問題：（1）學(xué)生間及師生間互動少，缺乏實驗環(huán)節(jié)的知識傳授，學(xué)生的理解應(yīng)用能力難以提高；（2）以最終考試確定成績的考核方式，缺乏過程性評價，難以構(gòu)成反饋機制并在過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；（3）缺乏仿真及實驗環(huán)節(jié)，難以使學(xué)生真正理解微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的區(qū)別及聯(lián)系；（4）缺乏對學(xué)生聯(lián)系、歸納及應(yīng)用知識解決現(xiàn)實問題能力的培養(yǎng)。

綜合上述分析，針對智能微電網(wǎng)課程面臨的難點及挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以完全滿足其培養(yǎng)目標(biāo)要求。

二、項目和計算機仿真驅(qū)動的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法

針對上述問題，本文建議采用項目和計算機仿真驅(qū)動的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法改革。

（一）以學(xué)生為中心的教學(xué)方法改革

以學(xué)生為中心的教學(xué)模式強調(diào)的是教師的教學(xué)活動服務(wù)于學(xué)生的需求，是以“拉動自主式”教學(xué)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)“推動灌輸式”教學(xué)方法[5-6]。近年來，以學(xué)生為中心的教學(xué)方法受到了廣泛的關(guān)注[6-9]。與傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式相比，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式不再向?qū)W生進行填鴨式的知識灌輸，而是幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)所學(xué)內(nèi)容的意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和自主學(xué)習(xí)能力[12]。以學(xué)生為中心的教學(xué)模式具有以下優(yōu)點：（1）通過小組討論及團隊協(xié)作的方式進行學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)生的溝通協(xié)作能力；（2）通過在學(xué)生與教師之間建立對等關(guān)系，學(xué)生的中心地位得到加強，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性及學(xué)習(xí)興趣；（3）通過學(xué)生自主討論與探索研究，提高學(xué)生的知識綜合應(yīng)用能力。

（二）項目驅(qū)動策略在智能微電網(wǎng)教學(xué)中的作用

為了應(yīng)對智能微電網(wǎng)這門課程缺乏合適的教材、相關(guān)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)更新迅速和多學(xué)科交叉等問題，本文提出了基于項目驅(qū)動的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，并設(shè)計了相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容及對應(yīng)的實踐項目（見表1）。

如表1所示，課題組為高年級本科生設(shè)計的智能微電網(wǎng)課程共有48個學(xué)時，其中理論授課22個學(xué)時，學(xué)生分組討論及項目答疑10個學(xué)時，項目匯報及點評16個學(xué)時。與教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的相關(guān)項目均是通過中英文文獻數(shù)據(jù)庫檢索歸納得到的微電網(wǎng)研究領(lǐng)域相關(guān)熱點研究內(nèi)容，這樣不僅可以補充教材內(nèi)容的不足，還能緊密追蹤該研究領(lǐng)域的技術(shù)前沿。

本課程共列出了20個與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的研究課題。以具有80名學(xué)生的班級為例，讓學(xué)生每4人一組進行自由組隊，并且教師為每個小組分配20個項目中的2項。首先，讓學(xué)生通過課前查閱文獻學(xué)習(xí)多學(xué)科交叉知識，從而開闊視野，熟悉相關(guān)研究內(nèi)容的背景知識；然后，通過課堂教學(xué)強化學(xué)生對相關(guān)理論的理解；接著，通過項目實施及過程討論，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力及動手能力；最后，通過項目匯報及點評，提高學(xué)生的表達能力并讓學(xué)生認(rèn)識到其在項目實施過程的不足之處，為后續(xù)項目實施積累經(jīng)驗。無論學(xué)生將來繼續(xù)攻讀學(xué)位還是工作，相關(guān)項目的設(shè)計經(jīng)驗都會對其有較大幫助。

（三）計算機仿真在智能微電網(wǎng)教學(xué)中的作用

為了解決智能微電網(wǎng)這門課程面臨的實驗室建設(shè)成本高、實驗條件難以保證的問題，本文設(shè)計了基于計算機仿真的解決方案，并結(jié)合項目驅(qū)動方式，構(gòu)建一套基于項目和計算機仿真驅(qū)動的、以學(xué)生為中心的智能微電網(wǎng)教學(xué)改革方案。本文以項目“三相VF控制型逆變器控制策略”為例，介紹計算機仿真驅(qū)動在項目實施及教學(xué)中的作用。

項目“三相VF控制型逆變器控制策略”要求設(shè)計的逆變器輸出線電壓為208 V，50 Hz的交流電，電壓/電流信號采樣頻率為10k Hz，逆變器開關(guān)頻率為10k Hz，直流側(cè)電源電壓為300 V，LC濾波電路的濾波電感和濾波電容由學(xué)生自行設(shè)計。

通過學(xué)生課前的文獻調(diào)研和教師課堂講解，使學(xué)生掌握圖 2所示的三相VF控制型逆變器雙閉環(huán)PI控制策略的基本原理。為了保證項目的順利進行，應(yīng)盡量避免學(xué)生在項目實施過程中因控制算法不穩(wěn)定及操作不當(dāng)造成的硬件電路損壞。因此，教師首先要指導(dǎo)學(xué)生采用基于計算機仿真的方式驗證并調(diào)試所設(shè)計的控制策略，直到得到滿意的控制性能。然后，讓學(xué)生設(shè)計硬件電路，通過硬件實驗進一步驗證該控制策略。這里應(yīng)當(dāng)注意的是，計算機仿真的實驗系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)當(dāng)盡量與真實的物理實驗系統(tǒng)參數(shù)一致，這樣才能保證仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，從而便于將仿真驗證通過的控制算法移植到物理實驗系統(tǒng)中。

圖 3為基于Matlab建立的三相VF控制型逆變器及其控制模塊的仿真模型。基于該仿真模型，學(xué)生可以驗證并調(diào)試雙閉環(huán)PI控制器參數(shù)，教師還可以鼓勵學(xué)生通過查閱文獻，將其他控制算法（如滑?？刂?、魯棒控制、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）應(yīng)用到VF控制型逆變器系統(tǒng)的控制中。

圖 4為采用雙閉環(huán)PI控制策略時，基于Matlab仿真的三相VF控制型逆變器輸出電壓電流階躍響應(yīng)波形。從圖4可以看出，該控制策略具有較快的響應(yīng)速度和良好的波形質(zhì)量。

為了進一步通過物理實驗驗證三相VF控制型逆變器的控制策略，課題組搭建了如圖 5所示的三相逆變器實驗系統(tǒng)，采用TMS320F28335型號的DSP芯片對三相逆變器進行控制，雙閉環(huán)PI控制器的控制參數(shù)采用基于Matlab仿真模型調(diào)試通過的控制參數(shù)。對應(yīng)的物理實驗結(jié)果如圖 6所示。

通過對比圖 4和圖 6的逆變器輸出電壓和電流波形，可以看出仿真波形和物理實驗波形基本一致。因此，基于Matlab軟件仿真調(diào)試通過的控制策略及控制器參數(shù)對于設(shè)計物理控制器及其參數(shù)具有重要的參考價值?；谲浖抡娴氖侄危粌H可以縮短硬件開發(fā)周期，還可以減少硬件電路損壞。此外，當(dāng)物理實驗成本較高或?qū)嶒灄l件無法滿足實驗需求時，軟件仿真手段同樣可以正確揭示相關(guān)理論。

三、建立過程性評價體系

傳統(tǒng)結(jié)果性評價只是簡單地關(guān)注學(xué)生的最終考試結(jié)果，存在以下缺點：一是評價過程脫離教學(xué)過程，不能發(fā)揮評價的反饋、調(diào)控和激勵作用[12-13]；二是評價形式單一，不能充分評價不同層次學(xué)生的綜合能力[13]；三是忽略學(xué)生非智力因素的發(fā)展，重理論輕實踐，重結(jié)果輕過程[14]。

過程性評價是在教學(xué)過程中對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進行評價的方式[15]。與結(jié)果性評價相比，過程性評價能夠充分發(fā)揮評價的反饋、調(diào)控和激勵等功能，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性；過程性評價能夠根據(jù)需要恰當(dāng)?shù)匾攵喾N評價形式，從而構(gòu)建完善的綜合評價體系；過程性評價還能夠同時關(guān)注教育目標(biāo)和教育過程，從而對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、過程及非智力因素進行綜合評價。因此，自20世紀(jì)80年代以來，過程性評價逐步形成，并且得到了廣泛的關(guān)注與實踐。

為了提高教學(xué)效果，本文為智能微電網(wǎng)課程建立了學(xué)生過程性評價體系：課程總成績100分，項目實施過程中小組討論情況及課堂互動表現(xiàn)占20%，項目書面報告文件占15%，項目口頭報告及答辯情況占15%，期末考試占50%。項目書面報告是項目完成之后學(xué)生所提交的關(guān)于對項目的理解和實驗結(jié)果分析的文件。項目書面報告采用統(tǒng)一的模板，內(nèi)容包括問題建模、項目設(shè)計、項目實施、結(jié)果分析等。

四、結(jié)論

由于智能微電網(wǎng)是一門新興的課程，并且具有較強的多學(xué)科交叉特點，該課程在教學(xué)過程中存在一些問題。針對這些問題，本文提出了基于項目和計算機仿真驅(qū)動的、以學(xué)生為中心的教學(xué)改革方案。具體包括：基于以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)所學(xué)內(nèi)容的意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和自主學(xué)習(xí)能力；基于項目驅(qū)動的策略，開闊學(xué)生視野，彌補教材內(nèi)容的不足，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力、動手能力、表達能力，積累項目實施經(jīng)驗；基于計算機仿真驅(qū)動的方案解決實驗室建設(shè)成本高、實驗條件難以保證的問題，加快項目進展速度；基于過程性評價體系對學(xué)生進行綜合評價，充分發(fā)揮評價的反饋、調(diào)控和激勵等功能，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。該改革方案具有較好的效果和較強的可推廣性。

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］