（电力系统及其自动化专业论文）psasp的电力系统分析cai系统的设计与开发.pdf

iii abstract the course for electric power system analysis is the main professional lesson of the electrical system文献33选择 autocad 作为软件录入电力单线图的工具，然后将图形与元件数据构成一个图形信 息数据库。 2）采用成熟的商业化软件。采用商业化的仿真软件平台 emtp34、 pscad36、 matlab 32，提高电力工程 cai 软件开发的效率和应用灵活性。人们对电力系统运行 规律的探索和研究进行了很长时间，长期以来电力工作者开发了多种电力系统潮流、 暂态稳定、短路电流计算程序等，极大方便了人们认识和研究电力系统。目前，不少 研究人员利用现成的商业化的仿真软件平台来构建教学用 cai 软件，通过编写接口 程序，将要讲授的问题用仿真软件平台建立仿真模型，通过仿真软件强大的计算和分 析功能，逼真形象地模拟教学内容，有助于师生双方教与学的互动。如文献34描述了 一个教学软件利用 emtp 平台的 tacs 功能来研究微机保护的动作特性，它通过构 建一个模拟闭环系统对不同输入信号下保护仿真模型的动作情况，实时性强，模拟逼 真。 3）cai 教学软件的仿真实验功能增强，将计算分析与实验平台建设合二为一。 传统的电力工程 cai 软件偏重演示及分析，但从教学角度来说，如果能让学生利用 cai 软件进行自我学习则更能体现 cai 的教学功能，这个自我学习包括学生自己能 进行操作、设计、检验等离线仿真实验。文献35介绍了教学软件 powergraf，它支持 多用户，这很符合学校教学特点，学生可以通过该平台自己设计电网，设置数据，而 后自行观察运行结果。文献36介绍了能模拟继电保护的 cai 软件，学生除了能通过 电网仿真系统进行运行仿真实验外，还可设计保护模型并在电网仿真系统进行校核。 此外，还有几篇文献介绍了基于虚拟技术的仿真实验系统，使 cai 的应用方式呈现 多样化。 4）远程技术的应用。文献37介绍了电力工程教育和互联网之间的关系，指出随 着计算机技术和互联网的发展，传统的电力工程 cai 在形式上也应与时俱进，将应 用拓展到互联网上，这也是 cai 教育的本质要求。如文献38介绍了基于 internet 技术 的仿真平台， 在此平台上不同校际的学生可以借助视频交流来帮助完成实验。 文献39 10 介绍基于互联网的 seda-vrml 虚拟系统，员工可通过该系统进行电力变压器检测 和排除故障的培训，这样做花钱少而效果不错。文献40则介绍基于 web 技术的交互 式学习环境系统，学生可通过互联网、视频会议及智能导学系统来选择自己喜欢的学 习模式。 2.1.3.2 国内应用情况及特点简介 在国内，电力工程 cai 开发应用状况与国外相比，在应用的深度和广度上有一 定差距。近年来也有部分高校老师也在从事电力 cai 的研究及开发工作4145，这些 教学软件各具特点。 1）采用多媒体形式开发。在开发工具上多用多媒体制作工具软件如 authoware、 java 等，仿真平台软件如 matlab，也有采用编程与多媒体开发工具配合使用的方式。 而采用多媒体形式利于形象教学，但计算分析功能相对弱，采用现有仿真工具软件大 多只是针对特定的教学问题进行分析讲述， 有的将具有计算功能的电力系统模块与多 媒体辅助教学模块配合使用，电力系统模块用编程实现，完成潮流计算、短路计算和 稳定计算任务，多媒体辅助教学模块用多媒体开发工具 authoware 制作，完成电力系 统分析的过程演示和自测题库。 2）只偏重演示功能。国内电力工程 cai 开发工作的不足是对 cai 的实验教学功 能基本上没有涉及，只偏重演示功能。由于客观条件限制，学生要对实际电力系统运 行进行安全分析及控制方面的实验是不可能的， 在实验室对实际系统进行物理的模拟 仿真虽然可行，但花费巨大，精度上也存在问题。 3）缺乏仿真支持功能。如果 cai 软件中支持仿真实验功能，学生可以对实际电 力系统的模拟系统进行操控，这无疑对提高学生学习兴趣，形象了解系统运行规律， 从而提升教学质量有积极意义。但是在 cai 上实现仿真实验功能的开发工作量大， 技术要求高，短时间内难以完成。 4）利用成熟的商业化软件少。对成熟的商业化软件进行教学实用化改造，开发 工作量及难度相对较小。传统电力工业发展到现在，与信息技术的结合日益紧密，表 现在利用了大量的计算机软件系统对电力系统安全稳定运行进行实时有效的监视、 分 析和控制，这些应用软件的功能十分强大，足以满足电力专业的教学需要。在对其的 应用方式按照教学要求加以适当改造的话， 这些应用在生产上的软件系统是完全可以 移植到教学中来的。 2.1.4 电力专业 cai 应用的新扩展 从上述的分析得知， 将来电力工程专业类的计算机辅助教学将与信息技术的结合 更加紧密，功能上也有所拓展，在应用中将会呈现如下的一些的特点， 1） 仿真实验功能。 电力工程 cai 软件如果具备仿真实验功能， 这将是一个进步。 11 多年来电力专业课实验教学一直从属理论教学，起验证理论观点的作用，而把学生作 为实验的主体一直未得到应有的重视。主要表现为专业实验项目少，实验内容陈旧， 验证性实验多，能调动学生学习主动性的实验少，这不利于学生的独立思维能力和创 新能力的培养，影响着实验教学质量。另一方面，电力系统专业实验的安排也不尽合 理，作为最重要的专业理论课的电力系统稳态分析和电力系统暂态分析如没 开设实验课，这对学生理解电力系统及其运行特点产生十分不利的影响。而仿真实验 可以弥补这些业课程实验学时的不足和问题。此外仿真实验还不受时间、场地、安全 等实际实验条件的限制，能够做到原本无法用物理实验手段开设的实验等。 2）引入及改造工程应用版的电力系统应用软件。我国目前正处于电力工业发展 的黄金时期，也正好赶上信息化时代，使电力工业信息化建设取得很大成就，出现一 大批为电力系统服务的电力工程应用软件， 这些软件应用在系统规划、 运行方式分析、 安全、控制、负荷预测、培训等不同领域，它们为保障电力系统安全稳定运行发挥了 重要作用。 这其中， 电力系统分析综合程序 （power system analysis software package, psasp）是一个典型的可以对教学起良好促进作用的电力工程应用软件。它能在电网 的安全运行分析、故障计算、事故预想分析、继电保护定值校核、直至运行方式研究 上起良好作用。 2.2 电力系统分析综合程序（psasp）应用概述 46 2.2.1 电力系统分析综合程序简介 电力系统分析综合程序（power system analysis software package, psasp） 是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，它具有我国自主知识产 权，是资源共享，使用方便，高度集成和开放的大型软件包。 1）自 1973 年开始的长期开发应用历史，1973-1980 早期的机器指令版 ； 1980-1986 大中型机 fortran 语言版；1986-1995 微机 dos 版 ； 1995 至今 微机 windows 版 。全国各省市、香港地区电力规划设计、生产调度运行、科研教育等超 过 400 家用户 ；应用于多项大型电力系统工程计算分析；应用于多所大学作为科研 和教学的有力工具；1985 年荣获首届国家科技进步一等奖。 2）基于公用数据和模型的三层体系结构 第一层：公用数据和摸型的的资源库； 第二层：基于资源库的应用程序包； 第三层：计算结果库和分析工具； 极大地资源共享，高度集成和开放。 12 图 2.1 psasp 体系结构图 图 2.1 psasp 体系结构图 3）文本和图形两种录入编辑方式的电网基础数据库 图 2.2 psasp 录入方式 图 2.2 psasp 录入方式 支持 psasp 各种计算的公用数据；包含发电机、变压器、交流线、负荷、直流 线、静止无功补偿器等电网基本元件；有文本和图形两种数据录入编辑方式；可提供 各种分析计算的基本数据支持； 可按地区、 年度、 运行方式从中抽取计算的基本数据。 4）直观方便、功能强大的用户自定义模型方法 psasp 设计了功能强大的用户自定义(ud)建模方法， 提供了自行建模来研究电力 系统新设备、新装置的得力工具。近年来国内多所大学和科研单位应用 psasp 的 ud 功能做了大量的研究工作。 所谓用户自定义建模方法是在无须了解程序内部结构和编程设计的条件下， 用户 可按自己计算分析的需要，用工程技术人员熟悉的概念和容易掌握的方法，设计各种 模型， 使其在原则上可以灵活模拟任何系统元件、 自动装置和控制功能。 为扩充 psasp 的功能， 向用户开放提供非常有力的工具。 可自由建立任何元件的模型 （电源、 负荷、 13 各种控制保护装置、facts 元件等） ，作为各种计算的模型库；直观方便的文本和图 形两种模型编辑方式；调用简单，计算快速。 5）基于公用资源的交直流电力系统分析程序包 计算程序模块有：潮流、暂态稳定、短路电流、网损分析、电压稳定、静态安全 分析、静态和动态等值、直接法暂态稳定、小干扰稳定、最优潮流和无功优化、参数 优化协调、继电保护整定与仿真 主要特点:交直流混合电力系统；固定模型库和用户自定义模型库支持；提供用 户程序接口，实现与用户程序联合运行；文本和图形两种运行模式及多种形式的结果 输出。 6）开放友好的用户程序接口环境 psasp 提供用户程序接口(upi)环境，使 psasp 模块和用户程序模块联合运行， 共同完成某一计算任务；upi 为用户提供了更加自由，更加开放的环境，即通过编程 (语言工具不限 如 fortran，c+等) 利用 psasp 的资源和实现 psasp 的功能扩充； 利用 windows 操作系统提供的动态连接库(dll)支持，可以使 upi 方式与 psasp 内部 的固定模型方式，在计算精度和时间上达到同样的效果。近年来，不少单位（如清华 大学、浙江中试等）应用 upi 做了很多富有成效的科研工作。 2.2.2 电力系统分析综合程序的应用 1）电力调度运行：电力系统的运行方式分析是电网安全稳定运行的基本保证。 psasp 提供了进行电力系统运行方式全面分析的各种工具， 已广泛应用于国调、 网调、 省调、地调、县调等各级电力调度运行部门，为保障电网的安全稳定运行发挥了巨大 作用。 2）电力规划设计：在进行电网规划设计时，需对系统规划方式进行全面的分析 计算。 psasp 提供了友好的数据定义和数据组织平台， 便于定义各种规划的运行方式； psasp 提供了友好方便的图形操作环境和全面的结果输出，便于进行各种规划方案的 分析比较。 3）科研机构：psasp 设计了功能强大的用户自定义(ud)建模方法，提供了自行 建模来研究电力系统新设备、新装置的得力工具。psasp 用户程序接口(upi)为用户 提供了更加自由， 更加开放的环境， 使用户通过编写程序(语言工具不限， 如 fortran， c+等)利用 psasp 的资源和实现 psasp 的功能扩充。 4）大工业企业：一些大型的工业企业（如石化、冶金等）有自己的内部电网和 自备电厂， 需要对内部电力系统进行详细的分析计算。 如果存在电能质量方面的问题， 则需进行谐波分析；如果厂用电系统含有大的异步电动机，则需设定合理的马达启动 方案，并模拟马达启动对电网的影响。 14 5）配电系统：psasp 潮流计算提供了五种方法，以保证潮流计算的收敛性及对 于不同类型电网的适应性。 对于辐射状低压配电系统， psasp 潮流计算亦可满足要求。 6）发电公司：随着以“厂网分开”为基础的电力市场化改革的进展，出现了相 对独立的发电公司和独立发电厂。 在这种新的环境下， 各独立电厂需做一些计算分析， 以制定其合理的竞价策略。 7）铁路系统：电力机车为单相整流负荷，因此产生谐波。由于牵引变压器三相 电力不平衡，故基波负序大。因此，需对电气化铁道供电系统的谐波和负序进行分析 和抑制。 8）高等院校：psasp 具备电力系统分析计算的各项功能，是高等院校电力系统 仿真实验室必备的软件分析工具。应用 psasp 可以进行电力系统分析课程的辅助教 学，有助于学生对电力系统分析计算有更深入的了解；psasp 具有强大完备的分析功 能，以及开放的用户程序接口和用户自定义建模，可以作为科学研究的得力工具。此 外，有些高校已将 psasp 应用于实际工程计算，创造了显著的经济效益。 2.3 小结 本章着重对电力类专业的计算机辅助教学的应用特点进行了分析， 在对比了当前 的各种电力专业 cai 应用系统的功能之后，认为要加强计算机辅助教学仿真实验的 支持作用，以此拓展电力此类专业计算机辅助教学的应用功能，还要善于利用目前电 力系统中成熟的商业化应用软件，并对其进行必要的教学实用化改造，使之成为符合 教学需要的新式的计算机辅助教学手段。正是在这思想指导下，本设计选择了多媒体 编著平台 authorware 来组织多媒体和文本来展现知识的难点和重点以及相关知识， 同时根据不同知识点设计基于 psasp 的案例，设计相关的步骤引导学生，运用前面 所给知识调用 psasp 进行案例的设计，仿真模拟。最后我们还对每个案例提供了系 统帮助参考，供学生在有困难的情况下参考。这样，让学习者巩固和加深对知识的理 解，同时学会使用 psasp 进行分析和设计规划,为以后的学习和工作实践奠定一个坚 实的基础。 我们没有采用用其他软件来编写相关的电力系统分析的程序， 因为 psasp 的功能 比较强大和成熟，远远比自己编写的要全面和更好，更有利于教学。我们也没有编写 相应的接口程序，使系统能脱离 psasp 软件运行，而是直接在实验室配置该软件的情 况下使用的，可能限制了本系统的大范围的使用，考虑到现在各电力高校都有 psasp 实验室，同时加上 psasp 在中国的广泛应用，直接在 psasp 上进行设计、模拟仿真， 能更全面， 更充分的利用这一成熟的、 功能强大的工程软件， 更有有利于学习者学习。 15 3 本 cai 软件设计理论基础与开发步骤 3.1 cai 概述与软件开发工具 3.1.1cai 概述 1）多媒体技术简介 媒体是各种信息表示和传播的载体，可分为感觉媒体、表示媒体、显示媒体、存 储媒体、传输媒体等。感觉媒体是指能直接作用于人的感官，使人能直接产生感觉的 一类媒体。人们通常把感觉媒体称为多媒体(multimedia)，它包括文本、图像、声音、 视频、动画、图形。 多媒体技术就是将上述各种表现传播信息的媒体集成，创造出集文、图、声、像 于一体的信息处理模型，使计算机对各种媒体具有数字化和动态的编辑、播放功能。 通常所说的“多媒体”常常不是多媒体信息本身，而主要指处理和应用它的一套技术 即多媒体技术。多媒体技术具有集成性、实时性、交互性和高质量等特点。 2）cai 的现状与趋势 现阶段计算机辅助教学的显著特点是： 多媒体化(mcai)、 网络化和智能化(icai)。 mcai，亦称多媒体课件，它是应用现代多媒体技术编制的新一代 cai 系统。从它实 现的技术手法上看，现代的多媒体系统大多是通过超级链接和远程链接等手段，来整 合各种媒体。由于 mcai 具有综合处理图、文、声、像等媒体能力，改变了传统 cai 中单一知识信息表达方式，使学习者能通过多种感官获取知识信息，增强理解能力， 提高学习效率。与传统 cai 系统相比，mcai 系统具有形式多样，生动活泼:高度交 互，因材施教；信息量大，重现力强；界面友好，操作简单的特点。 icai 系统是 carbonell 首先提出的，它主要包括：专家知识模块，学习者模型模 块和教学策略模块。它将教学内容和教学策略分开，利用学习者模型动态生成适合于 个别化的教学内容和策略，同时通过诊断机制判断学习者的学习水平，发现学习者的 错误及产生错误的原因，并给予相关的纠正，通过跟踪学习者的学习情况，随时更新 学习者的学习记录，从而达到实现个别化教学的目的。 综合近年来多媒体技术在 cai 中的应用情况，可以发现多媒体 cai 的应用有向 网络化、智能化、虚拟现实等几个方向的发展趋势。 3.1.2 软件开发工具 1）几种开发工具软件 目前可用于开发 windows 平台下的课件编著软件很多，以下对以非计算机人员 常用的编著软件简介如下。 演示性软件 powerpoint 是 microsoft 公司出品的 office 系列优秀演示文稿软件， 可以方便地输人文字、图片、表格、组织结构图等。运用 powerpoint 可以制作出图 16 文并茂、 色彩丰富、 表现和感染力都很强的讲演稿、 投影片和幻灯片等， 适宜于教学、 报告和演讲等场合。 基于图标和流程线的软件 authorware 是目前制作较为复杂课件最常用软件，用 它开发课件不需要从底层进行编程，学习、掌握和使用较为便捷，它所具有的多媒体 制作功能，使开发出的课件不仅集图、文、声、动画为一身，而且具有很强的交互性， 是当今创作课件较为理想的软件。 基于时序的制作工具 director，该软件制作课件的过程类似电影的制作，基本播 放单位是帧，其操作界面及演示界面被称作舞台(stage)，所有数据(或称演员)，如： 图片、文字、声音、视频等实现导入角色库(cast)中等待调用，按需要被拖放到由帧 及通道(可理解成透明的层)组成的 score 窗口中，已确定各种数据在 stage 中出现的 程序， 最后通过每一种画面连续播放而产生动态效果。 课件在运行中依赖 lingo 语言， 以实现人机交流，并可达到超链接的实现。 基于时序的场景式软件 flash 是一种交互式矢量多媒体技术，是矢量图形编辑和 动画创作的专业软件，主要应用于网页设计和多媒体创作等领域，功能十分强大和独 特，己成为交互式矢量动画的标准，目前已非常流行，广泛应用于教学动画制作、教 学动画演示等。 基于卡片和页面的软件 toolbook 是 asymetrix 公司推出的一种多媒体开发工具， 用它制作课件，基本上采取传统的书架构，以页面为组织基础，通过线性的和超媒体 的有机结合将书编织成一个整体，即首先建立页面整体框架，再把文字、图像、按钮 等对象放入页中，然后使用系统提供的面向对象程序设计语言 open script 编写脚本， 确定各种对象在课件中的作用。 以上简介了几款常用的课件编著软件，实际上，在上世纪 80 年代以来，国内外 许多专业创作公司相继推出了一系列开发工具，如国内就有洪图多媒体编著系统，方 正奥恩多媒体创作工具， 翰林汇多媒体制作系统， 以及凡高课件大师等等， 不胜枚举。 经过比较分析，我们决定使用 macromedia 公司开发的 authorware 和 flash 制作开发 基于 psasp 的电力系统分析 cai 系统的设计， 下面对这两种软件的特点进行一下详细 介绍。 2）authorware 介绍47 authorware 是 macromedia 公司开发的多媒体制作工具， 主要具有以下特点:简单 的面向对象的流程线设计，组成 authorware 多媒体应用程序的基本单元是图标，图 标内容直接面向最终用户；图形化程序结构清晰，构成应用程序时只需将图标用鼠标 拖放到流程线上，在主流程线上还可以进行分支，形成支流线，程序流向均由箭头指 明，程序结构、流向一目了然，交互能力强，authorware 预留有按钮、热区、热键等 17 10 种交互作用响应；程序调试和修改直观，程序运行时可逐步跟踪程序运行和程序 的流向；编译输出应用广泛，调试完毕后，即可将程序打包成可执行文件，生成的可 执行文件可脱离 authorware 在 windows 的环境中运行。 基于 authorware 的上述优势， 基于 psasp 的电力系统分析 cai 系统的设计的媒体著作工具选用了 authorware7.0。 总的来说，编辑一个 authorware 课件包含以下这些步骤: 创建新文件; 今在文件中使用 knowledge objects; 打开一个文件; 创建一个片段; 插入图标; 设置图标的属性; 编辑图标; 加入文本; 加入图像; 在显示或擦除对象时加入特技效果; 使用移动图标增加动画效果; 增加声音; 增加数字影像; 播放视频; 使用计算图标和群组图标; 使用库; 创建交互性; 建立页面和浏览结构; 使用模板; 使用系统函数和变量; 扩展 authorware 的功能; 使用控制面板; 保存文件; 跟踪及测试程序; 打包和发布程序; 我们运用上述 authorware 所具备的强大功能，按照 authorware 编辑多媒体课件 的基本步骤，将文本、图形、图像、动画、音频、视频等媒体素材信息恰当地组织起 来，并实现了课件系统的模块化结构和完备的导航系统，构成一个完整的多媒体课件 18 系统。 3）flash 介绍 基于时序的场景式软件 flash 主要具有以下特点：有强大图形图像处理能力，支 持图形图像处理的两种方式：矢量图形(vector graphics)和位图(bitmap graphics)，支 持的文件格式多，flash mx 2004 支持 39 种格式的文件导入，生成的文件体积小，文 本处理别拘一格，可实现图文混排方式，对文本可运用对齐面版、文字面版、文章格 式面版等功能进行其他处理;简单易学，修改方便，交互式多媒体集成，flash 自带 丰富的函数和变量， 通过它的基本命令 action script， 可轻而易举实现多种动态变换、 任意播放控制与跳转设置等等。 综上所述，基于 flash 有无级缩放不变形、体积小、交互性强、易学习等方面的 优势，基于 psasp 的电力系统分析 cai 系统的设计的动画制作工具选用了 flash mx 2004。 3.2 培训软件设计理论基础 本文设计的多媒体培训软件的开发工作量很大，所以要有一个整体的开发思路。 该软件首先是一种教学培训软件， 所以应该把基于学习理论和教学理论对课件的教学 内容、教学过程进行设计这一思想作为课件设计的核心，并对该课件的设计和开发采 用软件工程的思想和方法:最后考虑到要充分应用多媒体技术的特长，以提高教学培 训质量。概括起来， 如图 3-1 所示。 图 3.1 本文设计的 cai 软件的开发思路 图 3.1 本文设计的 cai 软件的开发思路 多媒体课件是一种教学软件， 它必须体现一定的教育思想、 教学原则和教学方法， 因而它的设计和开发要基于一定的理论依据。建构主义学习理论、教学设计理论和软 件工程理论是我们开发本文设计的培训软件的直接理论基础。 3.2.1 建构主义学习理论 建构主义学习理论是认知学习理论的一个重要分支，进入 20 世纪 90 年代后，随 cai 学习理论 软件工程思想方法 多媒体技术 理论基础 制作规范 表现手段 课件设计 19 着多媒体技术和 internet 应用的日益普及， 建构主义学习理论成为 cai 的重要理论基 础。 1）建构主义的基本观点 建构主义学习理论认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境 即社会文化背景下， 借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助， 利用必要的学习资料， 通过意义建构的方式而获得的。建构主义理论的内容很丰富，但其核心只用一句话就 可以概括：以学习者为中心，强调学习者对知识的主动探索、主动发现和对所学知识 意义的主动建构。建构主义理论在 cai 领域的研究和应用，标志着人们对 cai 的认 识已日益深化、全面、成熟。 2）建构主义学习理论对本课题的指导 建构主义学习理论对本课件设计的指导是多方面的：首先，建构主义理论强调以 学习者为中心，这是对本文设计的培训软件设计影响最大的一点。本课件是一个自学 为主的互助教学软件，需要我们认真分析该课件的学习者所具有的知识经验背景、学 习风格以及学习动机等各个方面的情况，找到课件内容和表现形式的最佳切入点，引 导他们在认知结构上对知识进行归类和重组，从而达到意义建构的目的。其次，建构 主义理论强调事物的复杂性和多样性，对事物的了解或对知识的掌握应从多层次、多 角度入手，没必要给学习者设定某一个固定的学习起点和固定的学习路径。因此，本 文设计的培训软件的结构采用可以灵活跳转的模块加滚动树型目录选择的结构设计， 使学习者可以根据自己的实际情况灵活地进入课件的任何一个部分开始学习， 以适应 每个学习者自我建构学习的需要。 3.2.2 教学设计理论 教学设计运用系统方法来发现、分析和解决问题，实现教育效果的最优化的规范 的设计过程和操作程序，它几乎适用于任何教学水平和教学规模，从新的教学系统的 设计到课程设计、课堂教学以及教学单元的设计。教学设计理论对多媒体课件的设计 具有重要的指导意义。 3.2.2.1 教学设计的基本思想 所谓教学设计就是指运用系统方法分析教学问题和确定目标， 建立解决问题的策 略方案，试行解决方案，评价试行结果和对方案进行修改的过程。教学设计包括以下 几个基本环节： 1）分析教学任务，根据学习者的情况确定和陈述教学目标； 2）确定学习者的准备状态； 3）组织教学资源，形成教学方案； 4）确立评价项目，评价学习效果。 20 3.2.2.2 教学设计理论对本课件的指导 基于 psasp 的电力系统分析 cai 系统的设计是一个很典型的辅助教学培训产品， 它的设计从哪里入手，如何进行设计，设计结果能否达到预期目标，这些我们都必须 从教学设计理论中找到答案。首先，我们要对培训内容进行分析，确定学习者应该学 习的知识、技能和态度等；其次，我们要对学习者进行详细分析，了解学习者原有的 知识能力和认知结构，以确定培训软件的培训内容和培训起点；最后，我们要在分析 学习内容和学习者的基础上，编写出合适的教学目标，并合理选择和设计媒体，确定 适当的教学模式和教学策略。 3.2.3 软件工程理论 软件工程是一门旨在研究计算机软件开发与维护的普遍原理和技术的工程学科。 实践证明：在软件的设计和开发过程中，运用软件工程的方法，可以大大提高软件开 发的成功率，能够显著减少软件开发和维护中的问题。 3.2.3.1.软件工程的途径 在软件开发与维护的实践过程中， 体现软件工程基本原理的途径是生命周期方法 学。生命周期方法学就是从时间的角度对软件设计开发和维护的复杂问题进行分解， 把软件生命的漫长周期依次分为若干个阶段，每个阶段都有相对独立的任务，然后逐 步完成每个阶段的任务。 生命周期方法学的关键就是系统地有条不紊地从抽象的逻辑 概念逐步发展到具体的物理实现。 3.2.3.2.软件工程理论对本课件的指导 基于psasp的电力系统分析cai系统的设计就是一种具有一定教学培训功能的计 算机应用软件，它的设计和开发是一个较为庞大的系统工程，应以软件工程的思想和 方法为指导进行设计和开发。软件工程理论对本课件的指导，主要表现在帮助我们理 清思路，建立较为科学的结构和开发制作流程方面。 21 4 系统软件的设计与实现 电力系统分析课程是“电力系统及其自动化”专业的主要专业课，在教学中起着 承前启后的作用。本课程研究的对象是电力系统的运行状态，抽象性强，如果缺乏必 要的模拟仿真的支持，学生难以理解运行变化过程和变化规律，影响学习效果。采用 传统教学方式不但难以帮助学生形成感性认识， 而且专业课教学学时数目压缩同讲授 内容增多的矛盾也会日益加深，导致教师的讲解越来越困难，这些矛盾急需解决。由 于电力系统分析综合程序在我国电力工程中和高等学校的广泛应用， 以及科学技术的 进步促进了教学技术的不断发展进步， 国内外计算机辅助教学技术成果为开发多媒体 cai 软件提供了技术积累。参考其它多媒体 cai 软件的开发流程，我按照图 4.1 的流 程对本多媒体 cai 软件进行开发。 图图 4.1 多媒体多媒体 cai 软件的开发流程图软件的开发流程图 4.1 软件的需求分析 前面通过对电力系统分析课程特点和传统教学方式存在的困难等进行分析认 为开发该多媒体 cai 软件是必要的，在此我们将侧重对学习者进行需求分析，来确 定开发多媒体 cai 软件的必要性。作为计算机软件的一种，cai 软件也要遵循软件 工程学的原理，首先需要进行需求分析。同时由于多媒体 cai 软件又具有教学软件 的特殊性，所以这里的需求分析不是一般意义的需求分析，而是对学习者学习需求的 分析。进行需求分析方法如下： 4.1.1 确定教学期望值 教学期望值是指要求学生应该做到的或必须具备的水平。对于多媒体 cai 软件 来说，它所要完成的工作就是要为期望值的实现服务，因此，期望值的确定应该是整 个需求分析的起点。它实际上反映了教学活动的目标和任务。基于 psasp 的电力系统 分析 cai 系统的设计的教学任务是： 利用超文本加多媒体的超媒体技术来展现电力系 统分析知识的难点和重点以及拓宽学生的知识视野， 调用电力系统分析综合程序来建 构案例系统和进行模拟仿真的分析，提高学习者学习电力系统分析的兴趣和积极性， 让学习者深刻领会电力系统的基本理论和方法并得到相应的训练， 让学习者学会使用 psasp 这一强大的软件工具， 培养学习者用 psasp 来进行电力系统的分析和设计能力。 需求分析 教学设计 总体设计 结构设计 素材准备 制作软件 22 既可让学生获得有关电力系统规划、设计、运行的一些具体知识，为后续专业课程及 相关专题的学习打下基础，又培养学生综合运用基础知识解决工程实际问题的能力。 4.1.2 确定学生实际状况 学生的实际状况是其水平的现实反映。 通过对接收该专业应届毕业生的部分用人 单位进行过调查， 发现普遍存在的一个现象是该专业的高校应届毕业生的应用能力明 显低于其理论水平。设计、计算的能力方面也有待提高。 4.1.3 确定必要性 教学期望值同学生实际状况间存在着差距，差距的本身反映了需要。这说明原来 的教学方法存在一定的问题，有必要改变教学的某些方面以消除差距。分析中，我发 现是由于传统教学方法存在一定的局限。课程的许多内容公式、图形多，原理复杂， 借助传统教学方法无法使学生形成深刻的感性认识。另外，还由于教学改革使得专业 课时不断压缩，导致课堂的时间很有限，对设计、计算部分，有些教师并不讲解，即 使讲解，也很难突出设计的重点部分，而这些局限可以通过多媒体 cai 软件圆满解 决。难以使学生清楚地了解掌握教学内容。另外， “电气工程”专业的知识实践性强， 需要理论紧密联系实际，但在校学生不可能有很多机会深入到实际进行有效的实习， 因此，利用新的教学模式和手段，对传统的教学方式进行改革，迫在眉睫。 4.2 软件的教学设计 教学设计是以现代学习理论为基础，以教育传播过程为对象，以系统科学方法为 指导所进行的科学的系统的计划过程与操作程序。教学设计是多媒体 cai 软件设计 中重要的一环。 基于 psasp 的电力系统分析 cai 系统的设计软件是一个具有明确 学习目标的教学系统，为使它确实具有良好的整体功能，满足学习者的需求，必须对 其进行教学设计。 4.2.1 课件的教学设计 4.2.1.1 教学设计的重要性 从教育技术学的观点看， 教学设计是应用系统科学方法分析和研究具体的教学内 容、确定教学实施方法和步骤，并对教学效果作出评价的一种计划过程和操作程序。 教学设计是以分析教学的需求为基础，以确立解决教学问题的步骤为目的，以评价反 馈来检验设计与实施的效果。 实际上，教学设计是一切教学活动包括课堂教学、实践教学、教材课件编写的第 一步，也是最重要的一步。教材一般仅仅是文字、图形形式的知识载体，计算机课件 较之文字教材具有以下三个特点： 1）它是多媒体(文字、图形、图像、动画、声音、音乐)形式的知识载体； 2）它是具有一定交互能力的知识载体； 23 3）它是众多知识点形成的具有非线性结构的知识载体。 因此，课件的知识表达能力更强，给学生留下的印象更深，用于个别化学习的适 应性更强，因而对其科学性、逻辑性、启发性和趣味性提出了新的更高的要求，这就 对课件的教学设计提出了更高的要求，要像电影电视的编导们一样，认真研究每一个 情节(教学知识点)，每一个表演技巧(教学方法)，每一场的台词(教学语言)，并且 不断总结经验，精益求精，最后形成类似电影电视编导们所用的脚本。 4.2.1.2 教学设计的基本要求 课件的教学设计过程是学科领域知识与心理学、 教育学和计算机科学相结合的过 程，是各方面专家通力协作、集思广益的过程。教育技术学家认为，教学过程是一个 完整的系统，教学效果是系统诸多输入因素，包括教师学生、教学目标的确定、教学 方法的选择、 教学资源媒体的采用、 教学评价的手段及信息的获得等共同作用的结果。 教学设计过程由学习需求分析、确定教学目标、确定教学内容、确定教学策略和教学 设计评价等阶段组成。整个教学设计过程是个一边做、一边评、一边改的过程，是逐 步优化、逐步求精的过程，因此，要不断分析、不断调整目标、不断调整内容和不断 调整策略。 1）拟定合理明确的教学目标是教学设计的关键 课程教学大纲或教学基本要求是一门课的教学目标，往往比较笼统、概括。在对 课件进行教学设计时，必须对总的教学目标进行认真的分析，找出实现总目标所要完 成的子教学目标，即具体的教学要求、教学步骤和各个知识点，对学生应达到的学习 成果或最终行为进行明确具体的描述，它规定教学活动的方法，是形成学生学习动机 的主要基础。课件教学目标要合理、要实事求是、要可操作、可考核。 2）课件教学设计要面向学生的认知结构 课件教学设计时，应对学生头脑中的认知结构予以足够的重视，希望学生在学习 后能将知识条件化、结构化、策略化，即不但懂得知识，而且懂得应用这知识的条件; 不但懂得知识，而且能把新知识同原有的知识一起重新组织、概括、归类、抽象，形 成网络化、结构化的系统知识，不但懂得知识，而且能将已掌握的规则重新组合，改 变头脑中现存的规则，指明思维方向，提高搜索效率，形成有效的策略知识。教学大 纲的知识结构固然重要，但更困难、更容易被忽视的是如何促进学生已有认知结构的 发展和优化，如何促进学生新的认知结构的形成。应该说，计算机课件在这方面是大 有可为的。 3）课件教学设计要面向学生的内在动机 课件教学设计时，应不断强化或维持学生的内在学习动机，设法使学生产生认知 失调，激发好奇心，然后要帮助学生学习、理解新知识，并且使之与原有认知结构同 24 化。前面提及的趣味性并非仅仅靠外部的刺激而让学生感到简单的乐趣，而且靠内在 的认知失调，让科学的魅力、世界的奥秘、未来的猜测去吸引学生，激发学生的求知 欲望，强化学生的内在学习动机。 4.2.2 教学模式定位 从多媒体 cai 软件的定位出发，可以将其分为以下几类。 1）辅助教学型。即辅助教师课堂讲解，侧重点可以是突出教学大纲的重点、难 点，还可以是比较抽象的描述的具体实例演示。 2）辅助自学型。辅助学生在课堂下自行学习，侧重点可以是章节安排、重点和 难点，但讲解内容更加深入、详细。在某些场合(2)可以代替(1) 。 3）教学演示型。主要是应用在实验室和一些公共场合，起说明作用，并不刻意 向学生提问，甚至可以是非交互的。 4）习题软件型。能够不断进行提问或者模拟考试，并对学生的错误给予必要的 解答和提示。 6）虚拟仿真型。模拟现场和实际情况，避免不必要的损失。这类软件的制作和 硬件要求是非常高的，例如用于训练飞行员和警察的仿真软件等。 基于psasp的电力系统分析cai系统的设计软件定位于辅助教学型和虚拟仿真型 结合的形式。 4.2.3 学习内容分析 4.2.3.1 学习内容分析的目的 学习内容是指为实现一定的教学目标而要求学习者系统学习的知识、 技能和行为 经验的总和。 学习内容分析是对教学目标规定的期望水平以及如何将学习的实际水平 转化为这一期望水平所需的各项知识内容的详细剖析过程。 学习内容分析的目的主要 有两个方面：一是确定学习内容的范围与深度，解决“学什么”的问题；二是揭示这 些学习内容的各个组成部分之间的联系，为“怎么学”提供方法和策略上的帮助。学 习内容的范围是指学习者必须达到的知识和能力的广度， 深度则规定了学习者必须达 到的知识深浅程度和内容能力的质量水平。明确学习内容各个组成部分的联系，就为 教学顺序的安排奠定了基础。 4.2.3.2 学习内容的具体分析 1）软件主体内容的确定。就上面提到的该专业的高校应届毕业生的应用能力明 显低于其理论水平，设计、计算的能力方面也不及对理论的掌握方面这一普遍现象， 我进行了分析，认为导致这一现象的原因可能是关于理论方面教材上讲述的很精辟、 很全面，高等院校的大学生一般都具有很强的自学能力，在加上教师的课堂讲解，这 个理论基础很容易培养。但应用方面单纯依靠传统教学手段来提高很不容易，常常是 25 教师费劲九牛二虎之力， 也很难使学生对教材中所讲述的各种电力系统及运行控制产 生感性认识；有的学校虽具备现场实习的条件，但学生走马观花的现象也屡见不鲜。 结果导致许多大学毕业生虽然理论基础很扎实， 但在实际工程中却连本专业的各种元 件都不认识，对电力系统的规划与设计也与工程实际有很大差距。因此，选择主体内 容的原则是：该多媒体 cai 软件应该侧重满足能够辅助教师提高学生应用能力的需 要，作为对课堂老师课本讲解后的一种综合练习。根据教材的体系结构和行为主义学 习理论的小步子原则，可将学习内容细分为：psasp 概述模块，元件的特性和数学 模型模块，稳态潮流计算分析模块，短路计算分析模块，暂态稳定计算分析模块。 2）每一小类所需学习的内容分析。确定了多媒体 cai 软件内容的大致范围后， 我们还要对每一小类所需掌握的内容进行具体的分析， 并给出相应的每一小类的学习 目标。既然我们的目标是提高学生的应用能力，在 psasp 概述模块主要讲解 psasp 的使用，使学习者形成一个感性认识。在元件的特性和数学模型模块结合 psasp 在 建构各元件数据库和课本理论知识的基础上讲解， 从而加深对它们在实际应用中的功 能、优点、局限性以及适用范围等的理解，提高学习者的实际应用能力。后面的电力 系统的三大计算分析模块，讲解电力系统的网络设计和建构以及运行分析。 4.3 软件的总体设计 4.3.1 功能和性能要求 基于psasp的电力系统分析cai系统的设计多媒体软件应该尽量满足辅助教师提 高学生应用能力的需要，这就要求设计者能合理地运用文本、声音、图形图像等各种 多媒体素材表达教学内容，给学习者提供一个生动、直观的立体化学习环境，使学习 者能够更透彻地理解教学内容，提高学习效率。为了达到预期效果，我们希望该软件 具 有以下性能： 1） 交互性。 本课件要具有交互性强、 多平台、 多页面灵活跳转等特点,使用方便， 对学习者具有开放性、互动性和启发性。鼓励学习者拓宽思路，勇于创新，实现“创 新性” 、 “综合性”的实践教学环节。 2）集成性。多种信息媒体能够方便地、和谐地组合在一起，并用统一的方式处 理。 3）可靠性。系统在发生故障或数据输入不合理时，应有较强的抗干扰能力和抑 制故障的能力， 以免系统产生错误信息或遭到破坏。 在模块设计时， 对于一般性错误， 或者进行屏蔽，或者忽略，而对于十分严重的错误，系统会进行截获并提示用户如何 解决。 4.3.2 系统框架和功能模块划分 26 该系统软件由一串精选的、贯串电力系统分析这门课程的模块式案例组成，每一 个案例由几个模块组成，用一个故障恢复的案例来说明模块式案例的结构和功能。 例如该案例由六个模块组成，前五个为相关案例的几个方面的知识，以超文本和 多媒体的方式来体现知识的细节，拓宽学习者的知识面。静态设计要内容充实、重点 突出，要有非线性，借助超文本链接，以一种更灵活、更具变化的方式将教学信息呈 现给学生。动态设计要直观形象、层次清晰，多媒体课件的最大优点是可以用形象直 观的图形语言取代繁琐的文字描述,使一些教学难点变得一看就懂,一学就会。为此, 要最大限度地利用和发挥制作软件本身的动画功能。最后一个模块为案例的核心模 块，用前几个模块的知识和本模块相应的指导，调用 psasp 进行建构相应的案例系统 和进行仿真模拟。该模块又可以分为几个子模块： 图 4.2 故障恢复案例模块构成图 图 4.2 故障恢复案例模块构成图 其中“参考帮助多媒体演示”使用 authorware7.0 制作的,是系统提供的交互式 的案例系统建构和仿真分析过程的详细演示，供学习者参考，其中重点和难点部分配 有许多超文本用以帮助理解，有交互性和启发性。至于每个案例有几个模块要根据具 体案例划分。 总体介绍 模块 1 电力系统故障的产生、类型等 模块 2 故障恢复的指导方针 模块 3 故障恢复的使用工具介绍 模块 4 各类故障恢复的详述 模块 5 相关文献及信息 模块 6 案例设计分析和模拟仿真 27 4.3 案例设计分析和模拟仿真 案例设计分析和模拟仿真 下面是基于 psasp 的电力系统分析 cai 系统的设计的基本框图和各模块的目录 树： 图 4.4 系统的基本框架流程图 图 4.4 系统的基本框架流程图 图 4.5 psasp 概述目录树 图 4.5 psasp 概述目录树 开始画面 设计简介 系统简介 进入课程 学习目标 学习帮助 psap概述 元件特性模型 稳态潮流分析 故障计算分析 暂态稳定分析 建构一个什么样的系统 如何调用 psasp 建构 如何进行仿真模拟 参考帮助多媒体演示 psasp 概述 psasp简介 psasp 体系结 psasp 使用方法 交互使 用演示 28 图 4.6 元件的特性和数学模型 图 4.6 元件的特性和数学模型 图 4.7 稳态计算分析目录树 图 4.7 稳态计算分析目录树 图 4.8 暂态稳定计算分析目录树图 4.8 暂态稳定计算分析目录树 基于 psasp 的电力系统分析 cai 系统的设计的各个小模块彼此独立，通过菜单、 按钮、热区实现各个模块功能以及在各个模块间的跳转。 4.4 软件