新工科背景下的立體化教學(xué)內(nèi)容探究

雷曉輝 龍巖 柴蓓蓓

[摘 要] 在新工科背景下，總結(jié)“水電站”課程教學(xué)痛點(diǎn)問題，把新工科的改革與學(xué)生的需求融合在一起，從“認(rèn)知、技能、素養(yǎng)”三方面，構(gòu)建以問題導(dǎo)向?yàn)橹骶€的立體化、多層次、多形式的課程教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)教學(xué)內(nèi)容著眼于學(xué)情分析，對象分析；根據(jù)知識點(diǎn)分布，將教學(xué)內(nèi)容分為三個(gè)階段：水電站基本理論階段；水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行相關(guān)技能階段；水電站復(fù)雜問題解決階段。從思想政治融合、工匠精神培養(yǎng)、緊跟前沿三個(gè)層次豐富和深化教學(xué)內(nèi)容，打造了基于問題導(dǎo)向、突出學(xué)生中心、關(guān)注產(chǎn)出實(shí)效的立體化教學(xué)內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞] 新工科；水電站；教學(xué)目標(biāo)；立體化教學(xué)內(nèi)容

[基金項(xiàng)目] 2020年度河北省教育廳教改項(xiàng)目“新工科背景下的‘虛實(shí)結(jié)合’教學(xué)模式探索與實(shí)踐”（2020GJJG185）

[作者簡介] 雷曉輝（1974—），男，陜西澄城人，博士，河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院教授級高級工程師，主要從事水系統(tǒng)調(diào)度研究；龍 巖（1989—），女，河北保定人，博士，河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院講師（通信作者），主要從事水力優(yōu)化調(diào)度研究。

[中圖分類號] C229.29 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0114-04 [收稿日期] 2021-04-30

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工程教育受到世界各國的高度重視。目前，我國推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”倡議，落實(shí)“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等[1]。以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求，對學(xué)生的綜合素質(zhì)有了更高標(biāo)準(zhǔn)，改革創(chuàng)新現(xiàn)有工程教育是目前我國面臨的重大挑戰(zhàn)，工科專業(yè)面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，使得新工科建設(shè)成為當(dāng)務(wù)之急和長遠(yuǎn)之策[2-4]。2017年發(fā)布的“復(fù)旦共識”明確指出，加快建設(shè)和發(fā)展新工科，一方面要主動設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，另一方面要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新[5]。這說明新工科的建設(shè)既包括那些瞄準(zhǔn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)設(shè)置的新專業(yè)，也包括對現(xiàn)有工科專業(yè)的改造升級[6，7]。但是目前教育模式使學(xué)生對專業(yè)知識缺乏深刻理解，解決復(fù)雜工程和重大工程問題的能力不足，無法滿足未來工程發(fā)展的新需求。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)值計(jì)算云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)日臻成熟，針對那些高危型、高能耗、不可及、不可逆的操作，可采用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，既解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)困難、實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，又是培養(yǎng)新工科“智能+專業(yè)”科學(xué)思維模式重要示范。

一、“水電站”課程存在的問題

“水電站”是一門綜合性強(qiáng)、涉及知識面廣的必修專業(yè)課。在教學(xué)過程中存在諸多教學(xué)問題，使學(xué)生對專業(yè)知識缺乏深刻理解，解決復(fù)雜工程問題時(shí)的能力不足，無法滿足未來工程行業(yè)發(fā)展的新需求。水電站教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過不斷學(xué)習(xí)和摸索，改變傳統(tǒng)的“注入式”教學(xué)方法，代之以“突出以學(xué)生為中心，關(guān)注產(chǎn)出實(shí)效”的新型教學(xué)模式，有效解決教學(xué)中以下痛點(diǎn)問題。

（1）水電站由輸水系統(tǒng)、廠房、水力發(fā)電機(jī)3大部分組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多，單純依靠教材不容易講清楚，學(xué)生也很難認(rèn)識準(zhǔn)確（；2）水電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水輪機(jī)選型都存在大量的水力計(jì)算工作，傳統(tǒng)的手工計(jì)算煩瑣且容易出錯(cuò)，而且已經(jīng)很難跟上計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的需要（；3）傳統(tǒng)的水電站虛擬仿真平臺，只停留在認(rèn)識實(shí)現(xiàn)層面，缺乏水力學(xué)計(jì)算仿真的“大腦”環(huán)節(jié)，很難讓學(xué)生直觀的理解水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵知識點(diǎn)。（4）解決了教師照本宣科、學(xué)生被動接收，課堂教學(xué)以單向的知識傳遞為主、交流互動嚴(yán)重不足、難以真正教學(xué)相長的問題。

二、多層次教學(xué)目標(biāo)

基于上述痛點(diǎn)問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為首先要從教學(xué)目標(biāo)上進(jìn)行完善，把新工科的改革與學(xué)生的需求融合在一起，從“認(rèn)知、技能、素養(yǎng)”三方面，構(gòu)建以問題導(dǎo)向?yàn)橹骶€的立體化、多層次、多形式的課程教學(xué)目標(biāo)（圖1）。

（一）認(rèn)知培養(yǎng)

融合多個(gè)版本的《水電站》現(xiàn)有相關(guān)教材與《水工設(shè)計(jì)手冊》《水力機(jī)械》等多個(gè)參考書，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)長期承擔(dān)的相關(guān)科研經(jīng)歷，形成大工程、智慧化特色的“水電站”教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生掌握水電站相關(guān)基本概念和理論。

大工程特色主要體現(xiàn)在以三峽、龍羊峽、錦屏等典型大型水電工程為案例，介紹水輪機(jī)、引水系統(tǒng)、水電站廠房等相關(guān)知識點(diǎn)。

智慧化特色主要體現(xiàn)在經(jīng)典水電站課程相關(guān)知識點(diǎn)講解過程中，結(jié)合團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的智慧調(diào)度相關(guān)的科研項(xiàng)目，介紹本學(xué)科的在智慧化方面的最新進(jìn)展，特別是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生、5G等智慧化新技術(shù)在水電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。

（二）技能培養(yǎng)

圍繞“水電站”課程的三大知識點(diǎn)：水輪機(jī)、引水系統(tǒng)和水電站廠房，通過針對性設(shè)置課后作業(yè)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生能夠根據(jù)工程特點(diǎn)，進(jìn)行水輪機(jī)選型、輸水建筑物設(shè)計(jì)、廠房布置設(shè)計(jì)方面的專業(yè)技能，讓學(xué)生掌握水電站設(shè)計(jì)的基本方法。

（三）素養(yǎng)培養(yǎng)

通過課堂開放式討論、課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新比賽等方式，引入基于Excel的VBA編程和虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用相關(guān)知識，對水電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的復(fù)雜問題進(jìn)行分析與優(yōu)化、比較與綜合的能力；并結(jié)合社會實(shí)踐、科技創(chuàng)新等形式，拓展實(shí)踐情景，塑造德、善、勤、技、新的五全工程人。

三、立體化教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容著眼于學(xué)情分析，對象分析。根據(jù)知識點(diǎn)分布，將教學(xué)內(nèi)容分為三個(gè)階段：（1）水電站基本理論；（2）水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行相關(guān)技能；（3）水電站復(fù)雜問題解決。從思想政治融合、工匠精神培養(yǎng)、緊跟前沿三層次豐富和深化教學(xué)內(nèi)容。

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[8]。教育部2020年發(fā)布的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出“建設(shè)高水平人才培養(yǎng)體系，必須將思想政治工作體系貫通其中，必須抓好課程思政建設(shè)，解決好專業(yè)教育和思想政治教育‘兩張皮’問題”。教學(xué)團(tuán)隊(duì)牢記“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”，情系中國水電，以講好“精工鑄新”智慧水電故事，培養(yǎng)“崇德尚善”新時(shí)代工程人為建設(shè)目標(biāo)，構(gòu)建包含“發(fā)展歷史、典型工程、工程事故、科學(xué)人物”四大模塊的思想政治案例庫，利用自主研發(fā)的虛擬仿真平臺，從價(jià)值、情感、認(rèn)知、技能、行動五維度融入思想政治元素，優(yōu)化內(nèi)容供給，培養(yǎng)崇德尚善美德，傳承科學(xué)家與工匠精神，增強(qiáng)中國水電“大國重器”之家國情懷與民族自豪感，強(qiáng)化“自主研發(fā)、精工鑄新”意識。并結(jié)合社會實(shí)踐、科技創(chuàng)新等形式，拓展實(shí)踐情景，塑造德、善、勤、技、新的五全工程人。

（一）水電站基礎(chǔ)理論階段

傳統(tǒng)“水電站”教學(xué)中，教材是學(xué)生的唯一學(xué)習(xí)內(nèi)容，是學(xué)生知識的主要來源，一旦所學(xué)教材老舊，知識點(diǎn)及案例落后，就會導(dǎo)致學(xué)生跟不上時(shí)代的步伐，不符合新工科的培養(yǎng)要求?；诖耍虒W(xué)團(tuán)隊(duì)在教科書基本知識點(diǎn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，向?qū)W生系統(tǒng)介紹我國和世界水電發(fā)展的現(xiàn)狀及未來，特別是重點(diǎn)介紹我國以三峽工程為首的5座巨型水電站的裝機(jī)規(guī)模位居全球水電前10名?！笆奈濉逼陂g，國家啟動了雅魯藏布江大拐彎的水電開發(fā)戰(zhàn)略，在這個(gè)區(qū)域要建設(shè)3個(gè)三峽工程規(guī)模的水電站群。從而讓學(xué)生了解我國水電建設(shè)、運(yùn)行和管理走在世界前列，而且未來我國的水電開發(fā)是大有可為的。此外，介紹已經(jīng)實(shí)施多年的中國水電“走出去”戰(zhàn)略，我們國家水電建設(shè)大軍沿著“一帶一路”已經(jīng)走遍世界各地，成為全球水電開發(fā)的主力軍，讓學(xué)生了解水電開發(fā)在世界也是大有可為，從而樹立學(xué)生的專業(yè)自信和家國情懷。

（二）水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行相關(guān)技能階段

傳統(tǒng)的“水電站”教學(xué)中，關(guān)于水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)及運(yùn)行相關(guān)知識方面的講解，主要是注入式、滿堂灌，只研究教師如何“教”，忽略了學(xué)生如何“學(xué)”，學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力欠佳；基于此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過深度解析典型水電站事故成因，深化課程學(xué)習(xí)中水錘、調(diào)保、調(diào)度、保護(hù)等相關(guān)知識點(diǎn)，提升學(xué)生分析問題的綜合能力，并開闊學(xué)生的知識面。例如典型水電站事故選取薩彥—舒申斯克水電站（640萬千瓦裝機(jī)，是俄羅斯第一大水電站），該電站于2009年8月17日在維修過程中變壓器發(fā)生爆炸，水淹廠房、機(jī)毀人亡，這起事故造成75人死亡、13人受傷，經(jīng)濟(jì)損失17億元。以開放式教學(xué)方式和學(xué)生一起分析和討論事故成因，包括恐怖襲擊說、壓力鋼管爆裂說、變壓器爆炸說、設(shè)備老化說、調(diào)度失誤說和保護(hù)系統(tǒng)失效說等多種說法。由于事故成因涉及水電站的方方面面，從而讓學(xué)生能夠把“水電站”課程中學(xué)到的知識點(diǎn)以及其他課程相關(guān)知識點(diǎn)，在事故成因分析和討論過程中融會貫通，并培養(yǎng)學(xué)生深入分析問題的興趣和能力，同時(shí)可以大幅度開闊學(xué)生的知識面。

（三）水電站復(fù)雜問題解決階段

傳統(tǒng)的“水電站”教學(xué)中，學(xué)生對知識的掌握主要是靠死記硬背，學(xué)生的學(xué)習(xí)性不高，同時(shí)對專業(yè)知識缺乏深刻理解，解決復(fù)雜工程和重大工程問題時(shí)的能力不足，無法滿足未來工程發(fā)展的新需求；基于此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)與真實(shí)設(shè)計(jì)工作接軌，在課程設(shè)計(jì)中引入最新設(shè)計(jì)規(guī)范，作為參數(shù)選取的依據(jù)，并介紹人工智能+水電建設(shè)運(yùn)行的最新進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。以水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算課程設(shè)計(jì)為例，讓學(xué)生熟悉最新頒布的《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（NB/T 10342-2019），并以其為依據(jù)設(shè)置水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算中最大壓力、最小壓力和水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的閾值。從而可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，學(xué)生畢業(yè)后可以游刃有余的迎接實(shí)際工程設(shè)計(jì)、施工和管理工作的挑戰(zhàn)。隨著人工智能時(shí)代的到來，各種智慧技術(shù)都已經(jīng)深度融合到水電站的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理各個(gè)環(huán)節(jié)，通過給學(xué)生介紹人工智能賦能水電站建設(shè)運(yùn)行的最新進(jìn)展，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，并提升學(xué)生運(yùn)用人工智能的最新成果解決水電站相關(guān)問題的能力。

結(jié)語

基于問題導(dǎo)向、突出學(xué)生中心、關(guān)注產(chǎn)出實(shí)效的立體化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，既保證“水電站”課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，又保證相關(guān)教育活動的針對性、親和力、時(shí)代性、感染力的增強(qiáng)。本成果將問題導(dǎo)向、學(xué)習(xí)產(chǎn)出的理念與智慧教學(xué)理念相結(jié)合并加以實(shí)踐。

1.在水電站基礎(chǔ)理論部分，教學(xué)內(nèi)容融合大工程特色、智慧化特色，樹立專業(yè)自信和家國情懷。引入三峽等大型水電工程，講解水輪機(jī)、引水系統(tǒng)、水電站廠房等相關(guān)知識點(diǎn)和“智慧+水電”應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。通過介紹我國水電開發(fā)國際領(lǐng)先現(xiàn)狀和沿“一帶一路”“走出去”大有可為的戰(zhàn)略發(fā)展前景，使學(xué)生樹立專業(yè)自信和家國情懷。

2.在水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行技能部分，以薩彥—舒申斯克典型水電站事故為例，以開放式教學(xué)方式和學(xué)生一起深度解析典型事故成因，深化課程學(xué)習(xí)中水錘、調(diào)保、調(diào)度、保護(hù)等相關(guān)知識點(diǎn)，開闊國際視野，提升學(xué)生分析問題的高階思維能力和解決復(fù)雜問題的綜合能力。

3.在水電站復(fù)雜問題解決部分，與真實(shí)設(shè)計(jì)工作接軌，在課程設(shè)計(jì)中引入最新設(shè)計(jì)規(guī)范，鍛煉提升學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。介紹多重智慧技術(shù)深度融合到水電站的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理各個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)合人工智能賦能水電站建設(shè)運(yùn)行的最新進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與熱情，提升學(xué)生運(yùn)用人工智能的最新研究成果解決水電站綜合性復(fù)雜問題的高階能力。

參考文獻(xiàn)

[1]劉海峰，毛明杰，白俊英，等.“新工科”背景下土建水利類專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（29）：169-171.

[2]陳慧，陳敏.關(guān)于綜合性大學(xué)培養(yǎng)新工科人才的思考與探索[J].高等工程教育研究，2017（2）：19-23+47.

[3]徐雷，胡波，馮輝，等.關(guān)于綜合性高校開展新型工程教育的思考[J].高等工程教育研究，2017（2）：6-12.

[4]夏建國，趙建軍.新工科建設(shè)背景下地方高校工程教育改革發(fā)展芻議[J].高等工程教育研究，2017（3）：15-19+65.

[5]佚名.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[6]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[7]張存貴.新工科建設(shè)背景下學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)模式的探索與思考[J].職業(yè)技術(shù)教育，2019，17（40）：17-20.

[8]習(xí)近平在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程 開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[N].人民日報(bào)，2016-12-09（1）.

Three-dimensional Teaching Content under the Background of “Emerging Engineering Education”： Taking the Hydropower Station Course as an Example

LEI Xiao-huia， LONG Yana，c， CHAI Bei-beib

（a. School of Water Conservancy and Hydropower Engineering， b. School of Energy and Environmental Engineering， c. Key Laboratory of Intelligent Water Resources of Hebei Province， Hebei University of Engineering， Handan， Hebei 056038， China）

Abstract： Under the background of “emerging engineering education”， this paper summarizes the teaching difficulties of the Hydropower Station course， integrates the reform of “emerging engineering education” with the needs of students， and constructs the three-dimensional， multi-level and multi-form course teaching objectives with problem-orientation as the main line from the aspects of “cognition， skill and accomplishment”. At the same time， the teaching content focuses on the analysis of learning situation and object. According to the distribution of knowledge points， the teaching content is divided into three stages： the basic theory stage； the stage of skills related to the planning， design and operation； the stage of solving complex problems. The teaching content is enriched and deepened from the three levels of ideological and political integration， craftsman spirit cultivation， and keeping up with the forefront， and the three-dimensional teaching content based on problem-orientation， highlighting studentcentered， and paying attention to practical results is established.

Key words： “emerging engineering education”； Hydropower Station； teaching objectives； three-dimensional teaching content