基于OBE理念的电力系统分析实验教学改革与探索

蔡新红 岑红蕾 王洪坤

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

摘 要 电力系统分析实验是电气工程专业独立设置的实践教学环节。将OBE理念引入该课程教学，开展以学生为中心的实验教学课程改革与探索，建立电力系统分析实验教学体系构架，从实验室建设、教学文件规范、教学活动设计及完善考核评价机制等方面展开，对该专业其他实验课程改革与探索具有一定的借鉴意义。

关键词 电气工程专业；电力系统分析实验；OBE理念；实验室；实验教学；仿真实验

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）04-0131-03

0 引言

电力系统分析包括电力系统分析（一）和电力系统分析（二）两门课程，主要内容为电力系统稳态分析和暂态分析，是电气工程的专业核心课，具有实践性强、与工程实际联系紧密等特点[1]。随着我国电力事业的迅猛发展，光伏、风电等清洁能源及交直流输电新技术不断被应用到电力系统领域，如何有效结合电力系统发展现状开展本课程的实践教学，是摆在专业课程组教师面前亟待解决的问题。

石河子大学电气工程及其自动化专业自2019年初开始有序推进工程教育专业认证工作，在新的本科人才培养方案中将电力系统分析实验独立设课，共16学时，在第七学期开设，主要目的是培养学生的实际操作能力及分析、解决复杂电气工程问题的能力，为后续专业课程、课程设计及毕业设计等教学环节打好实践基础。

学习产出导向教育（Outcomes-Based Educa-tion，OBE）理念是工程教育专业认证三个基本理念之一[2]。在电力系统分析实验教学活动中引入OBE理念，通过物理实验平台和软件相结合的方式拓展电力系统分析课程的实验教学，开展以学生为中心的实验教学课程改革与探索，进一步推动电力系统分析理论教学改革。

1 实验教学体系构建

电力系统分析实验是独立设置的实践教学环节，该课程要求学生在掌握电力系统的基本原理及分析方法的基础上，熟练掌握电力系统潮流和短路电流的计算机算法，为后续专业课学习、发电厂一次部分设计及毕业设计等打好扎实的实践基础。通过该课程的学习，学生可以深入理解电力系统分析的理论知识，具有分析、解决复杂工程问题的能力，培养学生的工程实践能力、职业素养、职业规范及职业道德，是电气工程专业实践教学体系中不可或缺的一个重要环节。

针对电力系统分析课程核心内容，课程组基于OBE理念，从实验教学文件、实验项目设计及实验内容等方面进行详细规划，构建图1所示电力系统分析实验教学体系，硬件和软件相关的实验项目设计详见图1。

2 实验教学改革思路

2.1 实验室建设

基于电气工程专业工程教育专业认证工作的需求，石河子大学陆续建成电力系统综合实验室、电力系统仿真实验室和新能源微电网实验室等多个专业实验室。其中，电力系统综合实验室包括武汉华大电力自动技术有限责任公司研制的五台WDT-ⅢC型电力系统综合自动化试验装置及一台PS-7G电力系统微机监控试验装置，能将五个试验台联接成一个复杂的电力系统，实现电力系统检测、控制、监视、保护、调度的自动化，全面反映电力系统的全过程[3]。该配置不但能够适应新的实验课程设置，还有利于提高学生创新思维能力与实践技能的培养。

电力系统仿真实验室和新能源微电网实验室装有MATLAB和EMTDC/PSCAD仿真软件，同时配备具有三维效果的发电厂、变电所仿真软件及新能源微电网实验中所需的一些软、硬件设施，不但能满足电气专业本科学生的实验、实训，还能满足电气工程学科研究生仿真实验的物理验证。新建的电力系统综合实验室兼具系统性和综合性的特点，可以给电气工程专业学生进行电力系统分析实验、电力系统综合课程设计、毕业设计及科学研究创造良好的硬件条件和软件条件，为学生毕业后从事与电气领域相关的理论研究、设计及运维工作打下必要的实践基础。

2.2 规范实验教学文件

课程组教师和实验指导教师就实验教学大纲和实验教学项目设计进行多次研讨，集体撰写实验教学大纲，编写电力系统实验指导书及仿真实验指导教程，实现实验教学文件的规范化。

2.2.1 教学大纲制订 教学大纲首先明确该课程的教学目标以及课程目标与毕业要求指标点的支撑关系，在设计实验项目时充分考虑硬件实验条件与仿真软件资源，将验证性实验与综合设计性实验搭配组合，以提高实验项目的全面性和系统性。具体教学目标为：通过实验教学，让学生深入理解电力系统的结构和各种工作状态，掌握电力系统中主要元件（如发电机、变压器）的物理特性和数学模型，以及电力系统分析计算的基本方法，为以后研究现代电力系统打下良好的实践功底；培养学生的工程素养，提升学生分析和解决复杂工程问题的能力，让学生能够将现有的电力系统物理实验平台和仿真软件相结合，完成基础性实验及综合设计性实验，对比实验数据和结果，解释实验和理论模型结果差异，得到合理有效的结论。

2.2.2 实验指导书编写 实验教学内容的安排以课程的教学目标为导向，按照以学生为中心的教育理念，采用基于问题的硬件和软件相结合的混合式教学方式，主要围绕物理模拟平台的实验教学和软件仿真平台的实验教学全方位立体式展开。物理模拟平台实验项目的设置旨在加深学生对电力系统全过程的理解，深刻体会电力系统有功功率与频率调节及无功功率与电压调节这些工程概念，培养学生的工程意识及综合运用所学专业知识分析、解决实际工程问题的能力。物理模拟实验平台开设的实验有同步发电机的准同期并列、励磁控制及与无穷大系统并网后稳态运行等一系列实验。

2.2.3 仿真实验指导教程编写 仿真实验项目主要培养学生对知识的理解与运用能力、采用现代工具和科学的方法进行研究的能力。电力系统仿真实验指导教程首先简介仿真软件的基本操作方法及软件的基本功能，如数据库、图形编辑和系统接线图的编辑等内容[4]；其次，介绍建模及仿真流

程；最后是仿真实验项目。

课程组将PSCAD和MATLAB软件引入电力系统潮流计算、短路计算及新能源、交直流输配电系统的稳态、暂态分析中，要求学生根据实验内容，建立3～5人的实验小组，每组自行设计系统拓扑结构方案，采用PSCAD/EMTDC（或MATLAB/Simulink）

搭建电力系统仿真模型，并根据电力系统理论知识设置仿真模块中的各项等值参数，如同步电机模块、直流电源模块、输电线路模块、故障模块和测量模块等。进行电力系统稳态及故障暂态时频域仿真分析实验，对各项实验数据进行分析和解释，给出有效结论，并撰写实验报告。

基于PSCAD和MATLAB的仿真实验克服了电力系统高电压等级不便于实物仿真的缺点，具有建模方法简单、参数调整方便、结果可视性好的特点，不但能加深学生对专业理论知识的理解，还可激发学生自主学习的兴趣及创新意识，有助于提高学生的动手能力和创造力。

2.3 实验教学活动设计

基于学生在学习中的主体地位，在授课过程中设计不同的工程场景。比如让学生假想自己是一位现场工作人员，正在进行某发电厂或变电所电气值班运行，在接到调度指令改变运行方式时一般要遵循哪些操作原则，会考虑哪些细节，需要用到哪些分析和计算等，调动学生主动思考，建立系统的观点，树立工程意识。具体教学活动设计从以下三个方面展开。

2.3.1 课前引导 为了巩固和加深理解前期所学的电力系统分析理论知识，教师提出实践环节的总体要求和目标，让学生根据教师安排的实验项目任务及要求，预习实验内容，3～5人组成一个实验小组，以小组为单位讨论并完成实验方案的设计，分工协作完成后期的模型搭建、数据汇总和文档编辑，有效加强团队意识及互助合作精神。

2.3.2 课中辅导 在实验过程中，以构建学生的自主参与学习氛围为主导，教师向学生准确传达实验目标、要求及实验行为准则，培养学生的责任心。首先，教师针对不同实验项目的内容，凝练其中的思政元素，在讲解实验难点及操作规范的过程中巧妙地融入思政元素，培养学生的职业素养；其次，巡视各实验小组学生实验操作的规范性，针对实验操作和仿真调试过程中出现的异常现象，一般不直接给出答案，而是启发学生思考的角度，引导他们综合运用所学理论知识分析出现该现象的原因，以培养学生的专业素养、职业规范及分析解决实际工程问题的能力。

2.3.3 课后交流 在实验结束后，首先由各小组学生根据之前的分工，归纳整理实验数据，分析结论的有效性，并撰写实验报告，以小组形式提交；其次，教师组织各小组学生进行相互学习交流和讨论，归纳知识点并总结相关结论，激发和引导学生去发现问题，并能运用所学知识分析和解决问题；最后，涉及与课程相关的新理论和新技术，教师提供文献资料的查阅方法，并与学生积极交流，启发学生关注学科发展及前沿动态，以培养学生的创新意识和探究能力。

2.4 完善考核评价机制

在考核评价方面，本实验课程考核包括平时综合成绩和实验报告成绩两个部分。

平时综合成绩占比45%，主要考核学生对电力系统的稳态特性和暂态特性的掌握程度，能正确使用电力系统综合实验设备及仿真软件，在保证安全的前提条件下进行实验，并能够实时收集有效实验数据。平时综合考核包括考勤、预习报告完成情况、安全操作及实验中参与讨论的情况，每部分根据主次分配不同的权重。其中，考勤采用只扣分不加分的方式计入平时成绩，不参与达成度计算；预习报告占比20%；安全操作占比25%；实验参与讨论采用只加分不扣分的方式计入平时成绩，不参与达成度计算。

实验报告成绩占总成绩的55%，主要考核学生对课程目标的达成情况，如实验中问题分析、实验数据的处理、误差分析以及结论是否有效等。

为实现学习全过程的科学评价，课程组十分重视学生学习过程的评价与反馈，定期发放调查问卷了解学生的学习感受及对实验课程的学习和掌握情况，对课程目标达成度认真细致地进行分析，及时发现问题。通过总结和反思，调整教学内容及教学模式，提出下一年度改进计划和措施，实现教学效果的持续闭环改进。

3 结束语

石河子大学电气工程及其自动化专业将专业工程认证的OBE理念应用至电力系统分析的实验课程教学中，开展以学生为中心的实验教学探索，关注学生学习活动氛围的创设，把学生的学习和发展作为教学的首要事项，通过精心设计课程实施大纲和教学活动，提高学生对专业课实验的兴趣，增强学生的创新意识。以培养学生分析解决实际工程问题能力为出发点，通过综合设计性实验项目的设置，弥补高电压、大容量电力系统运行特性分析无法在物理平台实验的缺点，提高学生对电气工程领域复杂工程问题进行模拟和预测的能力，不但有助于学生研究能力的培养，而且可以开阔学生的眼界，对提高学生工程素养及其他实践课程的建设与改革，具有一定的实用价值和借鉴意义。

参考文献

[1] 郝亮亮，吴俊勇，夏明超.“电力系统分析”实践教

学模式的探索与改革[J].电气电子教学学报，2020，

42（3）：144-147．

[2] 罗平，杭丽君，尹克，等.基于OBE理念的电力系统

分析课程教学模式改革[J].教育教学论坛，2020（9）：

127-128．

[3] 杨德先，陆继明.电力系统综合实验：原理与指导

[M].北京：机械工业出版社，2004．

[4] 黄肇，王晓芳，唐杰.《电力系统分析》实践环节教

学的改革与实践[J].中国电力教育，2008（3）：107-108.

*项目来源：石河子大学教育教学改革项目“基于‘OBE理念的《电力系统分析》实践教学改革与探索”（项目编号：JGY2020-10）。

作者：蔡新红，石河子大学机械电气工程学院，副教授，研究方向为电力系统分析与控制；岑红蕾，石河子大学机械电气工程学院，副教授，研究方向为电气自动化；王洪坤，石河子大学机械电气工程学院，副教授，研究方向为电力系统继电保护（832000）。