工程認證背景下的課程實踐教學創(chuàng)新體系

李繼清 吳月秋 紀昌明

[摘 要]以訓練學生的綜合性創(chuàng)新能力和實踐能力為教學目標，面向工程認證要求的水庫優(yōu)化調(diào)度課程實踐教學，是培養(yǎng)水文水資源工程專業(yè)創(chuàng)新人才的全新模式。本文從課程特色著手，結(jié)合工程教育專業(yè)認證要求，具體闡述了水庫優(yōu)化調(diào)度課程的上機安排、實驗教學、課程設(shè)計三個實踐環(huán)節(jié)。水庫優(yōu)化調(diào)度課程既有豐富的專業(yè)理論知識實踐，也囊括了寶貴的水電站優(yōu)化運行技術(shù)，將教學過程與工程實踐緊密結(jié)合，并提出了實踐教學過程中的創(chuàng)新改革及后續(xù)改進措施，以調(diào)度學生的實踐興趣，提高課程教學質(zhì)量和水文水資源工程專業(yè)的培養(yǎng)水平。

[關(guān)鍵詞] 實踐教學；創(chuàng)新體系；水庫優(yōu)化調(diào)度；改革探索

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）06-0040-04

工程教育專業(yè)認證是實現(xiàn)工程教育國際互認的重要途徑，教育部自 2006 年起在全國實施工程教育專業(yè)認證，并在試點過程中不斷修改和完善相關(guān)標準，增強工程教育人才培養(yǎng)的適應性[1][2]。面向工程教育專業(yè)認證人才培養(yǎng)的最終落腳點是在設(shè)計課程體系時所確定的課程理論和實踐培養(yǎng)體系，主要通過專業(yè)課程的教學來實現(xiàn)這一目標，因此，專業(yè)課程教學要求學生在掌握課程理論基礎(chǔ)上，著重提高動手能力和工程實際應用能力，注重實踐能力和創(chuàng)新意識以及科研工作和應急處置能力的培養(yǎng)[3][4]。

水庫優(yōu)化[3][4]調(diào)度課程是水文學與水資源工程專業(yè)的核心主干課程之一，是一門包含水庫實時、短期、中長期發(fā)電調(diào)度，防洪調(diào)度及綜合利用調(diào)度等課程理論知識單元，同時又包含實驗、上機、課程設(shè)計等實踐教學環(huán)節(jié)的綜合性課程，也是反映華北電力大學水電“電力特色”的專業(yè)主干課程。課程理論性和實踐性都很強，要實現(xiàn)從課本的基本理論方法到實際問題的實踐應用，需要加強實踐教學，從而增強學生的社會適應能力，有利于學生實際操作能力的培養(yǎng)，使他們在激烈的人才競爭中掌握主動權(quán)。本文從課程特色著手，結(jié)合工程教育專業(yè)認證要求，具體闡述了水庫優(yōu)化調(diào)度課程的上機安排、實驗教學和課程設(shè)計三個實踐環(huán)節(jié)，將教學過程與工程實踐緊密結(jié)合，并提出了實踐教學過程中的創(chuàng)新改革及后續(xù)改進措施，以提高課程教學質(zhì)量和水文水資源工程專業(yè)的培養(yǎng)水平。

一、課程特色

水庫優(yōu)化調(diào)度課程作為水資源可持續(xù)利用的科學基礎(chǔ)，將有力促進水資源，特別是流域水資源調(diào)度管理問題的解決。課程以水電系統(tǒng)優(yōu)化運行為理論基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)和各種優(yōu)化技術(shù)，尋求滿足調(diào)度原則的滿意的調(diào)度規(guī)劃方式、調(diào)度計劃、調(diào)度方案，呈現(xiàn)出很強的應用性[5][6]。為此，應高度重視課程的實踐教學，要求教師面向生產(chǎn)與科研實際，培養(yǎng)學生分析問題和解決實際問題的能力。

另一方面，專業(yè)學習是按一門門課程分塊學習的，但專業(yè)本身不是條塊的，而是一個有機體。水電站水庫優(yōu)化調(diào)度課程是水文水資源工程專業(yè)的核心專業(yè)課，內(nèi)容章節(jié)和其他專業(yè)課程之間有千絲萬縷的聯(lián)系，將綜合運用專業(yè)培養(yǎng)前期的高級語言程序設(shè)計（C）、VC++程序設(shè)計等計算機語言課程，水力學、水文學原理、水利經(jīng)濟、水文水利計算等專業(yè)基礎(chǔ)課和水資源開發(fā)利用、水文預報等專業(yè)課的內(nèi)容，教學中應讓學生清楚該課程所講的知識在專業(yè)體系中的位置和作用，以及和先修課程并行開設(shè)的其他專業(yè)課間的相互聯(lián)系，幫助學生把分散于各個學期學習的專業(yè)課程建立起聯(lián)系，形成知識體系，從而深入理解本課程實踐教學的重要性。

二、實踐教學體系

實踐環(huán)節(jié)（實驗課、實習、上機、課程設(shè)計等）是學生將理論應用于實踐的機會，是應用專業(yè)理論來解決工程實際問題的具體體現(xiàn)形式，對培養(yǎng)和提高學生的專業(yè)實踐能力具有舉足輕重的作用，是理論教學無法替代的[7]。對現(xiàn)行的實驗、課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)，學校教師足夠重視，但沒有引起部分學生的足夠重視，部分學生甚至相當不重視，導致學生的參與度不夠，實踐效果不佳。需要合理安排實踐環(huán)節(jié)，把學生的興趣和注意力吸引過來，激發(fā)他們的積極性和熱情，真正起到對學生實踐能力培養(yǎng)的作用。結(jié)合工程認證背景，本課程以能力為中心構(gòu)建課程實踐教學體系，拓寬基礎(chǔ)，注重實踐，加強能力培養(yǎng)，提高綜合素質(zhì)。具體來說，水庫優(yōu)化調(diào)度課程的實踐教學，配合課堂理論教學講授進度，適時安排課程上機，鞏固所學的理論知識；通過水庫調(diào)度高級應用軟件相關(guān)的實驗操作，使學生加深理解和掌握水庫運行調(diào)度的主要原理、方法，增加學生的感性認識、動手能力和創(chuàng)新意識。再通過課程設(shè)計，進一步鞏固和加深水庫中長期調(diào)度的理論知識，使學生了解水庫中長期優(yōu)化調(diào)度的步驟和方法，培養(yǎng)和提高學生獨立分析問題和運用所學理論知識解決實際問題的能力。課程的實踐教學環(huán)節(jié)部分學時占該課程總學時的三分之一，比其他課程的實踐教學明顯偏多，實踐體系框架詳見圖1。

（一）課程上機安排

計算機編程能力是學習水庫優(yōu)化調(diào)度課程的重要條件，結(jié)合課程特色和內(nèi)容要求，共安排了兩個不同目標的上機任務，主要讓學生進行上機編程作業(yè)訓練，內(nèi)容分別為某水電站水庫的實時（短期）廠內(nèi)優(yōu)化調(diào)度和常規(guī)調(diào)度圖調(diào)度。第1次上機任務，主要結(jié)合課程理論教學的實例，讓學生編制3臺機組組成的簡單水電站的廠內(nèi)實時優(yōu)化調(diào)度程序，得到電廠最優(yōu)運行策略，主要讓學生熟悉編程的思路和用計算機語言實現(xiàn)專業(yè)知識的方法；第2次上機任務，根據(jù)已知水庫的水位庫容曲線、耗水率、預想出力等基本資料和水電站常規(guī)調(diào)度圖，推求某一年水電站中長期運行計劃，需要學生根據(jù)數(shù)據(jù)離散化后的中長期常規(guī)調(diào)度圖，具體編制常規(guī)調(diào)度程序，得到水庫水電站某一年運行計劃過程，輸出各時段的電站出力、發(fā)電流量、發(fā)電量、庫容及對應水位，并計算全年的總發(fā)電量，這部分也是課程設(shè)計的前期基礎(chǔ)。計算過程中整個調(diào)度期（一年）的計算時段長不統(tǒng)一，汛期每旬為一個時段，其他每月為一個時段，且注意每月天數(shù)的變化。全班同學分為4個大組，每個大組計算的水庫起調(diào)水位不同，每個大組內(nèi)各位同學計算的入庫流量又不相同：原始各時段的流量×k（k=0.8-1.4，間隔0.1）。

（二）課程實驗環(huán)節(jié)

水庫運行調(diào)度實驗的總體目標是培養(yǎng)學生在掌握水庫運行調(diào)度的基本理論和知識的基礎(chǔ)上，應用水庫調(diào)度的常規(guī)方法和常用優(yōu)化方法，能夠獨立設(shè)計簡單的水電站水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件。實驗的難點是水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件的設(shè)計不僅需要扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，還需要一定的計算機能力。

1.實驗指導書編寫與多媒體課件開發(fā)

充分利用現(xiàn)代化的媒體技術(shù)，采用多種表現(xiàn)手段和方法，編寫了《水庫調(diào)度實驗指導書》，并開發(fā)了實驗操作過程多媒體輔助課件，已使用6年。針對專業(yè)課程的特點和具體要求，在實驗教材編寫過程中，側(cè)重對實驗目的、實驗原理、儀器結(jié)構(gòu)、實驗步驟、資料整理及思考題等部分進行詳細介紹，配有清晰的彩色實驗儀器結(jié)構(gòu)示意照片，力求詳細、直觀地將各個實驗的整個內(nèi)容體系和操作過程完整地呈現(xiàn)給學生。在實驗操作過程中多媒體輔助課件將實驗操作過程直觀、詳細展現(xiàn)出來，便于學生自學。學生可根據(jù)自己的實際時間和需要，采用靈活的方式（包括網(wǎng)絡）完成實驗理論學習，了解實驗的整體過程。

2.課程實驗內(nèi)容及要求

通過分組實驗，學習訓練和系統(tǒng)設(shè)計以及小組同學之間的相互交流、溝通、方案設(shè)計、最優(yōu)方案選擇，讓學生們加深了解水庫調(diào)度的原理過程，培養(yǎng)大學生團隊合作能力、獨立思考能力、動手能力以及解決問題的主動性[8]。設(shè)置了水情數(shù)據(jù)自動測報系統(tǒng)演示實驗、水電站水庫單庫運行調(diào)度、水電站水庫群運行調(diào)度、水電站水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)和水電站水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件總體設(shè)計，共計五個實驗。

實驗一是后續(xù)實驗的基礎(chǔ)，利用實驗室的水情數(shù)據(jù)自動測報系統(tǒng)，演示水情自動測報系統(tǒng)的基本知識（包括系統(tǒng)組成、功能等）和水情自動測報系統(tǒng)軟件的使用方法（包括登錄管理、數(shù)據(jù)下載、檢測狀況管理、基礎(chǔ)信息維護、用戶管理、原始數(shù)據(jù)管理、日志管理、數(shù)據(jù)導入、退出系統(tǒng)），全面、及時地反映流域的基本狀況，為防汛和水資源管理提供調(diào)度依據(jù)，讓學生詳細和深入地了解水情數(shù)據(jù)自動測報系統(tǒng)的功能和使用方法。實驗儀器包括：計算機、遙測終端（由監(jiān)測中心設(shè)備——RTU設(shè)備、中心站和遠程雨量、流量、水位等水文、氣象要素采集、傳輸和顯示設(shè)備等組成）[9]。

實驗二利用實驗室的計算機及單庫調(diào)度演示軟件，具體了解和掌握單一水電站水庫運行調(diào)度的基本內(nèi)容、模型和求解方法，主要是常規(guī)調(diào)度圖和調(diào)度函數(shù)方法和優(yōu)化調(diào)度的動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法。通過實例，分別演示了上述方法應用于單庫日負荷曲線運行和集中調(diào)峰運行時的優(yōu)化效果。

實驗三則側(cè)重于水電站水庫群運行調(diào)度的基本內(nèi)容、模型和求解方法，主要演示同一河流的梯級水庫群互相協(xié)調(diào)、共同調(diào)節(jié)徑流，滿足流域整體各部門的多種用水、用電需求。通過梯級電站蓄能調(diào)度圖常規(guī)方法、動態(tài)規(guī)劃及改進其算法和遺傳算法，實現(xiàn)梯級水電站群的聯(lián)合短期運行，實現(xiàn)電站間水量的相互補償，提高梯級水電站群綜合效益。

實驗四為綜合型實驗，利用計算機及水電站水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件，讓學生具體了解和掌握水電站水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件開發(fā)的基本內(nèi)容、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)使用方法。通過教學軟件，可實現(xiàn)水庫調(diào)度圖查詢、水電站水庫中長期調(diào)度和短期調(diào)度。水電站水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)是電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的一個重要組成部分，它是集電力、水文、計算機、網(wǎng)絡、通信等多專業(yè)的綜合性應用系統(tǒng)，主要進行與水庫運行有關(guān)的監(jiān)測、預報、調(diào)度和管理。該系統(tǒng)基于對歷史資料的收集與整理，依靠先進的采集和傳輸技術(shù)，及時準確地獲取水電站流域和其他相關(guān)系統(tǒng)的水文、氣象和水庫運行信息，利用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，進行在線水文預報和水務綜合管理等，依據(jù)相關(guān)數(shù)學模型和大型數(shù)據(jù)庫進行計算和處理，迅速提供包括防洪和發(fā)電在內(nèi)的綜合調(diào)度決策方案，其中的某一運行界面見圖2。

實驗五為利用水電站水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件總體設(shè)計教學多媒體軟件，展示水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)的開發(fā)流程，從可行性討論、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、程序開發(fā)、編碼和單元測試、系統(tǒng)測試及系統(tǒng)維護等方面對水電站水庫運行調(diào)度自動化系統(tǒng)的開發(fā)。

（三）課程設(shè)計

課程設(shè)計是對水庫優(yōu)化調(diào)度課程的總體檢驗，是將書本上學習到的理論知識應用于實際工程的綜合訓練。選擇調(diào)度內(nèi)容相對比較全面的水電站水庫中長期優(yōu)化調(diào)度為課程設(shè)計內(nèi)容，利用離散微分動態(tài)規(guī)劃的方法，進行確定性來水條件下的單一水電站水庫的長期最優(yōu)調(diào)度。具體的設(shè)計任務為：（1）編制確定性來水情況下用離散微分動態(tài)規(guī)劃（Discrete Differential Dynamic Programming，DDDP）制訂水電站水庫長期優(yōu)化運行方式的通用程序；（2）應用實際資料進行計算，驗證程序的正確性和計算結(jié)果的合理性。在課程設(shè)計中需要先利用第2次上機完成的常規(guī)調(diào)度策略，作為優(yōu)化的初始軌跡，再采用DDDP法進行優(yōu)化計算，輸出優(yōu)化后的最終的一年運行計劃，包括各時段的電站出力、發(fā)電流量、發(fā)電量、庫容及對應水位，計算全年的總發(fā)電量，繪制水庫調(diào)度的最優(yōu)軌跡圖，并與第2次上機的常規(guī)調(diào)度發(fā)電量、水庫實際運行的發(fā)電量進行對比，分析優(yōu)化的合理性和有效性。要求學生必須編程計算，與上機任務的布置方法類似，保證每人的初始條件不同，每人所做的結(jié)果不同。

三、實踐教學創(chuàng)新改革及措施

（一）分組方法多樣

為促進學生積極主動參與到水庫優(yōu)化調(diào)度課程的上機、實驗和課程設(shè)計中，在不同實踐環(huán)節(jié)中采用不同的分組方法。（1）根據(jù)編程語言分組。由于本科階段學生選課不同，掌握的編程語言和水平不一，因此學生可以選擇自己最為熟悉的編程語言完成任務，不要求采用統(tǒng)一的編程工具。（2）根據(jù)完成任務不同分組。完成上機任務中的中長期常規(guī)調(diào)度圖和課程設(shè)計的優(yōu)化調(diào)度任務時，根據(jù)起調(diào)水位不同，把全班分為4～5個大組，大組內(nèi)各位學生則又根據(jù)各時段入庫流量不同進行區(qū)分，避免學生相互抄襲。

（二）實驗方法改革

常規(guī)實驗和創(chuàng)新性實驗相結(jié)合。在常規(guī)實驗的基礎(chǔ)上，讓學生組建創(chuàng)新小組，利用現(xiàn)有的實驗設(shè)備和軟件系統(tǒng)，自行設(shè)計實驗，一般6～8人一組，并配備實驗指導教師，以此提高學生的科研意識和動手能力。進行單庫和梯級調(diào)度實驗時，讓學生結(jié)合實驗課件和軟件系統(tǒng)，到圖書館網(wǎng)上檢索系統(tǒng)查閱國內(nèi)外水庫調(diào)度的新方法，尤其是現(xiàn)代智能優(yōu)化算法；調(diào)度自動化軟件部分，讓學生嘗試編制新的目標函數(shù)調(diào)度程序，以對比不同目標下的調(diào)度結(jié)果的差別，這樣既擴大學生的知識面又豐富了實驗教學內(nèi)容，有助于明顯提高實驗教學質(zhì)量，進一步提高學生的學習興趣，為培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才提供了有力的保障。

（三）考核機制改革

實踐環(huán)節(jié)的考核手段很重要。實驗考核機制應充分考慮能否真實體現(xiàn)出學生的真實水平，做到公平、有效、正確的評價學生實踐能力。針對實踐教學中普遍存在著學生實驗、上機以及課程設(shè)計等環(huán)節(jié)質(zhì)量考核評價指標含糊，成績評定隨意、主觀等問題，采取分組考核、組內(nèi)檢查、過程監(jiān)督相結(jié)合的全方位綜合考核方法。分組考核：對學生進行分組，每個班分成4組，每組設(shè)組長，每組分別完成不同起調(diào)水位的水庫調(diào)度任務。組內(nèi)檢查：主要考核學生的出勤情況和對成果的貢獻，由各組長對組內(nèi)每位學生給出相應分數(shù)。過程監(jiān)督：主要采取教師定時或不定時巡查的方法，同時，完成解答疑問的教學任務，并適時根據(jù)實踐環(huán)節(jié)的開展情況采取必要的響應措施。最后，依據(jù)學生在整個實踐教學環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)和各實踐環(huán)節(jié)計算結(jié)果合理性、有效性和提交的實踐報告的質(zhì)量給出各環(huán)節(jié)的成績，最終成績分為優(yōu)、良、中、及格和不及格五個等級，并與理論教學的平時成績及結(jié)課考試成績共同構(gòu)成課程成績。

（四）后續(xù)改革措施

1.提高實驗課時和實驗項目數(shù)量，開設(shè)綜合性和創(chuàng)造性實驗。利用實驗指導書及實驗軟件，鼓勵學生探索新方法，并在實驗室老師的指導下獨立進行實驗，從而提高實驗室的利用效率和實驗教學效果[9]，解決了原來由于實驗課人多擁擠、多人共用儀器而帶來的實驗效果不理想的問題，并使實驗室大量空閑時間得到合理的利用。

2.加大實驗經(jīng)費的投入，建立高水平的實驗平臺。多方籌措資金加大實驗教學投入，自行設(shè)計制作與購置相結(jié)合，更新實驗教學設(shè)備，繼續(xù)設(shè)計開發(fā)相應開放性創(chuàng)新性實驗，為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力提供平臺。

3.與教師科研相結(jié)合，利用主講老師積累的實際科研項目資料，借助于計算機，把教材中的重要原理、重要算法以及重要步驟，通過實際操作對學生進行演示并加以解釋，以培養(yǎng)和提高學生解決實際問題的能力。將教學與科研緊密結(jié)合，一方面有利于高質(zhì)量人才的培養(yǎng)，另一方面對教師的科研課題的完成將起到推動作用。

四、結(jié)語

實踐教學是加深和鞏固理論知識的有效方法，也是培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。培養(yǎng)和提高學生的專業(yè)實踐能力是一個長期系統(tǒng)的工程，需要不斷地探索、思考、創(chuàng)新與發(fā)展，需要不斷地探索出更多的實踐資源與實踐途徑，進行全方位的立體改革。同時，按照實踐教學與理論教學并重方針，在培養(yǎng)學生實踐操作能力的同時促進對理論知識的理解和深化。只有這樣，才能更好地適應現(xiàn)代高等教育教學模式，與現(xiàn)今工程認證的大背景相融合，培養(yǎng)更多的社會需要的水文水資源工程專業(yè)應用型人才。

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[責任編輯：鐘 嵐]