工程驅(qū)動下的電氣工程基礎(chǔ)課程改革與實踐

趙海龍，林忠英，雷必成，陳志剛，陳 躍

（臺州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

1 引言

電氣工程基礎(chǔ)是電氣類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，主要內(nèi)容包括電能的生產(chǎn)、輸送、變配等相關(guān)的電力系統(tǒng)工程基礎(chǔ)理論和計算方法。課程教學(xué)目的是使學(xué)生具有基本的電力專業(yè)理論基礎(chǔ)知識和較強(qiáng)的工程計算分析應(yīng)用能力，同時為后續(xù)的電力系統(tǒng)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)［1-3］。

國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化教育體制機(jī)制改革的意見（2017—2020）》指出，要完善提高教育質(zhì)量的體制機(jī)制，強(qiáng)調(diào)工學(xué)結(jié)合的長效機(jī)制。為進(jìn)一步深化臺州學(xué)院“校企協(xié)同、雙核強(qiáng)化、學(xué)做相融”的人才培養(yǎng)模式，“電氣工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)在夯實學(xué)生電力基礎(chǔ)知識的前提下，以提高學(xué)生應(yīng)用素質(zhì)為核心，深入改革教學(xué)方法和手段，取得了較好的教學(xué)效果。但也存在著不足之處，尚需進(jìn)一步改進(jìn)與完善。隨著應(yīng)用型人才、工程化人才需求的逐年增加，臺州學(xué)院急需進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)改革，擴(kuò)大教學(xué)改革的范圍，并鞏固課程改革的成果。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 教材內(nèi)容與生產(chǎn)實際脫節(jié)

電力系統(tǒng)的發(fā)展速度非?？?，新算法、新技術(shù)、新設(shè)備更新?lián)Q代較快，而教材更新的速度卻較慢，造成部分內(nèi)容和現(xiàn)代社會的電力實際脫離。實踐實訓(xùn)條件是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要保障，是提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，目前基本教學(xué)實驗條件雖能得到保障，但是在創(chuàng)新平臺建設(shè)上投入還不夠。電氣工程強(qiáng)電類實驗室、實訓(xùn)平臺還不夠完善，實踐場地空間不夠，導(dǎo)致相關(guān)實驗室建設(shè)滯后，不能形成對授課內(nèi)容的補(bǔ)充與提高。

人才培養(yǎng)方案已經(jīng)完成“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)版本修訂。目前教學(xué)內(nèi)容急需大膽改革、優(yōu)化，案例教學(xué)、工程教學(xué)、實訓(xùn)實操等內(nèi)容需要不斷的提煉與設(shè)計，以滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)需要［1-3］。

2.2 教學(xué)方法傳統(tǒng)低效

當(dāng)前，電氣工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法仍然以“填鴨”式講授教學(xué)為主，教學(xué)方法傳統(tǒng)低效。在課堂教學(xué)中以教師為主體，學(xué)生為客體。教師只向?qū)W生講授理論知識，實驗部分亦多為驗證性實驗，且實驗設(shè)備多為傻瓜式成套設(shè)備，學(xué)生知其然而不知其所以然，嚴(yán)重缺乏學(xué)習(xí)積極性和主動性，對于知識的理解和掌握不夠深入，理論與實踐嚴(yán)重脫節(jié)，實際動手能力較低。這種傳統(tǒng)、陳舊單一的教學(xué)方法嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量，制約了學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，不適用于我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。因此，急需改變思路，變學(xué)生為主體，主動參與教學(xué)過程，對知識的掌握由表入里，靈活運(yùn)用理論知識，達(dá)到解決實際問題的目的［4-5］。

2.3 評價考核方式落后

考試是檢驗學(xué)習(xí)效果的重要手段，目前電氣工程基礎(chǔ)課程考核方式單一，還是以傳統(tǒng)的考試作為評價標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生在運(yùn)用知識解決問題的能力訓(xùn)練方面做得不夠，平時針對性訓(xùn)練較少。沒有相應(yīng)的實驗與實踐內(nèi)容，不能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對電力知識的牢固掌握能力。另外，因為課程內(nèi)容多，學(xué)時少，導(dǎo)致講授過程中速度有些過快，學(xué)生理解的不夠深入，教學(xué)效果不高［6-7］。

3 課程改革思路與實現(xiàn)

華東地區(qū)具有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能源構(gòu)成多樣、用電負(fù)荷密集、新技術(shù)與新設(shè)備集中示范應(yīng)用等特點，因此，國家、地方和行業(yè)均迫切需要大量的電氣工程及其自動化專業(yè)應(yīng)用型人才，進(jìn)一步提升科技創(chuàng)新水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。結(jié)合浙江省培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)行動計劃（2017—2020年）中列出的新興產(chǎn)業(yè)中與電氣工程專業(yè)密切相關(guān)的信息，從傳統(tǒng)的單一傳授型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以應(yīng)用能力培養(yǎng)為主軸，以提高應(yīng)用型工程師素質(zhì)為目的的新模式。

3.1 積極推進(jìn)課堂教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，完善教學(xué)內(nèi)容

電氣工程基礎(chǔ)課程中包含潮流計算、優(yōu)化計算、短路計算、穩(wěn)定計算等大量的計算知識，授課過程枯燥、繁瑣，教師難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。為此，在講解電力系統(tǒng)工程運(yùn)算過程中，結(jié)合目前流行的電力系統(tǒng)仿真軟件，如 Power World Simulator（PWS）、EMTP、MATLAB、PSASP 等，同時運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D建模技術(shù)及多媒體技術(shù)，將電力系統(tǒng)的基本概念、電力設(shè)備圖形的認(rèn)知、發(fā)電廠及變電站一次設(shè)備、發(fā)電廠及變電站的電氣間隔、變配電主接線有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)建具有3D可視效果的，可用于交互培訓(xùn)教學(xué)的三維仿真模型和虛擬場景。解決電氣工程圖的繪制與實際設(shè)備之間的脫節(jié)問題，幫助學(xué)生將零散的知識點系統(tǒng)的組建起來，并且可靈活反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作［8］。如以五節(jié)點網(wǎng)絡(luò)潮流計算為例進(jìn)行仿真研究，基于PWS牛頓—拉弗遜法五節(jié)點系統(tǒng)的仿真結(jié)果，如圖1所示，計算結(jié)果與手算結(jié)果完全一致。

圖1 仿真結(jié)果圖

3.2 運(yùn)用云教學(xué)手段開發(fā)案例式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的求知欲

教師在課堂上講深講透基本概念、基本原理、基本方法，點明教材中的重點和難點內(nèi)容，講清楚關(guān)鍵問題。充分應(yīng)用當(dāng)前先進(jìn)的云教學(xué)手段及翻轉(zhuǎn)課堂模式激發(fā)學(xué)生思維，活躍課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。在教學(xué)過程中，每個知識點以工程設(shè)計案例的形式進(jìn)行，課堂中提出問題，學(xué)生思考、討論、操作、總結(jié)，這樣學(xué)生的求知欲被調(diào)動，相對應(yīng)的理論知識也得以掌握［9-11］。

（1）引導(dǎo)階段。針對設(shè)計的某一工程案例，以教師講授為主，學(xué)生自學(xué)、思考和提問為輔，讓學(xué)生掌握實驗涉及的知識點、實驗器材的選擇與使用方法，以及實驗操作中的注意事項，實現(xiàn)激發(fā)學(xué)生思考和進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生盡快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)的引導(dǎo)目的。

（2）交流階段。在掌握基礎(chǔ)知識和相關(guān)實驗項目內(nèi)容的基礎(chǔ)上，由教師引導(dǎo)學(xué)生通過閱讀教材和補(bǔ)充材料發(fā)現(xiàn)問題（或者教師結(jié)合學(xué)生興趣和意見提出問題），通過小組討論、分工合作等方式查閱相關(guān)資料，關(guān)聯(lián)知識點，通過多次討論驗證提升學(xué)生的積極性，促進(jìn)師生之間、學(xué)生之間的交流和思維碰撞，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。

（3）實施應(yīng)用階段。在前兩階段的基礎(chǔ)上，先由教師演示虛擬仿真實驗平臺的使用方法，再讓學(xué)生在虛擬仿真實驗平臺上進(jìn)行虛擬實驗，加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的形象化理解與認(rèn)知，并鼓勵學(xué)生積極參與各種社會實踐活動，運(yùn)用課堂知識觀察生活，分析現(xiàn)實，解決問題和反思，促使學(xué)生在實踐和反思過程中提高自己的操作技能和實踐能力，進(jìn)而鞏固課堂知識。

3.3 數(shù)字虛擬實驗的引入，提高學(xué)生的感官認(rèn)識與理解

電力系統(tǒng)3D虛擬仿真系統(tǒng)平臺增加電力設(shè)備的形象感，直觀性強(qiáng)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)電氣工程圖相關(guān)知識和掌握電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。包括：發(fā)電廠、變電站主要電氣設(shè)備、主變間隔，出線間隔等4類電氣間隔、單母分段接線、單母線帶旁路母線接線和雙母線分段接線等電氣主接線學(xué)習(xí)等內(nèi)容；解決高壓危險環(huán)境下的操作及安全規(guī)范考核等，增強(qiáng)學(xué)生現(xiàn)實感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、高效性。

同時，有效解決電氣工程圖的繪制與實際設(shè)備之間的脫節(jié)問題，幫助學(xué)生將零散的知識點系統(tǒng)地組建起來，并且可靈活反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，鞏固相關(guān)知識，對提高電力類相關(guān)專業(yè)的課程教學(xué)與電力職業(yè)能力培養(yǎng)具有重要意義。高電壓技術(shù)中的高壓耐壓試驗在很多高校都是無法進(jìn)行，本課程中將數(shù)字虛擬實驗引入課堂，解決了實驗室環(huán)境存在涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題。以斷路器交流耐壓試驗為例，采用的虛擬高壓發(fā)生裝置如圖2所示，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖2 虛擬高壓發(fā)生裝置

圖3 仿真試驗現(xiàn)場

斷路器的交流耐壓實驗是指通過實驗變壓器在被試斷路器（試品）上施加交流電壓，斷路器在經(jīng)過一定的耐壓時間后，即可判斷斷路器的耐壓性能是否合格。斷路器的交流耐壓實驗一般采用交流耐壓操作箱和實驗變壓器進(jìn)行。經(jīng)過調(diào)整自耦調(diào)壓器的輸出電壓，實現(xiàn)實驗變壓器額定電壓范圍內(nèi)的工作電壓調(diào)節(jié)。同時操作箱內(nèi)裝有高壓電壓表、電流表，可方便地讀出實驗電壓值、電流值。該控制箱具有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、耐壓計時報警等功能。同時操作箱結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，使用簡便。

3.4 加大校企聯(lián)合培養(yǎng)，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力

當(dāng)前實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生到企業(yè)實習(xí)實訓(xùn)人數(shù)較少，不能形成規(guī)模，應(yīng)用型人才培養(yǎng)效果不顯著。而將企業(yè)生產(chǎn)過程與實際產(chǎn)品生產(chǎn)流程引入教學(xué)過程，推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容及方式改革，著力提升學(xué)生工程應(yīng)用能力勢在必行［1］。以產(chǎn)業(yè)行業(yè)對人才的多樣化崗位需求為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生的個性、特長，探索教學(xué)組織新模式，開展分層次、分崗位培養(yǎng)；主動對接臺州電力電子、泵與電機(jī)等相關(guān)企業(yè)，開設(shè)有利于本課程校企聯(lián)合實踐環(huán)節(jié)課程，由企業(yè)技術(shù)人員授課。臺州學(xué)院近年來在該方面做了大量的工作，與ABB公司共建ABB智能電力技術(shù)工程中心，與浙江優(yōu)億醫(yī)療器械有限公司聯(lián)建校內(nèi)實驗室，先后分別與臺州市依伽電子科技有限公司、溫嶺先導(dǎo)電機(jī)技術(shù)研究所、浙江尤里卡機(jī)電有限公司等7家企業(yè)合作共建校企合作培養(yǎng)基地等。校企合作充分體現(xiàn)了臺州學(xué)院“地方性、應(yīng)用性、綜合性”的辦學(xué)定位及“校企協(xié)同、雙核強(qiáng)化、學(xué)做相融”的培養(yǎng)模式。

另外，電氣工程基礎(chǔ)課程中的內(nèi)容涵蓋國家電網(wǎng)考試與注冊電氣工程師考試大綱中的內(nèi)容，因此，教師在授課過程中可結(jié)合國家電網(wǎng)考試和注冊電氣工程師的考試內(nèi)容，以范例的方式來講解。這不僅會讓學(xué)生對電氣工程中涉及的規(guī)范有一定了解，也能夠了解到將來參加的這種考試中的題型、難度及需要注意的事項，對學(xué)生今后考證有很大幫助。同時，還應(yīng)該鼓勵學(xué)生參與各種與電氣工程專業(yè)方向相關(guān)的多項競賽，如“大學(xué)生物理競賽”、“大學(xué)生電子設(shè)計競賽”、“大學(xué)生數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽”等，通過這些競賽，能讓學(xué)生更加明白和把握一個項目從設(shè)計到最終完成所需的全部任務(wù)。

4 結(jié)語

近年來，臺州學(xué)院電氣工程基礎(chǔ)教學(xué)建設(shè)已經(jīng)取得了良好的成果，在引進(jìn)了電力系統(tǒng)實驗設(shè)備及虛擬實驗手段后，教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生的應(yīng)用動手能力有了穩(wěn)步的提高，為后續(xù)電力系統(tǒng)方向的專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)。教學(xué)過程中運(yùn)用本文中的改革思路及虛實結(jié)合的教學(xué)手段，學(xué)生的積極性得到了極大的調(diào)動，畢業(yè)生進(jìn)入工作單位后的滿意度評價也明顯提高。下一步教學(xué)中將繼續(xù)加大虛擬實驗的建設(shè)，優(yōu)化案例式教學(xué)方法和手段，并逐步將本課程改革的思路和方法推廣到其他應(yīng)用型專業(yè)的課程中實施。