《水電站電氣設(shè)備》課程教學(xué)改革實踐探索

曾勇紅

摘 要：《水電站電氣設(shè)備》課程內(nèi)容龐雜，涉及電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)以及工程經(jīng)濟學(xué)等學(xué)科的基本知識，學(xué)習(xí)難度較大。為全面推進教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，天津大學(xué)在新的一輪教學(xué)改革中，于2014年設(shè)立專項進行該課程的教學(xué)改革。項目從工、學(xué)、研一體化教學(xué)體系構(gòu)建、教材建設(shè)、認識實習(xí)基地建設(shè)和教學(xué)手段創(chuàng)新等四個方面進行課程整體改進，較好地解決了課時較少與課程內(nèi)容豐富之間的矛盾，使學(xué)生在有限的課時內(nèi)掌握水電站電氣設(shè)備的基本理論知識，并能應(yīng)用基本知識解決實際工程問題，為以后從事有關(guān)電氣設(shè)計、安裝、運行、維護及管理等工作奠定必要的基礎(chǔ)。文章總結(jié)了該課程教學(xué)改革中的一些成果和經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：水電站電氣設(shè)備；教學(xué)改革；教學(xué)方法

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）10-0094-03

Abstract： The course of electrical equipment of hydropower station is very complicated， involving the basic knowledge of electrical， mechanical， thermal and engineering economics. In order to comprehensively promote the "excellent engineer education and training program" of the Ministry of Education， Tianjin University set up a special teaching reform in the new round of teaching reform in 2014. The whole project improvement advances in four aspects from industry， academia and research of integrated teaching system construction， teaching material construction， practice base construction and teaching means innovation， solves the contradiction between less class time and rich curriculum content， which enable students to master the basic theoretical knowledge of hydropower station electrical equipment in the limited time， and apply these knowledge to solve practical engineering problems. The improvement lays the necessary foundation for students in the relevant electrical design， installation， operation， maintenance and management work in the future. This paper summarizes some experience in the teaching reform of the course.

Keywords： Electric equipment of hydropower station； teaching reform； teaching method

《水電站電氣設(shè)備》是水利水電工程專業(yè)的專業(yè)核心必修課，也是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程。為適應(yīng)水利事業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)水利工程師，在天津大學(xué)水利水電工程專業(yè)教學(xué)計劃中，目前該課程總學(xué)時數(shù)定為24個課時，共計1.5個學(xué)分。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握水電廠、變電站電氣主系統(tǒng)的設(shè)計與計算方法，使學(xué)生具備本專業(yè)高素質(zhì)勞動者所必需的基本知識和基本技能，樹立學(xué)生理論聯(lián)系實際的觀點，培養(yǎng)實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，為以后從事有關(guān)電氣設(shè)計、安裝、運行、維護及管理等工作奠定必要的基礎(chǔ)。

《水電站電氣設(shè)備》課程內(nèi)容涉及電力系統(tǒng)短路計算、電力系統(tǒng)可靠性計算和電力設(shè)備的運行維護等方面的先修知識，要想學(xué)好該門課程，必須具有電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)以及高級微觀經(jīng)濟學(xué)等學(xué)科的基本知識儲備。由于以往我國的水利工程專業(yè)教育偏重于水工結(jié)構(gòu)建設(shè)，學(xué)生普遍缺乏這些知識的深入了解，要想在24個課時內(nèi)達到課程目標(biāo)，對教師和學(xué)生都是極大的挑戰(zhàn)。隨著水電站機電一體化工作的全面推進，為了更好地適應(yīng)水利工程建設(shè)、生產(chǎn)、服務(wù)和管理第一線的需要，全面推進教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，天津大學(xué)在新的一輪教學(xué)改革中，于2014年設(shè)立專項研究《水電站電氣設(shè)備》的課程教學(xué)改革。項目從工、學(xué)、研一體化教學(xué)體系構(gòu)建、教材建設(shè)、認識實習(xí)基地建設(shè)和教學(xué)手段創(chuàng)新等四個方面進行了課程整體改進，讓學(xué)生在有限的課時內(nèi)積極參與課程教學(xué)和學(xué)習(xí)。不僅獲得了電氣方面的理論知識和實踐經(jīng)驗，而且還能把所學(xué)的知識應(yīng)用到工程設(shè)計中，提高專業(yè)知識、技能水平和綜合素質(zhì)，得到全面綜合的培養(yǎng)，成為一個可持續(xù)性發(fā)展的人才。文章總結(jié)了該課程教學(xué)改革中的一些成果和經(jīng)驗。

一、課堂教授與實踐相結(jié)合，構(gòu)建工、學(xué)、研一體化教學(xué)體系

工程教育的靈魂是知識的靈活運用。許多創(chuàng)新性思維和技術(shù)突破都是在邊學(xué)邊做中產(chǎn)生的。作為國內(nèi)老牌工科強校，天津大學(xué)也是我國最早開辦水利工程專業(yè)教育的院校，一直秉承“厚基礎(chǔ)，強動手”的教學(xué)理念。在本次教學(xué)改革試驗中，本課程注重培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用水電站電氣設(shè)備基本理論知識解決實際工程問題的能力，以工、學(xué)、研一體化教學(xué)體系為思路，將課堂基本知識應(yīng)用到具體工程實例中并進行全面的具體分析，從而形成了“教師教知識、學(xué)生學(xué)知識、知識該如何應(yīng)用”相結(jié)合即三位一體的教學(xué)新模式，加大與生產(chǎn)科研單位合作交流等三方面的實現(xiàn)突破。

在《水電站電氣設(shè)備》課程教學(xué)過程中，將科研中同本課程相關(guān)的最新研究動態(tài)和研究成果、新技術(shù)進行歸納整理，以活頁教材的形式在課堂上發(fā)給學(xué)生，以此將科研滲透到教學(xué)中，使學(xué)生了解該學(xué)科和技術(shù)發(fā)展的方向，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生進行探究式的課外延伸學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生研究的意識，調(diào)動和激發(fā)學(xué)生的興趣，為學(xué)生以后從事水電相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

二、編寫合適的教材

學(xué)科建設(shè)的成果必須體現(xiàn)在課程教材里，教材是專業(yè)的載體。只有課程和教材不斷更新，學(xué)生才能接觸到最新的研究成果，才能了解社會對人才的培養(yǎng)需求，學(xué)生才能跟上社會的步伐，實現(xiàn)良好的就業(yè)[1]。發(fā)電廠電氣設(shè)備選擇是發(fā)電廠設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，因此在我國電力工程專業(yè)的課程中占比較重，各大電力高校也編寫了許多非常優(yōu)秀的教材，有些甚至修訂到了第5版，有些也成為了電力工程專業(yè)的通用教材。但由于我國電力系統(tǒng)主要以火電為主，導(dǎo)致電氣與自動化工程學(xué)院開設(shè)的相關(guān)課程以及配套的教材（如《電能生產(chǎn)過程》）也基本以講述火電廠設(shè)備為主，與水利水電工程的電氣設(shè)備側(cè)重點并不完全相同。此外，由于電力工程專業(yè)和水利水電工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的不同，這類課程在教學(xué)課時和課程內(nèi)容銜接上也存在著較大的差別。雖然也有一些?？苹蚵殬I(yè)技術(shù)學(xué)院出版了水電站電氣設(shè)備（部分）的書籍，但多以小型水電站為主，從內(nèi)容的深度和廣度上遠遠不能達到水利水電工程卓越工程師教育培養(yǎng)的要旨。因此本課程改革編寫了一本適合水利水電工程專業(yè)本科層次教學(xué)需要、緊跟時代發(fā)展需要，以分析水電站發(fā)電機組為核心的水電站電氣設(shè)備教材，并將教學(xué)改革成果歸納整理，與國內(nèi)同行交流。在本教材編寫過程中，主要遵循以下三個原則。

（一）重點突出，精選內(nèi)容，按照水電能生產(chǎn)過程組織內(nèi)容

為實現(xiàn)學(xué)生對水力-機械-電能完整知識結(jié)構(gòu)的溝通和運用，具有更加全面和全局的水電能源開發(fā)利用理論與實踐技能，教材編寫中，以水電站電氣設(shè)備程運行過程中涉及的相關(guān)工程技術(shù)知識點為參考，基礎(chǔ)知識部分，重點突出如水電動力系統(tǒng)的組成及水電發(fā)電廠的電能生產(chǎn)過程與運行方式；水電廠、變電站主接線基本形式；同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)；空載和負載時的同步發(fā)電機的磁場；凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖；水電站配電裝置設(shè)計的基本要求，及屋內(nèi)配電裝置和屋外配電裝置的區(qū)別和聯(lián)系等相關(guān)知識。

（二）與時俱進，更新或增加在實踐中應(yīng)用日益廣泛的內(nèi)容

以當(dāng)前國內(nèi)外大型水電站電氣設(shè)備運行規(guī)程為參考，增加水輪發(fā)電機的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程等相關(guān)內(nèi)容，并以此分析發(fā)電機功率調(diào)節(jié)過程，進行水電廠的廠用電接線設(shè)計；對相關(guān)水電電氣設(shè)備的圖形符號和文字符號、工作原理及應(yīng)用場合進行分析；同時在教材中附上最新的水電廠變電站運行操作的相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，常用電氣設(shè)備使用的手冊，3～110kV水電廠變電站設(shè)計手冊等實際工作手冊，以便學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)、科研、工作中進行查閱。同時專門增加了工程案例解析，讓學(xué)生知道學(xué)的知識有什么用，該怎么用，提高學(xué)習(xí)興趣，有效提高了水電站電氣設(shè)備課程的教學(xué)效果，有力地促進了學(xué)生分析問題和解決問題能力的提升。

（三）體系完整，使教材有利于教學(xué)，充分有效地利用有限的教學(xué)課時數(shù)

按照基礎(chǔ)知識、理論分析、實踐應(yīng)用三個模塊來整體設(shè)計教材、通過綜合教材設(shè)計，理順各知識模塊之間的聯(lián)系；同時在書后附上相關(guān)思考題，列出思考題解答參考書目及相關(guān)參考文獻和參考網(wǎng)站的鏈接，充分調(diào)動學(xué)生的課后學(xué)習(xí)參與度，使學(xué)生可以利用課下時間自主學(xué)習(xí)。

三、建立認識實習(xí)基地

固定的實習(xí)基地是開展實踐教學(xué)的基本前提[2]。天津大學(xué)是我國最早建設(shè)有水利工程試驗室的高校，素有中國第一水工試驗所之稱，目前建有水利工程仿真與安全國家重點實驗室、水利工程仿真與安全監(jiān)測教育部工程研究中心以及水利工程實驗中心等國家及省部教學(xué)科研基地，這些科研設(shè)施無疑為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了便利。但遺憾的是，由于歷史原因，我校目前的水利工程研究依然以傳統(tǒng)水利研究方向為主，側(cè)重水利水電工程建設(shè)，核心專業(yè)課以水力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)為主。雖然早期的實驗室建有水電站電能生產(chǎn)過程模型，但現(xiàn)在基本已經(jīng)廢棄。從目前實驗室的條件來看，可用于模擬水力發(fā)電過程的物理模型幾乎沒有。這與本課程是一門理論知識與現(xiàn)場實踐緊密結(jié)合的特點不匹配，存在較大的缺陷。因此，本課程改革，除在已有教學(xué)計劃安排之列的認識實習(xí)中適當(dāng)增加水電廠設(shè)備的認識比重，還加強了和電氣與自動化工程學(xué)院各實驗室的交流與聯(lián)系，并在學(xué)校周邊建立了認識實習(xí)基地。

從最近幾年水利水電工程專業(yè)本科畢業(yè)生的去向來看，除了有一些去水電廠從事生產(chǎn)管理和電力調(diào)度外，進入各級水利水電規(guī)劃設(shè)計院電氣室的也不乏其人。目前已與中國長江三峽集團公司、豐滿水電站、潘家口水電站、二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司、天津電力公司等保持長期的交流合作，為我校水電站電氣設(shè)備課程建設(shè)和水電站電氣設(shè)備教師的工程素養(yǎng)提供了基本保證，同時也有力地支援了國家大型工程的建設(shè)。在認識實習(xí)基地建設(shè)中，一方面通過聘請一批水電廠、水利水電規(guī)劃設(shè)計院有豐富實踐經(jīng)驗的工程技術(shù)人員，擔(dān)任實踐課程指導(dǎo)教師；另一方面，建立與生產(chǎn)科研單位長期合作交流的機制。通過選派青年教師到工程一線鍛煉、現(xiàn)場學(xué)習(xí)以及與生產(chǎn)科研單位合作交流等環(huán)節(jié)，增加了青年教師的工程實踐經(jīng)驗，讓他們知道具體工程一線需要什么樣的人才，同時也加深實習(xí)單位對我校教師和學(xué)生的了解，形成良性循環(huán)的長期合作交流的機制。校內(nèi)教師同校外教師緊密聯(lián)系，通過“雙師”授課，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中，在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，對本課程涉及的實際工程活動有較深刻的理解。通過理論聯(lián)系實際，親身經(jīng)歷或看到一些工程實際問題是如何有效解決的，使學(xué)生了解領(lǐng)會和鞏固理論知識，將課堂上學(xué)到的知識在實踐中的運用，激發(fā)學(xué)生對新知識學(xué)習(xí)的深厚興趣。同時完善課程的考核機制，將認識實習(xí)基地的學(xué)生過程納入到課程最終考核，使考核能夠體現(xiàn)學(xué)生的整體專業(yè)水平和專業(yè)綜合素質(zhì)。以考促學(xué)，以此激勵學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

四、采用新的教學(xué)手段，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中的作用

（一）充分利用現(xiàn)代教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)點

利用多媒體設(shè)備和多媒體課件進行輔助教學(xué)，將難學(xué)的理論用媒體和圖片進行教學(xué)，配以課程設(shè)計、操作練習(xí)、配電設(shè)備生產(chǎn)實習(xí)和電站運行實習(xí)等，以動畫、三維彩圖、圖片和實物演示電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)和原理，中間穿插錄像教學(xué)片，在此基礎(chǔ)上不斷探索“黑板+粉筆”與“電腦+鼠標(biāo)”、“課室+實驗室”相結(jié)合的教學(xué)方式。加強學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，按水利行業(yè)崗位群的要求進行能力培養(yǎng)，全面提高學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)，從而使教師能充分利用課堂投入獲得良好的教學(xué)效果。

（二）以互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)為依托，豐富教學(xué)方法

隨著信息時代的到來，先進的信息技術(shù)逐漸融入各個領(lǐng)域的發(fā)展過程中，并起到了至關(guān)重要的作用[3]。傳統(tǒng)教育教學(xué)模式也受到了信息技術(shù)的影響而發(fā)生了巨大的改變，專業(yè)課程授課在互聯(lián)網(wǎng)+大背景下有了新的突破，以信息技術(shù)為依托的教學(xué)手段極大地提高了學(xué)生參與學(xué)習(xí)的主動性和積極性。在互聯(lián)網(wǎng)+教育視域下，豐富的網(wǎng)絡(luò)資源使得在線學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)成為課堂授課的有益補充，例如微課。本課程在授課過程中，可將部分章節(jié)，如“當(dāng)前最新水輪發(fā)電機組中，對導(dǎo)體發(fā)熱、電動力計算方法在實踐中的運用”；“廠用電接線的設(shè)計原則和接線形式”等內(nèi)容制成短小精悍的教學(xué)視頻，為學(xué)生提供多維度、多樣化的教學(xué)方式和課后預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)的學(xué)習(xí)資源。同時創(chuàng)立課程學(xué)習(xí)微信平臺，在微信平臺里及時對學(xué)生進行課后學(xué)習(xí)答疑及分享一些與課程相關(guān)的最新科研成果，為學(xué)生創(chuàng)造一個可以互相交流學(xué)習(xí)本課程的學(xué)習(xí)平臺，使學(xué)生通過課堂與課后有指導(dǎo)性的延伸學(xué)習(xí)，使本課程的學(xué)習(xí)達到應(yīng)有的教學(xué)深度和廣度。

通過本次課程改革，使得學(xué)生在整個教學(xué)過程中學(xué)習(xí)興趣濃厚，主動性和參與程度高，很好地提高了他們的專業(yè)能力，并引導(dǎo)學(xué)生積極參與各類科技創(chuàng)新大賽。教師也能充分利用課堂投入獲得良好的教學(xué)效果，而學(xué)生也通過課堂與課后有指導(dǎo)性的延伸學(xué)習(xí)，使對本課程的學(xué)習(xí)達到了應(yīng)有的教學(xué)深度和廣度；從水能資源利用的人才需求上完善學(xué)科建設(shè)，實現(xiàn)學(xué)生對水力-機械-電能完整知識結(jié)構(gòu)的溝通和運用，具有更加全面和全局的水電能源開發(fā)利用理論體系；加強了和國內(nèi)外其它學(xué)校的交流和合作，開闊了學(xué)生的國際視野，從新能源開發(fā)利用的角度拓寬了學(xué)生的就業(yè)面。

當(dāng)然，教學(xué)改革不是一蹴而就的，需要不斷改進和完善。在今后的實踐中，還需要在教學(xué)方法、教學(xué)手段和實踐環(huán)節(jié)等方面進一步加強和深化。

參考文獻

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