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研究生《电能质量分析与控制》课程改革
发布时间:2022-05-13 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
研究生《电能质量分析与控制》课程改革
王允建,艾永乐 
(河南理工大学电气工程与自动化学院 河南焦作 454000)
  《电能质量分析与控制》是电气工程专业研究生的必修课程之一。为了提高教学质量和培养学生的创新能力,在多年教学实践的基础上,通过引入一些电能质量方面的前沿科研成果和国外优秀硕博论文,采用双语教学、研讨式教学及较全面的考核方式等,从教学内容、教学方式及考核机制三个方面,进行了一些改革。通过《电能质量分析与控制》课程的改革实践,全面提高了研究生的课程教学效果和学生的科研创新能力,能更好的适应社会发展对人才的要求。
关键字电能质量分析与控制;教学改革;研究生课程
基金项目2018年河南省科技厅科技攻关项目,大功率微网储能变流器关键技术研究(编号:172102310569)。
作者介绍 王允建(1973-),男,山东省巨野县人,博士,河南理工大学电气工程与自动化学院副教授,硕士生导师,主要电网络的理论与教学研究;艾永乐(1963-),男,河南省辉县人,博士,河南理工大学电气工程与自动化学院教授,硕士生导师,主要从事电能质量检测和新能源发电的研究。 
【中图分类号】G643 【文献标识码】A   
 
 

1. 引言
近年来,随着培养规模的扩大和培养类型的增加及对科研创新能力的要求不断提高,单一的教学模式,滞后的课程内容和考核方式,已成为提高研究生素质培养的制约因素。按传统模式培养难以达到培养研究生目标的要求,难以适应社会需求。
社会的发展对研究生的综合素质提出了更高的要求。而课程学习对夯实基础,培养学生综合素质至关重要。《电能质量分析与控制》是电气工程专业硕士研究生的重要课程,旨在使学生对电能质量有一个全面的认识和掌握,高度重视电能质量下降对供用电系统运行的危害与影响,并能够利用科学方法和手段,发现、分析、解决电能质量面临的新问题。课程特点是标准多、理论多,且书本内容滞后于实际,与同时代的科技水准相比,存在较大差距。在电力工程飞速发现的今天,现场最先进的技术和设备不会及时的出现在高校教科书中,课程实验资源十分有限,将最前沿的应用技术转化为课程实验项目,更是遥不可及的。《电能质量分析与控制》的学习必须理论结合实际,以高等数学作为理论分析基础,以解决实际电能质量问题为目的[1]。单一的理论教学对学生能力的培养作用有限,学生的学习兴趣不高,学后不会用。针对上述问题,结合笔者多年研究生教学和培养经验和河南理工大学硕士研究生《电能质量分析与控制》开设情况,从教学内容、教学方式和考核机制上进行改革,提高教学水平、激发学生的学习兴趣和积极性,从而提高教学效果,培养学生的创新思维,以适应社会对人才的需要。
 
2.教学内容的改革
《电能质量分析与控制》课程主要涉及电力系统中电能质量问题的起因、特性、检测和处理方法,内容包括传统电能质量分析与改善措施,现代电能质量控制原理与应用,电能质量评估指标和方法等。目前,该课程的教学内容主要依靠教材,内容陈旧,出现所学知识与社会发展脱节。随着科技的迅猛发展,电力电子产品的使用在社会经济活动中日益增多,尤其是工矿企业为提高生产效率、节约能源和减小环境污染而采用的现代化电力电子设备,这些现代化的电力电子设备又带来新电能质量问题,并成为电能质量问题的主要来源。而且随着电力行业深化改革,发电与输配电体制分离、电能按质按量论价、电网已经实行商业化运营与市场交易。对于供电企业,必须最大限度地满足用户对用电量的需求以及对不同电能形态变换的需要,对于用电企业非常迫切的需求了解供电的电能质量。现代化的电力电子设备带来新电能质量问题,由此而产生了电能质量的测试、分析与治理新理论和新技术,不能及时反映在教材中。如何在有限的教学时间内,通过引入新的或前沿知识,开拓学生视野,培养其创新意识,提高科研能力,具有一定的挑战。
因此,在教学中除教课书的内容教学以外,需要添加一些最新发展的新理论和新技术。教材为纲,添加新知识点和新技术才是挂在纲上的网,用点结网,以适应当前社会科学技术的发展和国家对培养人才的需求。
将最新前沿科技文献应用于教学。针对某个具体的电能质量问题,查找国外高质量优秀硕博论文,如《Correcting Current Imbalances in Three-Phase Four-Wire Distribution Systems》和《Analysis of the propagation of voltage fluctuations created by electric arc furnaces》等英文文献用于教学。将这些文献发给学生,要求学生认真阅读并追溯问题来源,与探究式学习相结合,教学讲解难点和处理问题的思路与技巧,有利于学生掌握最新科技前沿和科研动态,提高学生对电能质量问题的认识,培养学生的学习兴趣。
在教学中适当引入教师正在进行的研究课题[2]。如某企业经常发生断路器无故跳闸和烧电机现象,怀疑是电网谐波超标,介绍针对该电网如何布置测量点,使用了哪些仪器,如何处理测量数据等这类学生以后可能从事的工作,提高学生的学习兴趣,了解处理问题的方法思路。
以教材内容为主干,补充电能质量分析与提高的最新成果。学生既能了解行业最新动态,又能学以致用,兴趣浓热情高。
 
3 教学方式的改革
 虽然教育界探讨和采用了多种形式的授课方式,但在实际授课的过程中仍普遍使用的是“满堂灌”授课方法。这种教师讲授为主、学生被动接收的方式,学生缺乏主动性和积极性,思想消极被动,缺乏探索精神,创新力不足。
在《电能质量分析与控制》课程的教学方式上,采用双语教学、研讨式教学、启发式教学,营造开放的教学环境,引导学生自主学习、探究学习和研讨学习,并增强实践教学,有利于提高教学质量。
3.1 双语教学
采用双语教学提高学生研读文献的能力[3]。有针对性的节选 IEEE、IEL、Elsevier、Springer等数据库期刊中英文原版论文,如《Analysis and Design of New Harmonic Mitigation Approaches》、《Synchrophasor Sensing and Processing based Smart Grid Security Assessment for Renewable Energy Integration》、《Fault location identification in smart distribution networks with distributed generation》等用于教学。将这些文献发给学生,要求学生认真阅读并追溯问题来源,与探究式学习相结合,了解为什么要研究,如何研究,研究成果是什么,并试着评述研究成果,提交阅读报告(英文)。对于难懂的科研文献,教师以1篇或2篇文献为例,讲解该文献的研究是针对什么问题,如何解决,并评述其研究成果的优点和缺点,引导学生思考如果他面临同样的问题如何解决,并让学生按照该思路阅读其他新的文献并提交文献阅读报告。学生掌握了阅读技巧,阅读速度也会大幅度提高,阅读量也会明显增加,可在短时间内,阅读大量参考文献,效果十分显著。
通过前沿科技论文阅读,把握关键问题,有意目的的训练,学生既较好地学习和把握了《电能质量分析与控制》这门课,又提高了综合素质。
3.2 Seminar研讨
在教学过程中,从问题的基础理论出发,层层深化,逐步解决问题。同时注意设立专题,进行专题讨论,即采用Seminar研讨教学。例如在学习无功补偿的形式时,课前将任务布置给学生,让学生查找相关资料,上课时让学生以研究者身份,围绕针对什么问题、如何解决、效果如何等分组讨论,研讨性地表达自己的见解。以学生探讨为主,双向或多向交流,教师需要确保每位学生的参与。这种方式就是让学生明确问题是什么,思考解决问题的方法,引导学生正确评价已有成果,提出质疑,挑战权威,增强自信。这样做一方面可培养学生的自主获取知识的能力,另一方面可引导学生的创新思维,同时也活跃了课堂气氛。Seminar研讨教学的实施更多的是促进和提升了研究生独立学习、独立思考的能力,促进创新能力的发展,促进研究生对相关知识的系统掌握。
3.3 探究学习
学生以探究式的方式学习。对于《电能质量分析与控制》的学习,仅仅依靠老师讲解,还远远不够,对于较难的知识点,让学生以研究者身份,收集资料,研判知识点之间的联系,师生之间研讨、同学之间研讨,建立探究式学习机制更利于掌握。在教学过程中,当发现学生不易掌握的共性问题时,需要灵活地采用探究式教学法,要从问题的基础理论出发,学生整理相关资料,把课堂当擂台,相互探讨,层层深化,逐步将问题解决。一开始学生当然无从下手,不主动、不积极,课堂上不敢发言更不会发言,这就要引导学生查资料,总结与提炼知识点。撰写发言提纲,鼓励学生踊跃发言。随着教学的深入开展,学生会在课堂上踊跃地参与讨论。通过探究式学习完成这门课的部分内容,使学生获益匪浅。
3.4 实践教学
全日制工程硕士研究生培养定位在于培养区域社会发展与经济发展所需要的高素质工程实践、创新型高端管理人才,为国家发展做贡献。全国工程专业学位研究生教育指导委员会制定的《全日制工程硕士专业学位基本要求》中明确规定工程硕士研究生需要接受实践训练,并强调“实践形式可以多样化,实践时间不少于半年”、“实践类学分占总学分20%左右”等具体要求。实习实践是全日制工程硕士研究生培养的关键环节之一。以实习为主导的实践方式,能够有效地提升学习效果。
在《电能质量分析与控制》课程学习过程中,许多电能质量问题常与新能源发电并网有关。大量光伏发电并网产生了电能质量新问题诸如谐波、电压波动、闪变等,影响有功及无功潮流、频率控制等。这些与光伏发电相关的电能质量问题,在课堂上学生难以有直观认识和深刻理解。因此,安排学生去光伏电站进行参观学习,可以深化学生对新能源发电并网所带来问题的认识。通过参观和现场工程技术人员交流,了解其运行过程,增强对变压器,逆变器、无功补偿装置等相关设备及其控制系统的认识了解,为在将来的工作打下基础。
利用我校的电气工程专业学位研究生实践基地,设计与开发开放性实验项目,创造学生动手与实践机会,实现理论教学与实验教学并重,改变了长期该课程仅仅靠理论教学完成的被动地位,使学生能够活学活用,通过一系列实验使同学们更加透彻的认识到理论知识。其中课程实验项目主要有SVPWM观察实验、并网逆变器锁相实验、电流谐波成分检测实验、电流谐波、无功成分检测实验、负载电流谐波补偿实验和负载电流谐波、无功补偿实验等。
谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行,给同一线路的线性负载和其它用户带来了极大影响。谐波已与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。通过所选取的关于电能质量的几个代表性实验,使同学们更直观的了解非线性电力装置设备产生大量畸变的电流谐波,畸变电流在线路中的流动导致了谐波电压。通过实验,学生理解了谐波产生的原理,感悟到消除供配电系统中的高次谐波问题,对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。实验中,通过对加装谐波滤波器前后的实测数据对比,学生对抑制谐波、解决谐波产生的问题有了深刻的认识。实物实验测试和MATLAB仿真并用,学生对两种实验验证手段获得的数据通过对比,分析误差产生的原因,经过反复思考、改进实验电路和测试工具和方法,不仅能写出一篇收获感颇丰的实验报告,而且将此实验报告经过加工,还会转变成一篇不错的小论文。
带着问题去做实验,查找文献,设计某些实验,体会如何解决问题。这一教学方式的实施促进和提升了研究生独立学习、独立思考的能力,促进创新能力的发展,从而进一步提高了我校研究生培养的质量。
4 考核机制的改革
课程的考核方式对学生的学习具有导向性。研究生教育要培养的是科研创新能力,仅仅以一场考试的结果难以评价该能力。为了更好的评价学生的能力,我们采用综合评价方式,包括专题讨论的表现(5%),研讨报告(10%),文献阅读报告(15%),实验(20%)和期末考核(50%),并注重实验的设计与开发能力,如果有创新可获得额外加分[4]。研究生以自学为主,教材内容基本通过自学完成,教师主要讲解基本理论和难点及处理问题的思路,根据Seminar研讨时的表现进行评价,主要考察研究生对基本理论的掌握和理解。双语教学和探究式学习根据文献阅读报告和专题研究报告进行评价,文献阅读主要考察研究生的文献综述能力,发现问题的能力,探究式学习主要考察研究生的解决问题的能力,同时通过撰写报告培养研究生的写作能力。实践教学主要考察研究生的理解能力和动手能力,同时培养研究发现问题和解决工程实际问题的能力。通过考核方式的导向性改变,促进学生主动学习,在掌握《电能质量分析与控制》基础知识理论的同时,结合自己的研究方向,通过文献阅读、学术交流与研讨,提升学生科研创新能力。
总之,通过《电能质量分析与控制》课程的教学改革,(1)学习观念得到进一步的更新。通过多元化的互动式教学,内容丰富,形式多样,学生既有概念上的巩固,也有理论上的提高。(2)训练思维,提高能力。通过问题探究式教学,学生掌握了如何发现问题和寻找解决问题的方法,做到学思结合,解决学习中的瓶颈问题,形成创新性思维并付诸实践。这样一来,不仅使研究生对《电能质量分析与控制》有了深刻的认识,也大大提高了学生对电气工程学科的理论素养,提高了研究生的专业素质,为满足社会发展对研究生人才的要求打下良好基础。参加该课程学习的许多学生在近两年全国研究生电子设计竞赛中曾获区域二等奖8项,一等奖3项。
参考文献
[1] 王书征,李现允.浅谈电气工程专业学位硕士的校企联合培养与实践[J].科技视界,2018,(31):98-99+66.
[2] 李春艳,李勇飞,易兰花,等.研究生课程“光分析化学”教学改革探索[J].教育教学论坛,2020(50):172-173
[3] 钟伟,李冲,方记文. “现代气动技术理论与实践”双语课程教学改革探索[J]. 科教导刊, 2020(32):111-112.
[4] 刘建勋, 李章兵. 教学研究型高校的计算机类专业教学改革探析[J]. 当代教育理论与实践, 2017(10):35-39.
 
Reform of Course of power quality analysis and control for Postgraduates
Wang Yunjian , AI Yongle
(Henan Jiaozuo 454000, College of electrical engineering and automation, Henan University of Technology)
Abstract: Power Quality Analysis and Control is one of the required courses for postgraduates majoring in electrical engineering. In order to improve the teaching quality and cultivate the students’ innovative ability, based on years of teaching practice, introduced some recent research results and foreign excellent master and doctoral papers in the field of power quality, bilingual teaching, seminar teaching and a more comprehensive assessment method, etc., some reform practices have been carried out from three aspects of teaching content, teaching method and examination mechanism. Through the reform of ‘Power Quality Analysis and Control’ course, the teaching effect of postgraduate courses and students’ ability of scientific research and innovation can be improved comprehensively, so as to better adapt to the requirements of social development for talents.
Keywords: Power Quality Analysis and Control; teaching reform; graduate program