電氣工程及自動(dòng)化工程教育教學(xué)探究
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摘要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，工程教育的重要性逐步提高，同時(shí)工程教育畢業(yè)生理論與實(shí)踐相結(jié)合能力不足的問題也越來越凸顯。鑒于此，文章以電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科為例，采用定位學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域前沿工程、明確工程教育教學(xué)內(nèi)容以及建立“產(chǎn)學(xué)研”合作平臺(tái)來改進(jìn)工程教育的教學(xué)模式，以此進(jìn)一步提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。
關(guān)鍵詞：電氣工程及其自動(dòng)化；工程教育；教學(xué)模式；前沿工程；產(chǎn)學(xué)研
在推動(dòng)電氣工程技術(shù)的發(fā)展與工程問題的解決上，由電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科工程教育所培養(yǎng)的畢業(yè)生發(fā)揮了重要作用。電氣工程學(xué)科旨在培養(yǎng)能進(jìn)行電氣技術(shù)方面綜合開發(fā)和應(yīng)用的高素質(zhì)應(yīng)用型人才[1-4]。該學(xué)科是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科[5-7]，為了解決電氣生產(chǎn)與運(yùn)行當(dāng)中存在的復(fù)雜問題，以及提高電氣工程學(xué)科學(xué)生的素質(zhì)和水平，電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科工程教育應(yīng)運(yùn)而生。然而，隨著我國電力工程的不斷發(fā)展，在工程實(shí)際中，不僅電氣生產(chǎn)與運(yùn)行當(dāng)中產(chǎn)生的問題變得越來越復(fù)雜和難以解決[8-10]，而且電氣生產(chǎn)以及運(yùn)行的技術(shù)門檻也在不斷提高，這就對(duì)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力提出更高的要求。因此，如何使工程教育培養(yǎng)的學(xué)生具有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力變得尤為關(guān)鍵[11-14]。在電氣工程及其自動(dòng)化工程教育培養(yǎng)的研究上，李昂等以課程為重點(diǎn)探討了持續(xù)改進(jìn)的措施，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)作出了貢獻(xiàn)，但創(chuàng)新培養(yǎng)不是工程教育的主要目的。電氣工程及其自動(dòng)化工程教育教學(xué)內(nèi)容逐步與前沿技術(shù)相脫軌[15-18]，因此，有必要在教學(xué)內(nèi)容上予以改進(jìn)來提升工程教育培養(yǎng)質(zhì)量。“產(chǎn)學(xué)研”是一個(gè)很好的培養(yǎng)模式[19-25]，相較于單純?cè)谄髮?shí)習(xí)以及在校學(xué)習(xí)，該模式能夠讓學(xué)生將在課堂上學(xué)習(xí)得到的理論知識(shí)更好地應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，這不但能夠提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)重要性的認(rèn)識(shí)，而且能夠讓學(xué)生更好地接觸并了解到更為復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)問題，更好地提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力[26-30]。因此，為培養(yǎng)出具有較強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合能力的電氣工程及其自動(dòng)化工程教育畢業(yè)生，本文首先對(duì)電氣工程領(lǐng)域的前沿工程進(jìn)行了定位，并明確了教學(xué)內(nèi)容，其次引領(lǐng)學(xué)生參與高校科研項(xiàng)目，教授前沿工程領(lǐng)域的最新技術(shù)，最后結(jié)合“產(chǎn)學(xué)研”培養(yǎng)方法來改進(jìn)教學(xué)模式。
一、定位前沿工程，明確教學(xué)內(nèi)容
風(fēng)電是新能源發(fā)電領(lǐng)域的一個(gè)重要的方向。風(fēng)電技術(shù)中應(yīng)用了大量的電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識(shí)。相比于陸上風(fēng)能，海上風(fēng)能儲(chǔ)量更大，分布更廣，風(fēng)速也更加持久穩(wěn)定，風(fēng)電場(chǎng)向深遠(yuǎn)海域擴(kuò)展成為必然。全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量逐年增長，然而，由于內(nèi)陸以及近海風(fēng)場(chǎng)的開發(fā)逐步趨于飽和，因此，風(fēng)力發(fā)電有著逐漸從陸地走向海洋，從淺海走向深海域的趨勢(shì)。風(fēng)資源評(píng)估是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)性工作，其中風(fēng)能資源的長期變化直接關(guān)系到風(fēng)電開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益以及用電安全，而風(fēng)能資源長期變化的本質(zhì)是風(fēng)速變化。因此，風(fēng)速預(yù)測(cè)的精度不僅直接影響發(fā)電量的多少，而且影響國民生活和生產(chǎn)。可以預(yù)見，海上風(fēng)電場(chǎng)能夠高效、經(jīng)濟(jì)且穩(wěn)定發(fā)電的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確的風(fēng)資源評(píng)估。本文以深遠(yuǎn)海域風(fēng)資源評(píng)估前沿工程為例，將風(fēng)速預(yù)測(cè)作為教學(xué)內(nèi)容來開展教學(xué)與實(shí)踐，以期為其他前沿工程的教學(xué)應(yīng)用到電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科工程教育模式上提供參考。
二、參與科研，扎實(shí)理論
風(fēng)資源評(píng)估是風(fēng)電技術(shù)中的重要組成部分。目前，陸上與近海風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源評(píng)估精度不高，而深遠(yuǎn)海域風(fēng)資源評(píng)估的偏差更大。這一方面是由電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科在風(fēng)速預(yù)測(cè)技術(shù)上的落后而引起，另一方面是因?yàn)闆]有完全掌握哪種因素對(duì)風(fēng)速預(yù)測(cè)影響較大而導(dǎo)致。為此，在工程教育的教學(xué)模式上，筆者結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科特點(diǎn)，通過讓學(xué)生參與到深遠(yuǎn)海風(fēng)資源評(píng)估的科研項(xiàng)目當(dāng)中，使學(xué)生接觸并學(xué)習(xí)到最新的人工智能算法與理論知識(shí)，同時(shí)開展教學(xué)實(shí)例的學(xué)習(xí)，來鞏固學(xué)生的理論基礎(chǔ)。
（一）風(fēng)資源風(fēng)能分布的實(shí)踐
風(fēng)能分布是評(píng)價(jià)風(fēng)資源的一種重要指標(biāo)，風(fēng)能分布的情況可用于指導(dǎo)風(fēng)力機(jī)的選型、設(shè)計(jì)以及風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的排布。準(zhǔn)確地分析風(fēng)能分布有助于更加科學(xué)地設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)，可使風(fēng)電場(chǎng)保持電能輸出，從而進(jìn)一步提高受益，反之則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)效益下降與成本虧損的后果。圖1為上海蘆潮港地區(qū)2005年風(fēng)速與風(fēng)能分布情況。在課堂教學(xué)與科研中，對(duì)風(fēng)能分布的知識(shí)進(jìn)行講授和讓學(xué)生親自使用相關(guān)軟件以及方法得到結(jié)果，不但能夠使學(xué)生深入了解并熟悉風(fēng)速以及風(fēng)能分布的理論知識(shí)，而且能夠了解風(fēng)能分布如何應(yīng)用及該理論如何指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，同時(shí)又能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到該領(lǐng)域研究所使用的軟件以及相關(guān)技能。這不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能讓理論知識(shí)不再枯燥無味。
（二）風(fēng)速預(yù)測(cè)技術(shù)的實(shí)踐
風(fēng)速預(yù)測(cè)是電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。風(fēng)速預(yù)測(cè)技術(shù)不僅可為風(fēng)資源評(píng)估提供參考，而且可以為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、風(fēng)力機(jī)槳葉控制策略的制定提供支持，該技術(shù)的研究具有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，風(fēng)速預(yù)測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)較為不成熟的技術(shù)，同時(shí)，在風(fēng)速預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度上，無論是學(xué)術(shù)界還是企業(yè)界的成果都不甚理想。近年來，隨著人工智能的興起，部分人工智能模型被應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。因此，電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科的教學(xué)可圍繞如何利用人工智能算法來解決風(fēng)速預(yù)測(cè)精度不足的問題。圖2為利用粒子群算法（ParticleSwarmOptimization，PSO）、布谷鳥算法（CuckooSearchAlgorithm，CSA）以及其改進(jìn)的算法來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后開展的風(fēng)速預(yù)測(cè)曲線圖。通過該科研內(nèi)容與實(shí)例的教學(xué)，引起學(xué)生對(duì)風(fēng)速預(yù)測(cè)技術(shù)的興趣，這不僅可以讓學(xué)生了解與熟悉專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的最新技術(shù)，也可深入地培養(yǎng)學(xué)生在算法改進(jìn)方面的創(chuàng)新思維，如此可為培養(yǎng)優(yōu)秀的電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科工程教育畢業(yè)生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
三、“產(chǎn)學(xué)研”平臺(tái)提升理論與實(shí)踐結(jié)合能力
良好的理論是應(yīng)用的基礎(chǔ)，而“產(chǎn)學(xué)研”則是理論應(yīng)用于實(shí)踐的平臺(tái)。讓電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科的學(xué)生深入企業(yè)去熟悉與了解生產(chǎn)一線環(huán)境，通過將豐富的實(shí)踐與良好的教學(xué)有機(jī)結(jié)合，去發(fā)現(xiàn)并解決存在的問題，這不僅可使企業(yè)不斷攻克工程難題，也可鍛煉學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。在深遠(yuǎn)海域風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究方面，通過與企業(yè)開展“產(chǎn)學(xué)研”合作，目前已培養(yǎng)了本學(xué)科兩屆畢業(yè)生，獲得了用人單位的良好認(rèn)可，培養(yǎng)期間發(fā)表多篇論文并申請(qǐng)專利2項(xiàng)，為企業(yè)解決了多項(xiàng)技術(shù)瓶頸問題。由此可見，學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力在通過“產(chǎn)學(xué)研”平臺(tái)的鍛煉后得到了有力提升。
四、結(jié)語
本文以電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科工程教育為例，通過“產(chǎn)學(xué)研”平臺(tái)使得學(xué)生的能力得到了鍛煉，主要結(jié)論如下。1.在理論學(xué)習(xí)方面，將人工智能引入到解決工程問題當(dāng)中，并借助風(fēng)能分布與風(fēng)速預(yù)測(cè)兩個(gè)內(nèi)容的講授與實(shí)例實(shí)踐，一方面提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面鍛煉了學(xué)生在各方面的技能，筑牢了學(xué)生在風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。2.通過在“產(chǎn)學(xué)研”平臺(tái)的鍛煉，電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)科的學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)與了解到風(fēng)資源評(píng)估在生產(chǎn)實(shí)際中存在的問題，在為企業(yè)解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。3.本文的教學(xué)模式切實(shí)提升了本學(xué)科學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，不僅能為企業(yè)攻克技術(shù)難題提供一種合作途徑，而且與工程教育培養(yǎng)目標(biāo)一致，這可為其他學(xué)科在工程教育教學(xué)模式上進(jìn)行改進(jìn)提供參考。
作者:張建平 謝明 李海英 單位:上海理工大學(xué)
