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        基于項目和計算機仿真驅(qū)動的智能微電網(wǎng)教學(xué)改革

        2022-05-30 19:13:30李忠文程志平蘇士美司紀(jì)凱張書源
        大學(xué)教育 2022年10期
        關(guān)鍵詞:計算機仿真項目驅(qū)動卓越工程師

        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。

        [ 參 考 文 獻 ]

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        [責(zé)任編輯:劉鳳華]

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