課堂中的工程融合貫通式教學(xué)探索與實(shí)踐

摘要：電氣工程專業(yè)有一些重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大。以電力系統(tǒng)分析課程為例，介紹了在課堂中進(jìn)行工程融合貫通式教學(xué)的方法和經(jīng)驗(yàn)，在課堂中將理論教學(xué)與工程體驗(yàn)、工程應(yīng)用、工程創(chuàng)新研究性學(xué)習(xí)同步融合貫通，培養(yǎng)學(xué)生的工程思想、提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，對(duì)改變強(qiáng)理論性專業(yè)基礎(chǔ)課程與工程應(yīng)用脫節(jié)的傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行了有益探索。

關(guān)鍵詞：工程融合貫通；教學(xué)改革與實(shí)踐；電力系統(tǒng)分析

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）36-0140-02

培養(yǎng)工科學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力是工科教育“回歸工程實(shí)踐”教學(xué)改革的目標(biāo)，而要改變一些理論性很強(qiáng)的課程以教科書為中心、以教師講授為中心、以課堂為中心的傳統(tǒng)模式具有一定的難度，需要更加精心地設(shè)計(jì)。像電力系統(tǒng)分析這種理論性很強(qiáng)的課程特點(diǎn)是很難采用現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的方式，即便在現(xiàn)場(chǎng)，這些抽象理論很難直觀地呈現(xiàn)在同學(xué)們眼前。普通的CAI教學(xué)，也很容易變成黑板屏幕化的升級(jí)，而讓學(xué)生在缺乏理論基礎(chǔ)的條件下以研究性自主學(xué)習(xí)方式進(jìn)入工程實(shí)踐或項(xiàng)目研究，在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)也很難達(dá)到預(yù)期的效果。

課堂中的工程融合貫通式教學(xué)是我們?cè)诙嗄甑慕虒W(xué)實(shí)踐中，以自主開發(fā)的工程融合教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)，以工程為引導(dǎo)，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。將工程體驗(yàn)、工程應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)以及研究性學(xué)習(xí)融入整個(gè)教學(xué)過(guò)程，通過(guò)重構(gòu)課程體系和教學(xué)內(nèi)容，將工程思想、理論學(xué)習(xí)和工程應(yīng)用融會(huì)貫通，在教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生建立工程概念、培養(yǎng)工程思想、提高工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神等，并建立起一套面向過(guò)程的過(guò)程評(píng)價(jià)體系。通過(guò)多種方式引導(dǎo)學(xué)生將理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的興趣，變“以教為主”為“以學(xué)為主”，變“灌輸式”為“啟發(fā)式”，變“苦學(xué)”為“樂(lè)學(xué)”，變“死學(xué)”為“創(chuàng)新”，激發(fā)學(xué)生的研究熱情、創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)精神。

一、電力系統(tǒng)分析課程特點(diǎn)

電力系統(tǒng)分析包括電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析，是一門理論分析嚴(yán)謹(jǐn)、涉及內(nèi)容廣泛的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)課程的樹型結(jié)構(gòu)圖中的位置如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，從課程之間的相互關(guān)系上看，它像是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，對(duì)后續(xù)課程起著承上啟下的作用；從課程的性質(zhì)上看，電力系統(tǒng)分析又是一門獨(dú)立的專業(yè)課，其重要性不言而喻。

由于“電力系統(tǒng)分析”課程將電工、電子、電機(jī)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、高等數(shù)學(xué)和最優(yōu)化理論等學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用于電力系統(tǒng)運(yùn)行分析和計(jì)算中，故這門課程難度較大，理論性強(qiáng)。因而長(zhǎng)期以來(lái)都被當(dāng)成一門強(qiáng)理論課來(lái)進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)。但電力系統(tǒng)分析的研究和服務(wù)對(duì)象是實(shí)際的電力系統(tǒng)，具有明顯的工程特點(diǎn)。另外，同學(xué)們對(duì)實(shí)際的電力系統(tǒng)，對(duì)電能生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)還缺乏必要的感性認(rèn)識(shí)，很難將書本知識(shí)和電力系統(tǒng)聯(lián)系在一起來(lái)理解和掌握，不知道這些知識(shí)在將來(lái)的工作中有什么用，更不會(huì)去思考如何應(yīng)用，由于難度大，很多同學(xué)存在畏難和厭學(xué)情緒。

二、構(gòu)建“工程融合貫通”的電力系統(tǒng)分析教學(xué)體系

針對(duì)本課程的特點(diǎn)，在教學(xué)中引入工程元素，將工程理念貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程，重構(gòu)課程體系和教學(xué)內(nèi)容，“工程融合貫通”的電力系統(tǒng)分析教學(xué)體系如圖2所示。

1.構(gòu)建可視化“工程融合”電力系統(tǒng)分析軟件教學(xué)平臺(tái)

在“工程融合貫通”的思想指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)多年不斷的研究、開發(fā)、修改、補(bǔ)充、完善，形成了一套完整的工程融合教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)開發(fā)以工程實(shí)際為背景，能同時(shí)進(jìn)行教學(xué)及工程體驗(yàn)與應(yīng)用，應(yīng)用實(shí)例既列舉了典型實(shí)例（IEEE的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)），又給出了與實(shí)際工程相結(jié)合的工程范例，以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程接觸到的就是生產(chǎn)實(shí)際中使用的，增加工程體驗(yàn)和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到學(xué)以致用的效果。通過(guò)使用該平臺(tái)教學(xué)，學(xué)生既可以加深對(duì)專業(yè)理論的進(jìn)一步理解，又可以初步掌握應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程的技能。這樣一來(lái)，培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生就可以達(dá)到基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的培養(yǎng)目標(biāo)。教學(xué)平臺(tái)的主要特點(diǎn)如下。

（1）理論與教學(xué)及工程實(shí)踐的緊密結(jié)合，即學(xué)生們?cè)谡n堂使用的教學(xué)軟件，就是他們今后工作中使用的軟件，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與工程實(shí)踐的無(wú)縫聯(lián)接。為此，我們?cè)谄脚_(tái)設(shè)計(jì)上既考慮了本科教學(xué)的基本需要，又考慮了電力系統(tǒng)工程的實(shí)際情況。例如，電力系統(tǒng)計(jì)算中的標(biāo)幺值與有名值的問(wèn)題。在教科書中，通常使用標(biāo)幺值，但作為工程實(shí)際應(yīng)用，則以有名值更為常用。為此，我們既考慮了標(biāo)幺值又考慮了有名值，以及標(biāo)幺值與有名值的轉(zhuǎn)換。由于兩者并存，在滿足教學(xué)需要的同時(shí)，又能夠進(jìn)行實(shí)際電力系統(tǒng)的分析計(jì)算，深受學(xué)生的歡迎。

（2）將可視化技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)分析計(jì)算，使原先枯燥無(wú)味的數(shù)值計(jì)算，變得十分形象有趣。例如，在電力系統(tǒng)潮流分析中，算法的收斂特性是一個(gè)十分難理解的概念。不同的算法具有不同的收斂特性，相同的算法不同的運(yùn)行狀態(tài)，收斂特性也不一樣。但是在傳統(tǒng)的教學(xué)中，學(xué)生僅從抽象的數(shù)學(xué)上是很難突破這一難點(diǎn)的。為此，我們專門設(shè)計(jì)了功率不平衡量圖像表示窗口，以形象地反映出算法的收斂特性。改變運(yùn)行參數(shù)，圖像窗口就可以得到不同的收斂特性（圖3）。由于圖像對(duì)認(rèn)識(shí)感官的沖擊，同學(xué)們對(duì)收斂特性的直觀認(rèn)識(shí)和內(nèi)在聯(lián)系加深了。

（3）多功能的系統(tǒng)集成，使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式、潮流分析、網(wǎng)絡(luò)等值、短路容量計(jì)算及比較、故障分析、保護(hù)整定及參數(shù)計(jì)算等，統(tǒng)一在一個(gè)用戶界面，提高了數(shù)據(jù)的共享程度，融匯了與電力系統(tǒng)分析課程相關(guān)的其他課程內(nèi)容，讓學(xué)生深刻理解到該課程在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的廣泛性和重要性。

（4）直接的工程體驗(yàn)。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，學(xué)生除了普遍反映課程難學(xué)以外，更重要是不知道學(xué)了有什么用，更不用說(shuō)去思考如何用了。在該教學(xué)平臺(tái)上，所學(xué)的知識(shí)直接反映到了工程應(yīng)用上，并能讓學(xué)生自己動(dòng)手操作，讓學(xué)生了解理論如何應(yīng)用到工程上，并能體驗(yàn)理論應(yīng)用的效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和研究熱情，進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)理論的理解。

2.工程應(yīng)用

單純的實(shí)驗(yàn)性或驗(yàn)證性的算例往往還不能激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的探索欲望，也往往被學(xué)生認(rèn)為是與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)的，因此，教學(xué)改革的另一關(guān)鍵是工程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)工程實(shí)現(xiàn)激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的原動(dòng)力和自主學(xué)習(xí)的激情。我們將教學(xué)平臺(tái)的部分成果轉(zhuǎn)化為直接為電網(wǎng)多個(gè)生產(chǎn)部門服務(wù)的生產(chǎn)軟件：（1）故障分析及整定計(jì)算，用于某調(diào)度中心進(jìn)行指揮調(diào)度電力系統(tǒng)的電力生產(chǎn)。（2）電網(wǎng)的潮流分析及參數(shù)計(jì)算，用于某供電局進(jìn)行指揮電力調(diào)度。以上幾個(gè)成功的工程應(yīng)用案例，對(duì)同學(xué)產(chǎn)生了強(qiáng)大的心理沖擊，知道自己所學(xué)的知識(shí)將來(lái)有什么用，如何用，這大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為同學(xué)自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

3.工程實(shí)踐與創(chuàng)新探索

在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程，也有部分實(shí)踐環(huán)節(jié)，如課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，但這些環(huán)節(jié)往往滯后于課程學(xué)習(xí)，同學(xué)們或已對(duì)課程學(xué)習(xí)的熱情減退，或?qū)W(xué)過(guò)的知識(shí)已有所遺忘，針對(duì)這樣的情況，在同學(xué)們進(jìn)行過(guò)工程應(yīng)用和體驗(yàn)后，趁學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和研究熱情高漲的時(shí)候，采用開放的帶工程背景的多樣性設(shè)計(jì)內(nèi)容，如系統(tǒng)等值、短路計(jì)算、潮流計(jì)算、安全分析、線路損耗等，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣進(jìn)行選擇，也可以自創(chuàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，尊重個(gè)性化的發(fā)展，挖掘?qū)W生創(chuàng)造潛能。培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，參與意識(shí)，更好地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、互動(dòng)性和進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、應(yīng)用創(chuàng)新，掌握隱含在問(wèn)題或?qū)嵗澈蟮闹R(shí)，變“以教為主”為“以學(xué)為主”，變“灌輸”為“啟發(fā)”，變“苦學(xué)”為“樂(lè)學(xué)”，變“死學(xué)”為“創(chuàng)新”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究熱情，獲得工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)成就感。

學(xué)生在此基礎(chǔ)上有的編寫了高技巧的算法，有的做出了應(yīng)用Internet工具進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算程序，有的研究基于云計(jì)算的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算，甚至有學(xué)生對(duì)一些具體地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)損進(jìn)行了分析，提出了自己的整改意見(jiàn)，并得到電網(wǎng)相關(guān)單位的采納。這些都體現(xiàn)了工程融合貫通教學(xué)所煥發(fā)的活力。

4.過(guò)程評(píng)價(jià)

對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況考評(píng)，也是教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，具有導(dǎo)向性。過(guò)程評(píng)價(jià)的理念是在學(xué)習(xí)中實(shí)施評(píng)價(jià)，在評(píng)價(jià)中促進(jìn)學(xué)習(xí)。從過(guò)去的只注重考試結(jié)果的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)移到關(guān)注學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，關(guān)注教學(xué)過(guò)程中學(xué)生過(guò)程性結(jié)果，如解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力等，及時(shí)地對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量水平做出判斷，肯定成績(jī)，找出問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)目標(biāo)與過(guò)程并重，把課堂討論、階段性知識(shí)點(diǎn)總結(jié)、工程應(yīng)用、設(shè)計(jì)能力與考試結(jié)果構(gòu)建成一個(gè)1∶1綜合測(cè)評(píng)體系，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行全面的考核，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面發(fā)展，取得了較好的教學(xué)效果。

三、結(jié)語(yǔ)

以上是我們?cè)诠こ倘诤县炌ǖ慕逃悸分笇?dǎo)下進(jìn)行的電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)改革的一些嘗試，是一個(gè)將理論學(xué)習(xí)、工程體驗(yàn)、研究性學(xué)習(xí)的融合探索過(guò)程，課程教學(xué)中，體現(xiàn)出形象生動(dòng)的CAI作用，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐的實(shí)例，學(xué)生從中學(xué)習(xí)和了解到工程應(yīng)用的思路與方法，激勵(lì)了學(xué)習(xí)的興趣和研究的積極性。并通過(guò)同步實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，發(fā)揮同學(xué)自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)的熱情，激發(fā)創(chuàng)新潛能，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得自信與成就感，同時(shí)教師在構(gòu)建教學(xué)平臺(tái)過(guò)程中同樣經(jīng)歷了工程應(yīng)用、成果轉(zhuǎn)化的過(guò)程，提高了師資隊(duì)伍的建設(shè)，并在與學(xué)生的互動(dòng)創(chuàng)新中收獲了課堂改革的樂(lè)趣和新成果，為強(qiáng)理論課程的課堂教學(xué)改革進(jìn)行了有益的探索。

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（責(zé)任編輯：劉麗娜）