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摘要： 本文探讨了 “人工智能 + 虚拟仿真” 技术在电力系统继电保护课程实验教学中的应用。以电力系统继电保护实验为例，分析了传统实验存在的问题，阐述了以人工智能+虚拟仿真两者技术融合的优势。研究表明，“人工智能 + 虚拟仿真”以图谱化、形像化和智能化的方式展现在电力系统继电保护课程实验教学，能够激发学生学习和探索实验的兴趣，培养学生从“学知识”向“强能力”的转变。

关键词：人工智能；虚拟仿真；电力系统继电保护；实验教学

0引言

在新工科建设的框架下，面对新一轮科技革命与产业变革的挑战，各地高校以加入国际工程教育认证组织作为关键转折点，结合自身学科特点开始了工程教育新模式的探索。其中，实验教学在高等教育中扮演着不可或缺的角色，它不仅是理论知识与实践技能结合的重要桥梁，也是培养学生创新能力和综合素质的关键途径。

电力系统继电保护这门课是电气工程及其自动专业十分重要的专业课程，被称为电气工程领域的“四大天书”之一，该课程的实验部分对于理解电力系统继电保护这门课程起到了至关重要的作用。随着科技的飞速发展和产业的不断升级，如何优化电力系统继电保护实验课程，提高教学质量，培养出具有较强工程实践能力和创新能力的专业人才，是当前亟待解决的问题。然而，传统实验教学面临诸多挑战，如实验设备昂贵，更新换代慢、实验内容单一，缺乏灵活性、实验场地受限、故障设置复杂且危险性高、难以开展大规模综合性实验等。随着人工智能与虚拟仿真技术的快速发展，将二者融合应用于电力系统继电保护课程实验教学成为解决传统教学困境、提升教学效果的有效途径。

本文分析了当前传统电力系统继电保护实验教学过程中存在的不足，并基于国际工程认证背景下，融入了人工智能和虚拟仿真技术，丰富了电力系统继电保护的多样性，为学生构建一种图谱化、形象化和智能化的新型电力系统继电保护的实验教学模式。

1电力系统继电保护课程实验改革的必要性

电力系统继电保护课程的实验部分操作性强，扮演着不可替代的位置，是学生未来工作的实践基础。但目前的电力系统继电保护实验还存在一些的问题，主要包括一下几点：

1.1实验设备与场地限制

以我校电气工程及其自动化专业为例，”电力系统继电保护“这门实验课程一般为8学时，采用的授课方式为传统教师“指导式”的讲课方式，学生通过教师的讲解和演示，按照实验指导书上的电路图在实验设备上进行连线。这样的方式虽然也锻炼了学生的动手接线的能力，但由于这些设备价格昂贵、体积庞大，学校需要投入大量资金购置和维护，且占用较大的实验室空间。这导致实验设备数量有限，学生在进行实验的过程中只能分组完成实验，继而出现部分学生在进行实验的过程中不参与或者参与度低的现象。并且该课程所开设的实验项目也是仅对三段电流保护、重合闸保护等原理的验证，对于综合性、设计性和创新性的实验无法满足。在当今信息爆发、科技飞速发展的时代，这些基础的实验不能激发学生的兴趣，提高学生的创新能力，学生上课也只是为了得到相应的成绩，长此以往，最终导致实践技能训练不足。无法充分体现当前应用创新型人才的培养目标，也不符合工程教育的认证要求。

1.2实验安全性问题

电力系统继电保护课程的实验项目会涉及电动机、继电器和重合闸等机器设备，按照不同的实验要求，在进行短路保护实验法人过程中，可能会引起电压过高、电流过大等电气参数的瞬间变化。学生在进行故障模拟和设备操作时，存在一定的安全风险。一旦学生操作不当，可能引发电气事故，对学生人身安全和实验设备造成损害。由于电力系统继电保护这门实验课程需要在380V的电压下进行实验，这使得教师在实验教学过程中必须时刻和学生强调安全注意事项，在一定程度上限制了学生的自主探索和实践创新的能力。

1.3实验灵活性与可扩展性差

对于传统实验设备昂贵、体积庞大，功能相对固定的特点，难以根据不同年级不同专业的学生的教学需求灵活调整实验内容和参数。对于一些复杂的电力系统故障场景和新型继电保护算法，难以在现有实验设备上进行模拟和验证。此外，传统实验教学基本上都是满足一个实验对应一个知识点，难以实现与其他相关课程或领域知识点进行有效融合与拓展，对于学生培养培综合应用能力和创新思维有很大的局限。

1.4 考核评价机制不合理

在电力系统继电保护实验教学中，考核机制的不合理性已经成为制约教学质量提升的一个重要因素。传统的实验考核体系往往重视表层现象，未能全面反映学生的实际能力与学习成效。目前就我校专业实验课程而言，当前多数实验课成绩均由考勤成绩、实验操作成绩和实验报告成绩这三部分组成。其中考勤成绩只关注学生是否来上课，学生在实验课堂上的参与度和学习态度并没有在其考虑的范围之内。其次，实验操作成绩也仅仅由是否接对实验线路、是否完成对实验现象的观察构成，忽视了学生在实验课堂上的是否真正的掌握本实验项目的原理，而且由于每组实验人数过多，有些学生还存在抄袭其他组的情况，教师没有发现等问题存在。这种考核方式无法有效激励学生积极参与实验活动，也无法体现学生在实验过程中的互动和协作能力。最后，实验报告在实验成绩中所占权重过大，这导致学生将过多的精力投入到报告的撰写上，而忽视了实验操作的重要性。目前的评价体系主要基于实验的完成情况，而对于实验过程中学生的参与程度和遇到问题时的应急处理能力缺乏有效的评价。长此以往，这种考核方式慢慢的会让学生只在乎实验成绩，对于实验过程中的学习与探索置若罔闻。

2电力系统继电保护实验教学改革

2.1融入“人工智能+虚拟仿真”技术

在电力系统继电保护实验课程中融入虚拟仿真技术，可以构建高度逼真的电力系统模型，涵盖各种电力元件、不同电压等级的电网结构以及多种类型的故障情况。融入人工智能技术，实现了以学生为中心的目标导向，因材施教，根据不同学生的教学需求和学习进度，智能生成多样化的实验场景和参数设置，大大丰富了实验资源，使学生能够接触到更广泛、更复杂的继电保护实际应用案例，拓宽学生视野，加深对知识的理解。

依据我校电气工程及其自动化专业毕业要求支撑点，建立具备电气工程及其控制的专业基础知识、具备解决电气系统分析、设计、试验中的复杂工程问题、具沟通交流团队协作能力的课程预期学习成果：

（1）了解电力系统继电保护的发展概况、技术动向和新的应用领域。

（2）掌握常规继电保护的工作原理及其组成，例如常用的三段式电流保护、距离保护、输电线路纵联保护、自动重合闸、变压器保护和发电机保护等。

（3）能够根据实验要求设计实验方案，独立完成实验操作，并准确记录实验数据。能够对实验过程中出现的问题进行分析，并提出合理的解决方案，具有一定的分析电路实验和调试能力。

（4）实验过程中具备沟通交流及团队协作能力，能给按照规范要求撰写结构清晰、逻辑严谨的实验报告，具备精益求精的大国工匠精神。

2.2 建立多样化教学模式

根据新工科的教育理念，将实验教学的重心从传统的知识传授转向提升学生的创新能力、家国情怀及解决复杂工程问题的能力，将授课环节分为课前、课中、课后三部分。多样化教学模式如图1所示。

课前，基于人工智能+虚拟仿真技术在实验课程中的应用，学生可在任何时间任何地点进行本课程实验所需相关资源。将相应实验预习课件及实验演示以视频等多媒体方式展现，也可以搜集实验案例视频，建立线上实验室平台，使学生能够了解本课程实验的主要内容，让学生有充足时间提前预习，在实验操作过程中遇到问题能够及时去查看相关的知识点，以提高实验效率。同时，实验室老师应引导学生下载Matlab/Psim等电气领域相关仿真软件，可以根据现阶段所学知识通过课前布置仿真作业的方式，进行自主学习设计，加强学生对实验现象的深刻理解。

课中，针对新工科发展趋势，着眼于培养学生解决实际问题的能力，课程过程中要涵盖用电安全知识教育、基本实验原理讲解、实验平台操作讲解、关键问题提出、反思总结等五大方面。同时在讲授过程中要融入课程思政部分，培养学生热枕报国的家国情怀和精益求精的工匠精神。

课后，鼓励学生积极参与和电力电子有关竞赛，通过竞赛激励的方式实现学生对知识从基本认识到正确掌握的基础上、进一步转变为从正确掌握到合理应用的个人能力范畴，让学生们对所学知识通过兴趣的激发得到沉淀与提高。

虚拟仿真实验在虚拟环境中进行，学生可以在无风险的情况下自由进行各种故障模拟、保护装置操作和调试，即使出现错误操作也不会对人身和设备造成实际损害。

2.3 采用多元化评价体系

利用人工智能+虚拟仿真技术制定电力系统继电保护实验课程多元化客观、合理的评价体系。对于知识的应用、能力的提升、素质的培养等方面进行过程性评价、形成性评价和标准性评价。该评价体系主要包含以下几个方面：

过程性评价占30%，在实验过程中教师不仅要关注学生的实验结果，还应注重实验过程，学生利用人工智能+虚拟仿真建立本实验课程的教学平台，在实验前通过该模块自主学习实验相关知识和技能，了解实验目的、步骤和注意事项，为实际实验操作做好充分准备。平台还可以方便地与其他课程教学资源或在线学习平台进行整合，实现多学科知识融合与共享，提升实验教学的灵活性和扩展性。

形成性评价占30%，实验结束后，教师可以对学生的实验数据进行深入分析，包括对继电保护装置动作准确性、快速性的评价，对学生故障诊断和处理能力的评估，以及对学生实验操作过程的规范性分析等。同时，平台还可以将学生的实验结果与历史数据或标准数据进行对比，生成详细的实验报告和成绩评价，为教师了解学生学习情况和教学效果提供客观依据。设计开放性问题，鼓励学生思考并表达自己的想法，进行多次评价，及时予以反馈，帮助学生改进。

标准性评价占40%，针对实验报告内容或综合性开放性实验内容进行评价，针对实验报告的规范性、数据分析的合理性、波形记录的准确性等方面进行。

结束语

在进行实验室的改革与实践过程中，利用“人工智能 + 虚拟仿真” 技术能有效解决传统实验教学中存在的设备与场地限制、安全风险高、灵活性差等问题。在实践操作能力方面，学生能够更加熟练地掌握继电保护装置的调试和故障处理技能，操作失误率显著降低；在课程知识理解程度上，学生对继电保护原理、特性及应用等知识的掌握更加深入和全面，能够灵活运用所学知识解决实际问题；在创新思维能力方面，学生在拓展创新实验中表现出更强的创造力和探索精神。智能与虚拟仿真技术在实验教学中的深度融合，丰富了实验教学资源，挖掘出更加有效的教学方法和评价体系，以实现更好的教学效果。

参考文献

[1] 贺家李，李永丽、董新洲. 电力系统继电保护原理[M]. 5 版. 北京：中国电力出版社，2018.

[2] 汤三，胡冠中，武红玉. 基于虚拟仿真技术的实验教学方法研究与改革[J].许昌学院学报，2021.（40）：5.

[3] 赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：90-93.

[4] 于群，曹娜．电力系统继电保护原理及仿真［M］．北京： 机械工业出版社，2018．

[5] 贺霞．电力系统继电保护原理虚拟仿真实验教学研究［J］．教育现代化，2018，12（ 51） ： 242 243．

[6] 苏勋文，王笃亭，朱显辉. 基于虚拟仿真实验系统的电气工程专业教学改革与实践[J]. 江苏理工学院学报，2016， 22（4）： 90–93.