新工科背景下“電氣工程基礎(chǔ)”課程改革教學研究

劉廣敏 李小偉 解兆延 喬 昕

山東交通學院 山東濟南 250357

新工科(Emerging Engineering Education，3E)是中國為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，在新經(jīng)濟、新起點的大背景下提出來的概念，目前在社會各界和高等教育領(lǐng)域引起普遍關(guān)注和巨大反響[1-2]。新工科建設(shè)將階段性推進，需要重點把握學與教、實踐與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、本土化與國際化三個任務(wù)，關(guān)鍵在于實現(xiàn)立法保障、擴大辦學自主權(quán)、改革教育評價體系三個突破[3]。我國高等教育中的工科教育從規(guī)模上已經(jīng)是世界第一，畢業(yè)生規(guī)模占世界工科畢業(yè)生總數(shù)比例為全球第一(38%)[4]。因此，正如吳巖指出的那樣，理解新工科建設(shè)的重要性和緊迫性，一是要站在實現(xiàn)中華民族偉大復興大局和世界百年未有之大變局這兩個“大局”的背景下，二是要站在“兩化重疊”的背景下認識“新工科”建設(shè)的迫切性[5-6]。

1 在新工科建設(shè)要求下本課程現(xiàn)狀

1.1 課程定位與內(nèi)容分析

“電氣工程基礎(chǔ)”是本校軌道交通電氣與控制專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)電力系統(tǒng)分析、牽引供電、高電壓技術(shù)、微機運動監(jiān)控技術(shù)、繼電保護原理、接觸網(wǎng)等專業(yè)必修課及專業(yè)選修課的重要基礎(chǔ)。本課程包含電力系統(tǒng)的組成、特點，電力網(wǎng)分析，電力系統(tǒng)的一次設(shè)備，電力系統(tǒng)的主接線形式、配電裝置，電力系統(tǒng)的短路分析，繼電保護基礎(chǔ)知識，電力系統(tǒng)二次回路，電力系統(tǒng)的接地與接零等發(fā)、輸、變電的基礎(chǔ)知識。本課程涉及的電力系統(tǒng)的知識面比較廣，很多概念比較抽象，電力系統(tǒng)的一次設(shè)備、二次設(shè)備都是行業(yè)專用設(shè)備，同時又涉及了很多電力系統(tǒng)的國家標準及輸變電的基礎(chǔ)操作規(guī)程，課程難度大。采用傳統(tǒng)的課堂講授式教學，學生學起來很吃力，學習效果不好。本文結(jié)合本課程多次授課的實際教學經(jīng)驗，分析課程現(xiàn)狀及存在問題，探究課程教學改革措施，以提高學生對課程的興趣度，提升學生專業(yè)素質(zhì)，打造優(yōu)質(zhì)課程。

1.2 學情分析

根據(jù)本課程的多次授課經(jīng)驗，分析歷屆學生的學習情況，學情分析如下：

(1)本校為應(yīng)用型本科大學，學生入學分數(shù)不高，學習習慣或基礎(chǔ)不是特別好；

(2)經(jīng)過三個學期的學習，學生具備了一定的數(shù)學基礎(chǔ)、電路基礎(chǔ)、電子技術(shù)等基礎(chǔ)知識；

(3)本課程開在第四學期，大部分學生缺乏自主學習習慣，處于被動學習階段；

(4)本課程采用傳統(tǒng)“漫灌式”教學，學生接受度不好。

2 電氣工程基礎(chǔ)課程教學現(xiàn)狀及存在的問題

“電氣工程基礎(chǔ)”這門課程是本專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，教學現(xiàn)狀如下：

2.1 課程知識面廣、原理抽象、理論推導性強

本課程涉及電力系統(tǒng)的各類基礎(chǔ)知識，如行業(yè)專有名詞、各類原理以及電力系統(tǒng)的各種設(shè)備、基于各種基礎(chǔ)知識和電路原理的理論推導及理論分析等，既有廣度又有深度。采用傳統(tǒng)的以講授為主的授課方式，學生處于被動接收狀態(tài)，大部分學生學習主動性差，學習效果不好。

2.2 授課課時少、學習質(zhì)量差

在工程教育認證“厚基礎(chǔ)，寬口徑”的背景下，本專業(yè)人才培養(yǎng)方案調(diào)整，本課程僅有40學時，而本課程知識面廣、課程難度大，學生很難做到系統(tǒng)、全面地掌握電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，很難達到能夠進行基本的理論推導及理論分析，無法很好地完成教學目標。

2.3 教學手段單一，方式傳統(tǒng)

課程雖然也采用了多媒體課件、雨課堂測試、雨課堂點名、雨課堂作業(yè)等改進措施，但是課程主要以授課教師講授為主，學生處于被動接受狀態(tài)，屬于“填鴨式”教學，教學手段比較單一，方式傳統(tǒng)，不能很好地支持該課程教學目標的達成。

2.4 考核方式不科學

課程主要采用傳統(tǒng)講授式授課方式，對應(yīng)的考核方式也是傳統(tǒng)的以考試為主的考核方式。本課程平時成績占30%，主要包含出勤、作業(yè)、實驗成績等；期末成績占70%，以期末考試的方式進行。成績中，期末考試成績占比大，很容易造成學生平時不學習，期末靠背誦記憶、押題等臨時抱佛腳的模式以應(yīng)付考試，很難調(diào)動學生平時的學習積極性。本課程需要改革考核方式，以調(diào)動同學們在整個課程期間的學習積極性。

3 電氣工程基礎(chǔ)課程改革措施

3.1 調(diào)整教學內(nèi)容

隨著電力行業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟、高效、環(huán)保的新要求，電力行業(yè)不斷出現(xiàn)技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級，電網(wǎng)建設(shè)、資源配置呈現(xiàn)出新趨勢、新特點。本課程需要根據(jù)行業(yè)發(fā)展需求調(diào)整課程教學內(nèi)容，對于每一部分的教學內(nèi)容確定重點、難點及教學目標。

本課程采用教材為馮建勤主編的《電氣工程基礎(chǔ)》，電力出版社出版。電力工程的基本知識為課程基礎(chǔ)的教學內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，電力網(wǎng)的基本知識，包括接線方式、結(jié)構(gòu)、電力線路的參數(shù)與等效電路、變壓器的等效電路與參數(shù)計算、電力網(wǎng)的損耗等是本課程重點講授內(nèi)容。變電站的一次設(shè)備，包括電弧的產(chǎn)生、高壓斷路器等一次設(shè)備、低壓電器等都是本課程的重點內(nèi)容。電氣主接線的基本形式及適用范圍、主變壓器的選擇、限制短路電流的措施、配電網(wǎng)等這些電氣主接線與配電裝置是本課程的難點內(nèi)容。電氣設(shè)備的發(fā)熱和動力計算、電氣設(shè)備選擇的一般性原則、高壓設(shè)備的選擇是本課程的難點內(nèi)容。二次系統(tǒng)與裝置的相關(guān)內(nèi)容是本課程重點內(nèi)容。由于本專業(yè)后續(xù)還有電力系統(tǒng)分析課程、繼電保護原理課程、高電壓課程，因此，電力系統(tǒng)的短路分析這方面的知識、電力系統(tǒng)繼電保護方面的知識、接地與電氣安全知識、電力系統(tǒng)過電壓保護知識本課程不講授。

3.2 以學生為中心重新設(shè)計教學方案及考核方式

本課程難點在于需要融會貫通數(shù)學、電路知識，進行電力系統(tǒng)分析及計算，對于地方應(yīng)用型大學的本科學生，想要按計劃完成教學目標還是有難度的。采用傳統(tǒng)的以教師講解為主的教學手段，教學效果不理想，學生學習主動性差，對于知識點的理解只有模糊印象。

對于電力工程的基本知識部分，以教師講授為主，輔助以翻轉(zhuǎn)課堂、競賽、小測試等考核方式，鞏固學生對于這些基礎(chǔ)知識的掌握。例如，在講授中性點接地方式時，教師只講授典型的中性點不接地方式，而采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式，讓學生講授其他中性點接地方式，并加以討論。

電力網(wǎng)及其分析部分是在電力工程的基礎(chǔ)上對電力網(wǎng)進行初步的認識和分析。這部分知識既有概念，又有建模及數(shù)學、電路分析，綜合運用數(shù)學和電路原理進行分析計算部分占的比例很大，難度大。對于以概念為主的知識點，以講授為主，需要注意的是，可以通過擴展作業(yè)使學生擴展一下知識點，由A到B再到C，實現(xiàn)學生的自主學習及知識的擴展。對于數(shù)學、電路分析類知識，要求學生去預習相關(guān)知識點并進行考察，否則進行數(shù)學推導及電路分析時，學生很容易跟不上思路。由于課時限制，對于可以舉一反三的知識點，可以通過線上微視頻+小測試的方式讓學生自學。

變電站的一次設(shè)備這部分知識主要是對于電弧和一次設(shè)備的認識。對于電弧的認識，可以通過視頻、圖片等多種形式加深學生的印象。對于高壓斷路器等一次設(shè)備，需要結(jié)合實例進行講解，也可以采用翻轉(zhuǎn)課堂，讓學生來進行其他一次設(shè)備的講解。

電氣主接線與配電裝置這部分知識有很多行業(yè)基本規(guī)范，又有很多專有名詞和概念，學生學習起來很吃力。對于行業(yè)基本規(guī)范，應(yīng)該讓學生知道規(guī)范出處，引導學生注重行業(yè)規(guī)范及國家標準，對于這些規(guī)范應(yīng)該仔細講解，讓學生在理解的基礎(chǔ)上進行記憶，進一步實際應(yīng)用。而對于名詞和概念，可以通過多次測試及競賽，讓學生加深印象和理解，進而逐漸掌握。對于配電裝置，僅講授行業(yè)用得最多的成套配電裝置，分散配電裝置采用自學+測試的方式完成。

電氣設(shè)備的選擇這部分知識有很多行業(yè)基本規(guī)范及數(shù)學分析，采用講授、線上討論、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學方式進行。

二次系統(tǒng)與自動裝置這部分涉及很多新的概念、功能定義及電路分析，其中電路分析是重點也是難點。對于電路分析這部分知識來說，可以采取動畫的形式，再錄制微課分享給學生，要求學生課下反復復習，再完成測試。

教學方案根據(jù)教學內(nèi)容可以千變?nèi)f化，一定根據(jù)學情，充分調(diào)動學生的積極性，以學生為中心，對應(yīng)的考核方式也很多。對于一些需要時間比較長、難度比較大的綜合運用性考核，可以通過擴展作業(yè)、不限時作業(yè)的形式來進行考察，使不同層次的學生得到不同程度的鍛煉。在設(shè)計考核方式的時候，更應(yīng)該注重擴大平時成績的比重，可以把平時成績提到總成績的50%～60%。

3.3 融入思政元素

通過本專業(yè)的學生的學情分析可知，在整個學期中，學生的學習熱情會逐漸降低。在課程中融入思政元素，不僅能夠?qū)W生進行愛國主義、職業(yè)素質(zhì)等方面的教育，更重要的是通過這些元素激發(fā)學生的學習熱情，提升學習積極性，使學生在整個學習過程中都能夠處于比較飽滿的學習狀態(tài)。

思政元素可以選取電力系統(tǒng)的領(lǐng)軍人物、勞動模范、鐵道兵的獻身精神等，并形成思政元素素材庫，在合適的知識點進行融入。

3.4 線上線下有機融合

線上、線下教學要有機融合，線上教學作為線下教學有益的補充。線下教學重點講授階段性的新知識、重點內(nèi)容、難點內(nèi)容，把整個課程串聯(lián)起來，是課程的骨架和主要肌群。而對于一些可以舉一反三、需要課外延展、需要課外鞏固比較多的課程，我們采用線上完成，例如，錄制微課、組織討論、答疑、競賽、課外PPT展示等多種形式。線上教學靈活多樣，教師要注意引導學生的自主學習能力，教師給出一個點，學生引申出來一個面。線上教學成為線下教學有益的補充，也成為學生擴展課程知識體系的搖籃。

3.5 虛擬實驗加演示實驗相結(jié)合

本課程涉及很多電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備及系統(tǒng)，在行業(yè)內(nèi)，這些設(shè)備和系統(tǒng)都價值不菲，采用建設(shè)虛擬實驗室的方式來解決資金緊張及設(shè)備、系統(tǒng)更新問題。我們可以虛擬一次設(shè)備，采用3D動畫的形式來展示設(shè)備的構(gòu)成、動作過程等，采用動畫來展示典型的二次回路的工作原理。進一步進行課程的行業(yè)規(guī)范、系統(tǒng)選型、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)設(shè)計方面的虛擬仿真學習。

結(jié)語

“電氣工程基礎(chǔ)”是本專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，知識點多、難度大，采用傳統(tǒng)的以講授為主的教學方式很難達到很好的教學效果。結(jié)合新工科建設(shè)要求及地方性應(yīng)用型大學的建設(shè)目標，可以從教學內(nèi)容、教學方案、考核方式、線上線下結(jié)合、思政建設(shè)、虛擬實驗室建設(shè)等方面進行課程的改革，改變當前學生被動接收知識的方式，以學生為中心，充分調(diào)動學習積極性，加大平常考核力度，提高課業(yè)難度，最終改善課程的學習效果，為學生學習以后的專業(yè)課打下堅實的基礎(chǔ)。