農(nóng)業(yè)院校水利類本科專業(yè)《水電站》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革研究
——以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程專業(yè)為例

張小艷，齊廣平，張 芮，薛 媛，王玉才

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，蘭州 730070)

水利類專業(yè)主要培養(yǎng)從事水利水電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理的高級(jí)工程技術(shù)人才。水利水電工程專業(yè)中，“水電站”與“水工建筑物”“水利工程施工”并列為三大核心專業(yè)課程，課程所講授的內(nèi)容是水利類專業(yè)所獨(dú)有的，也是該專業(yè)區(qū)別于其他專業(yè)的關(guān)鍵所在[1]，在水利類專業(yè)人才培養(yǎng)中起到了舉足輕重的作用。本課程涉及面廣泛，既有理論作為依托，又有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，內(nèi)容豐富的同時(shí)，重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容也較多，因此，在課程安排上始終堅(jiān)持先機(jī)電后建筑、先總體后專題、先基礎(chǔ)后專業(yè)的原則。課程教學(xué)非常注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，用實(shí)驗(yàn)來夯實(shí)理論基礎(chǔ)。目前，針對(duì)水電站課程的教學(xué)改革研究相對(duì)較多[2-5]，但對(duì)課程實(shí)驗(yàn)部分的改革探索卻相對(duì)較少。本文主要從加強(qiáng)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面，側(cè)重對(duì)水電站實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，將演示性為主的試驗(yàn)拓寬為集演示、驗(yàn)證、操作、計(jì)算、分析于一體的綜合性實(shí)驗(yàn)。

1 水電站課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法保守

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)踐教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，但當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在重理論、輕實(shí)踐[6]，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)短缺，設(shè)備更新慢[7]，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)更新不及時(shí)等問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不高。以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，傳統(tǒng)服務(wù)于水電站課程的實(shí)驗(yàn)室有水工模型廳、水工及水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室等，利用這些現(xiàn)有教學(xué)設(shè)施，實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了一定的成效，但受限于模型老化、設(shè)備落后等硬件實(shí)際，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一且提升空間有限，對(duì)理論教學(xué)的輔助作用得不到有效發(fā)揮。如水輪機(jī)演示實(shí)驗(yàn)中的混流式、軸流式、斜流式、貫流式、沖擊式水輪機(jī)大多為塑料制造的仿真模型，雖能使學(xué)生理解各種類型水輪機(jī)的特點(diǎn)及原理，但無法將水電站中能量轉(zhuǎn)換的過程如實(shí)地展示給同學(xué)，試驗(yàn)及學(xué)生學(xué)習(xí)效果均欠佳。另外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，較為普遍的是，教師講授實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生參照指導(dǎo)書上的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這種模式導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容比較單一，甚至存在報(bào)告抄襲的問題，實(shí)驗(yàn)及教學(xué)效果大打折扣。

1.2 教學(xué)手段傳統(tǒng)，教學(xué)方式創(chuàng)新不足

水電站課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括水輪機(jī)演示實(shí)驗(yàn)、水錘調(diào)保和調(diào)壓室水位波動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)、水電站壓力管道模型參觀和水電站廠房模型參觀等?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是演示實(shí)驗(yàn)和模型參觀，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)開展較少，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)更少。試驗(yàn)過程中，學(xué)生主要是按照既定的內(nèi)容和步驟進(jìn)行操作，學(xué)生的計(jì)算分析能力和創(chuàng)新能力都不能得到有效的鍛煉，學(xué)生對(duì)課程有關(guān)知識(shí)的理解無法深化，實(shí)現(xiàn)不了“一人一題”的實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量也普遍不高，對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)配合及解決實(shí)際問題能力的提升非常有限。

1.3 生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)合不緊密，實(shí)驗(yàn)效果偏弱

水電站課程的主要內(nèi)容包括水輪機(jī)、水電站輸水系統(tǒng)、水電站廠房[1]三部分，內(nèi)容相互獨(dú)立又互相聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)完整的課程體系。本課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐教學(xué)需要與工程實(shí)際緊密結(jié)合，才能取得預(yù)期的理想效果。實(shí)驗(yàn)的目的就是補(bǔ)充課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)不了的部分，根據(jù)這一目的已安排學(xué)生在劉家峽水電站等水利樞紐實(shí)習(xí)，但由于水利工程處于運(yùn)行狀態(tài)，水輪機(jī)、輸水系統(tǒng)等水利機(jī)電設(shè)備均安裝在廠房?jī)?nèi)部，學(xué)生實(shí)習(xí)過程中無法深度參與。而室內(nèi)實(shí)驗(yàn)都是采用小尺寸的教學(xué)仿真模型演示，并非實(shí)際工程的科研模型[8]，模型結(jié)構(gòu)單一，不能聯(lián)合展示整體工程運(yùn)行效果，試驗(yàn)中學(xué)生無法理解系統(tǒng)工程概念。學(xué)生自身知識(shí)局限性及工程經(jīng)驗(yàn)的欠缺，導(dǎo)致專業(yè)課程學(xué)習(xí)越學(xué)越吃力，有關(guān)知識(shí)不僅得不到鞏固，反而影響到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果。

2 水電站課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 從學(xué)校、學(xué)院等各個(gè)層面加強(qiáng)對(duì)實(shí)踐教學(xué)重視程度

充分利用甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)校立項(xiàng)資助的“水利水電工程專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目和農(nóng)業(yè)水利工程一流本科專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目這一機(jī)遇，圍繞甘肅及西北地區(qū)水資源緊缺、水旱災(zāi)害頻發(fā)及水環(huán)境保護(hù)等專業(yè)性課題，緊密結(jié)合水利水電開發(fā)、水資源優(yōu)化配置、防洪抗旱及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程建設(shè)等對(duì)本科人才知識(shí)、能力的新要求，從加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)專業(yè)能力建設(shè)、改革人才培養(yǎng)模式、優(yōu)化人才培養(yǎng)方案等具體工作入手，突出實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)成效，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的創(chuàng)新應(yīng)用型人才。

2.2 加強(qiáng)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，鞏固實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件基礎(chǔ)

近幾年，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如針對(duì)水電站課程新建了水力發(fā)電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(實(shí)驗(yàn)室布置如圖)，主要由水輪機(jī)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、電渦流制動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、供水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻柜、負(fù)載柜、操作柜、壓力水管、尾水罐、計(jì)算機(jī)及測(cè)試軟件等組成。實(shí)驗(yàn)原理為水經(jīng)供水泵增壓后，流入壓力水罐穩(wěn)壓后進(jìn)入水輪機(jī)，水輪機(jī)將水的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、電渦流制動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并通過負(fù)載柜消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的電能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以展示輸水系統(tǒng)、廠房?jī)?nèi)的機(jī)械設(shè)備及水電站的調(diào)節(jié)過程。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)圖

試驗(yàn)過程中，學(xué)生每4-7人一組，每人輪流完成操作、記錄、計(jì)算、分析等試驗(yàn)過程。學(xué)生需要自己變動(dòng)試驗(yàn)荷載，調(diào)節(jié)荷載所需要的流量，由于每組試驗(yàn)水平不同、外在荷載不同、流量不同，計(jì)算的結(jié)果也就不相同，這樣就實(shí)現(xiàn)了“一人一題”。試驗(yàn)由原來的“看”“聽”被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)椤白觥薄八恪敝鲃?dòng)解決實(shí)際問題。同時(shí)，組員相互配合完成試驗(yàn)全過程，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)配合協(xié)作意識(shí)。另外，在課程講授中，因?qū)I(yè)及學(xué)時(shí)的限制，電的部分涉及相對(duì)較少，綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還包括了“電”的內(nèi)容，課程內(nèi)容得到進(jìn)一步補(bǔ)充完善。綜合實(shí)驗(yàn)將水電站從水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程予以全流程展示，學(xué)生可以直觀地掌握水電站運(yùn)行的全過程，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)生的電能帶動(dòng)小風(fēng)扇工作，試驗(yàn)過程科學(xué)完善、直觀生動(dòng)，充滿趣味性，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更易被學(xué)生接受，真正做到了“知其然，亦知其所以然”。

2.3 堅(jiān)持以學(xué)生為主體，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方式。

(1)啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)。在具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)施多樣化教學(xué)方法，采取研究式、啟發(fā)式、交互式和探索式等教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)教與學(xué)兩個(gè)方面的積極性，使學(xué)生更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)過程中，積極開展實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論，將實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)引導(dǎo)，教師只講授實(shí)驗(yàn)原理及儀器的使用，如學(xué)生自己動(dòng)手調(diào)試水輪機(jī)開度，調(diào)節(jié)流量，分析能量是如何轉(zhuǎn)換的，能量損失在哪些環(huán)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)電量的調(diào)節(jié)等，提高了學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力，為課堂講授內(nèi)容建立起了實(shí)體概念，也為今后從事具體專業(yè)工作奠定了基礎(chǔ)，真正達(dá)到了試驗(yàn)輔助教學(xué)的目的。

(2)完善教學(xué)程序，堅(jiān)持以學(xué)生為主體。在教學(xué)程序上，采取課前預(yù)習(xí)、課堂講解、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、學(xué)生試驗(yàn)、后續(xù)總結(jié)的形式，實(shí)踐教學(xué)中努力實(shí)現(xiàn)教師主導(dǎo)與學(xué)生主體的有機(jī)統(tǒng)一。綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比例的提升，有效實(shí)現(xiàn)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟等方面的自主發(fā)揮，培養(yǎng)和提升了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

(3)將結(jié)果驗(yàn)證轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程設(shè)計(jì)，提升學(xué)生自主能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生不僅要理解實(shí)驗(yàn)的總體方案，還要掌握每個(gè)步驟的原理和要點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的發(fā)生、發(fā)展過程充分展示，始終保持一種主動(dòng)接受知識(shí)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，教師傳授知識(shí)，并留出充分的時(shí)間和空間，引導(dǎo)學(xué)生理解知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)。

2.4 其他方面

實(shí)驗(yàn)方式由原來的演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合實(shí)驗(yàn)，對(duì)教師也提出了更高要求，如課前需要提前設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，提前預(yù)測(cè)學(xué)生可能遇到的問題及難點(diǎn)，做好解決預(yù)案，合理應(yīng)對(duì)。同時(shí)，教師應(yīng)實(shí)時(shí)更新課程內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合實(shí)體工程，讓課程內(nèi)容更飽滿，更貼近工程實(shí)際，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 結(jié)語

總之，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)建設(shè)改革，更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建立綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化試驗(yàn)過程，除了滿足課程實(shí)驗(yàn)外，還可適當(dāng)提高學(xué)生自主實(shí)踐的比重，彌補(bǔ)教學(xué)中實(shí)際操作少的不足。改革后的教學(xué)方法，提高了本科學(xué)生分析問題和解決問題的能力，是解決當(dāng)前本科學(xué)生動(dòng)手能力低下的有效途徑之一；為水利類專業(yè)的本科生和水電站的技術(shù)人員培訓(xùn)提供實(shí)習(xí)、運(yùn)行培訓(xùn)基地，為研究生培養(yǎng)提供可靠的實(shí)驗(yàn)條件；也為甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程專業(yè)本科校級(jí)特色專業(yè)建設(shè)進(jìn)行了積極探索。