電力系統(tǒng)災(zāi)變智慧教學(xué)研究

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摘要:近年來信息技術(shù)的快速發(fā)展不斷推動(dòng)著信息化教育的進(jìn)程，云教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)已成為目前和未來教學(xué)的基石和工具。為培養(yǎng)電氣工程學(xué)科應(yīng)用型人才，以信息化教育改革為契機(jī)，針對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式存在的問題將智慧教育和大數(shù)據(jù)平臺(tái)有機(jī)融合，構(gòu)建一個(gè)基于電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)智慧教育平臺(tái)，并基于平臺(tái)基礎(chǔ)上提出了三種創(chuàng)新智慧教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞:大數(shù)據(jù)平臺(tái);智慧教育;電力系統(tǒng)災(zāi)變教學(xué)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，云計(jì)算、泛在互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)的迅速普及，極大推動(dòng)了教育領(lǐng)域的創(chuàng)新改革，以信息化驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代化教育教學(xué)模式已經(jīng)上升到國(guó)家策略的高度。目前高校存在多種新型的教學(xué)模式，例如慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等［1～3］。他們共同的特點(diǎn)就是借助信息化教育環(huán)境，探索技術(shù)與教學(xué)的深度融合，讓教學(xué)更加智慧。智能終端的普及和現(xiàn)代通訊技術(shù)的快速發(fā)展，讓我們每個(gè)人都成為了互聯(lián)網(wǎng)中的一分子，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代正在邁向泛互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。云計(jì)算技術(shù)讓各種數(shù)據(jù)和社交信息的存儲(chǔ)變得簡(jiǎn)單，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)的貫通中誕生，為現(xiàn)實(shí)課題實(shí)現(xiàn)智慧教育提供了重要支撐，因此智慧教育在信息化技術(shù)在校園課堂中高度利用的必然產(chǎn)物，它賦予了比傳統(tǒng)教育更為豐富的內(nèi)涵和教學(xué)手段［4］。教育信息化的不斷發(fā)展，不僅給我們老師帶來了全新的教育形式也給同學(xué)們帶來了不一樣的學(xué)習(xí)方式，這無疑促進(jìn)教育改革。與傳統(tǒng)教育知識(shí)灌輸教育理論不同，智慧教育以數(shù)字資源為核心載體，更加注重學(xué)習(xí)者參與教育過程的師生互動(dòng)。學(xué)生不再僅僅是知識(shí)的被動(dòng)接收者，也是問題的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)者和解決方法的探索者。由于智慧教學(xué)模式尤其注重學(xué)生的自主能力和合作能力，所以智慧教學(xué)模式能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)云教育的優(yōu)勢(shì)

云教育將現(xiàn)代云計(jì)算技術(shù)有機(jī)的融入教育教學(xué)當(dāng)中，充分利用云計(jì)算技術(shù)大規(guī)模、擴(kuò)展性、可靠性、虛擬性等特征。大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過整合高校數(shù)據(jù)資源庫(kù)，通過云計(jì)算對(duì)各種教育資源進(jìn)行智能分類，為學(xué)習(xí)者提供豐富的教學(xué)資源。云教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)和傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。一是大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以利用計(jì)算能力根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)習(xí)慣智能匹配教學(xué)資源，幫助學(xué)習(xí)者制訂學(xué)習(xí)計(jì)劃等。二是云教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過與互聯(lián)網(wǎng)的連接給學(xué)生提供一個(gè)虛擬的課堂學(xué)習(xí)環(huán)境;與其他現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境相比，該平臺(tái)具有軟件多、資源豐富、互動(dòng)頻繁等優(yōu)勢(shì)。三是學(xué)習(xí)成果可以互相充分利用、平等共享，現(xiàn)在每個(gè)人都是一個(gè)自媒體，學(xué)習(xí)者可以利用平臺(tái)及時(shí)上傳自己的Word、PPT、音頻等學(xué)習(xí)資源，達(dá)到和學(xué)習(xí)伙伴深度互動(dòng)的目的。

2大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)電力系統(tǒng)災(zāi)害智慧教育的推動(dòng)作用

大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)電力系統(tǒng)災(zāi)害智慧教育有很大的促進(jìn)作用，電力系統(tǒng)災(zāi)害認(rèn)知課程主要是幫助學(xué)生了解何種極端氣象災(zāi)害環(huán)境會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響和后果以及電力系統(tǒng)是采取什么樣的應(yīng)對(duì)措施去解決各種復(fù)雜極端氣象條件對(duì)電網(wǎng)造成的影響。學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)災(zāi)害情況的理解都來自老師的簡(jiǎn)單口頭描述，因此學(xué)生對(duì)這方面的知識(shí)的印象不會(huì)很深刻。采用大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)直觀為學(xué)生演示各種氣象災(zāi)害條件對(duì)電力系統(tǒng)造成的各種影響，例如風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)、電網(wǎng)潮流影響等。之后加上老師介紹在極端氣象條件下電力系統(tǒng)災(zāi)害機(jī)理，學(xué)生不僅能直觀的了解到不同氣象條件會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的故障，同時(shí)也能深刻理解電力系統(tǒng)發(fā)生故障的本質(zhì)原因。老師和學(xué)生也可以上傳各種關(guān)于電力系統(tǒng)災(zāi)害的學(xué)習(xí)資料至大數(shù)據(jù)平臺(tái)，學(xué)生可以從大數(shù)據(jù)平臺(tái)上獲取學(xué)習(xí)資料，同時(shí)通過學(xué)生們的實(shí)際操作讓學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)電力系統(tǒng)災(zāi)害的理解。

3電力系統(tǒng)災(zāi)害智慧教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建

端云協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺(tái)是采用大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)搭建的智慧教學(xué)平臺(tái)，它由數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)、平臺(tái)管理系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)通過與監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能電池、光伏逆變器等各種設(shè)備信息建立通訊，采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)并上傳至云端。數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)基于分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，根據(jù)不同數(shù)據(jù)處理階段的數(shù)據(jù)特點(diǎn)分別存儲(chǔ)于Hadoop平臺(tái)、MPP分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)集群，通過配置數(shù)據(jù)流入和流出規(guī)則，控制數(shù)據(jù)進(jìn)出大數(shù)據(jù)平臺(tái)過程，平臺(tái)管理子系統(tǒng)通過可視化建模提供多層級(jí)結(jié)構(gòu)可視化呈現(xiàn)能力和3D動(dòng)畫實(shí)時(shí)展示極端災(zāi)害下電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化情況。

3．1數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)作為端云協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)層，它為大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供可靠的海量電力數(shù)據(jù)，該層包括等可控負(fù)荷、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能儲(chǔ)熱設(shè)備、光伏發(fā)電等一些具有邊緣計(jì)算能力的終端設(shè)備。在萬物互聯(lián)和數(shù)據(jù)爆炸的環(huán)境下，通過分布式邊緣終端設(shè)備協(xié)作完成邊緣計(jì)算任務(wù)，對(duì)邊緣環(huán)境中計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源的高效分配，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)及數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)部署，這種分布式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)相比傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)能顯著提高平臺(tái)數(shù)據(jù)處理能力和效率。

3．2數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL承擔(dān)對(duì)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理;建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)用于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)與管理，利用大數(shù)據(jù)應(yīng)用框架Hadoop平臺(tái)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)作為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，并對(duì)來自搜索引擎的海量數(shù)據(jù)查詢提供支撐。通過定義數(shù)據(jù)質(zhì)量清晰規(guī)則，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)質(zhì)量規(guī)則保障大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)獲取過程需將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、清洗、合并和裝載等操作后生成新數(shù)據(jù)集提供數(shù)據(jù)分析使用。同時(shí)系統(tǒng)考慮未來的擴(kuò)展性，為了便于與第三方系統(tǒng)快速對(duì)接，構(gòu)建了數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系。平臺(tái)還兼容基于matlab、python、R語(yǔ)言開發(fā)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，系統(tǒng)能直接對(duì)接學(xué)生開發(fā)的各種算法模型，便于學(xué)生進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

3．3平臺(tái)管理子系統(tǒng)

平臺(tái)管理子系統(tǒng)采用最新的窗口顯示技術(shù)，提供的顯示應(yīng)具有諸如多窗口顯示、滾動(dòng)畫面顯示、圖像縮放顯示。提供區(qū)域板塊可視化呈現(xiàn)能力，構(gòu)建了從湖南省(湖南500kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu))-湖南省六大區(qū)域-特定地點(diǎn)(邵陽(yáng)地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu))，從大到小、從上到下的多空間尺度，以及包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)多時(shí)間尺度展示的集成地圖電力GIS極端氣象下(覆冰、暴風(fēng)、暴雨等)分析展示系統(tǒng)，提供多層級(jí)結(jié)構(gòu)可視化呈現(xiàn)能力，包括電力設(shè)備(源-網(wǎng)-荷)設(shè)施信息、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息、電力市場(chǎng)信息與交通、電網(wǎng)相關(guān)公路街道，以及氣象等自然環(huán)境信息集中于平臺(tái)展示。通過3D動(dòng)畫形象的向?qū)W生展示在一種或幾種極端氣象條件下電力系統(tǒng)運(yùn)行的變換情況，提升學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端災(zāi)害的措施和方案的理解。

4基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的電力系統(tǒng)災(zāi)害實(shí)踐教學(xué)模式

4．1基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的移動(dòng)學(xué)習(xí)模式

智慧教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)目前已和校內(nèi)多個(gè)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互以及資源共享。課程組老師通過該平臺(tái)為同學(xué)實(shí)際演示電力系統(tǒng)在各種極端氣象災(zāi)害下的不同情況以及多種極端條件同時(shí)作用下電力系統(tǒng)的變化情況。學(xué)生可以利用課余時(shí)間去登陸平臺(tái)進(jìn)行自己動(dòng)手實(shí)際操作，提升自己對(duì)電力系統(tǒng)災(zāi)害相關(guān)知識(shí)的理解。同時(shí)平臺(tái)還可以接入學(xué)生基于matlab、python、R語(yǔ)言等編寫的優(yōu)化算法模型，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)分布式計(jì)算的特點(diǎn)快速驗(yàn)證模型的正確與否。學(xué)生只要在連接互聯(lián)網(wǎng)的情況下都能夠訪問平臺(tái)進(jìn)行算法程序開發(fā)學(xué)習(xí)，因此在這種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)下，學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間和程序開發(fā)時(shí)間不再局限于老師的上課時(shí)間，學(xué)生可以利用自己的空閑時(shí)間連接平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)完成項(xiàng)目。同時(shí)學(xué)生們的實(shí)踐地點(diǎn)也不再局限于實(shí)驗(yàn)教學(xué)室，同學(xué)們可以在圖書館、教室等任何地方完成實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行算法程序開發(fā)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。這樣學(xué)生們的學(xué)習(xí)進(jìn)程不會(huì)像傳統(tǒng)的教學(xué)模式一樣受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，同學(xué)們可以更加自由的選擇時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性完成實(shí)踐項(xiàng)目。這種教學(xué)模式想對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)規(guī)劃能力更有提升的效果，傳統(tǒng)模式下學(xué)生都是跟著老師的時(shí)間規(guī)劃下完成課題，老師會(huì)在指定時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成哪部分內(nèi)容，在這種模式下學(xué)生完全依賴于老師的指導(dǎo)。

4．2基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)與市面上現(xiàn)有的免費(fèi)開放在線教育平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)資源共享、數(shù)據(jù)互通。學(xué)生可以在此平臺(tái)上自由注冊(cè)和選課、免費(fèi)學(xué)習(xí)，通過平臺(tái)上課程相關(guān)考試還能獲得考試合格證書。依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)包括以下過程，首先是課程制作，在每個(gè)課程中教師需針對(duì)一個(gè)特定的問題深入分析，提煉每個(gè)問題的知識(shí)要點(diǎn)，拍攝錄制成教學(xué)視頻，連同其它教學(xué)資料一并上傳到平臺(tái);然后，注冊(cè)學(xué)生可以在平臺(tái)上選擇感興趣的課程，觀看視頻、完成考核、獲得證書;然后，教師利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)了解學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度，針對(duì)學(xué)生普遍困惑的難題，集中重點(diǎn)講解;最后:分析學(xué)生提出的思路和解決方案，完成課堂練習(xí)，進(jìn)行相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，翻轉(zhuǎn)課堂更加關(guān)注學(xué)生的發(fā)展，把課堂的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，老師側(cè)重于解決學(xué)生的疑惑，引導(dǎo)學(xué)生分析問題，展開討論，提出各自的見解，探索最佳解決方案，教師是學(xué)習(xí)內(nèi)容的設(shè)計(jì)者、幫助者和合作伙伴，是教學(xué)過程的引導(dǎo)者，讓學(xué)生全心投入教學(xué)過程，發(fā)表自己的意見，老師只用少量時(shí)間集中解答問題，這種模式發(fā)揮了學(xué)生的能動(dòng)性，有利于提高學(xué)生解決問題的能力。

4．3基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的團(tuán)隊(duì)教學(xué)模式

在此課程實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和自己擅長(zhǎng)的模塊個(gè)性化選擇自己的實(shí)踐題目，同時(shí)該課程還設(shè)置小組團(tuán)隊(duì)課題，學(xué)生分組共同完成一個(gè)較大的課題，學(xué)生之間分工合作，每個(gè)人都負(fù)責(zé)該項(xiàng)課題的一部分，因此學(xué)生都能夠選擇到自己感興趣和自己擅長(zhǎng)的模塊，這就能有效激學(xué)生學(xué)習(xí)和參與項(xiàng)目開發(fā)的積極性。學(xué)生選擇的題目不再僅僅局限于老師所出的題庫(kù)，也不會(huì)出現(xiàn)全班同學(xué)完成同一個(gè)項(xiàng)目的情況，這就有效避免了學(xué)生之間出現(xiàn)互相抄襲的情況，確保了每位同學(xué)都能參與到這門課程中來，使同學(xué)們能夠從這門課中真正學(xué)到有用的知識(shí)，提高自己的程序設(shè)計(jì)能力，為以后的學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)。

5結(jié)語(yǔ)

智慧教育是當(dāng)前的一個(gè)社會(huì)熱點(diǎn)問題，更是教育界面臨的重大挑戰(zhàn)，大數(shù)據(jù)平臺(tái)為智慧教育提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)，本論文立足于教師角度探討了智慧教育的內(nèi)涵，并提出了基于大數(shù)據(jù)的智慧教育的三種模式，對(duì)教師在新常態(tài)下提高教學(xué)有一定的價(jià)值。在電氣專業(yè)的應(yīng)用課程中實(shí)施數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和平時(shí)成績(jī)明顯提高，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力增強(qiáng)，課堂活躍度大幅提高。隨著無線校園網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，還有更多的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)能被用來改善教學(xué)效果。同時(shí)也對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)提出了更高的技術(shù)要求。如果學(xué)校能從其他系統(tǒng)中獲取更多的用戶行為數(shù)據(jù)，比如學(xué)生的社交行為、生活行為等，并對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用的完整閉環(huán)，就能提升數(shù)據(jù)價(jià)值的感知性。目前，這類數(shù)據(jù)普遍存在較大缺口，迫切需要學(xué)校對(duì)當(dāng)前的智慧校園平臺(tái)加大投入，做到各職能部門之間互相聯(lián)動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的培養(yǎng)目標(biāo)。

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作者：楊洪明 張群 單位：長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院