基于5E教學(xué)模式的“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)改革探究

王雪杰，葉 鵬，趙 毅，劉 峰

（沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

5E教學(xué)模式是基于建構(gòu)主義建立起來的探究性教學(xué)模式，該模式以學(xué)生為中心，重視學(xué)生知識和技能的自主學(xué)習(xí)和構(gòu)建。設(shè)計(jì)該模式的重要環(huán)節(jié)分為：吸引（Engagemen）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）。因此，該模式又被簡稱為5E教學(xué)模式［1］。目前，5E教學(xué)模式成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一，探究如何將5E教學(xué)模式引入電力系統(tǒng)分析課程體系是本文研究的重點(diǎn)。

一、基于5E教學(xué)模式的課程教學(xué)

“電力系統(tǒng)分析”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)課程，起到承上啟下的作用。該課程理論性較強(qiáng)，計(jì)算相對復(fù)雜，概念較為抽象，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。電力系統(tǒng)分析分為電力系統(tǒng)的暫態(tài)分析和電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。電力系統(tǒng)暫態(tài)分析分為機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的兩部分，分別研究運(yùn)行穩(wěn)態(tài)性分析和短路故障分析；電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析分為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行基礎(chǔ)和運(yùn)行優(yōu)化的兩部分［2］，研究穩(wěn)態(tài)建模及潮流計(jì)算、頻率電壓的調(diào)整和有功無功優(yōu)化。針對電力系統(tǒng)運(yùn)行中遇到的基本工程問題，大致解決步驟如下：首先，針對問題構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；其次，選取合適的計(jì)算方法進(jìn)行分析求解；最后，通過對計(jì)算結(jié)果分析，歸納出基本規(guī)律。

采用5E教學(xué)模式有利于課程教學(xué)。在傳統(tǒng)教學(xué)到5E教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變過程中，教師的教學(xué)思維和教學(xué)方法都發(fā)生了巨大的改變。與此同時，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變。教學(xué)方法由教師的單方面輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo)學(xué)生主動參與教學(xué)過程。

二、基于5E教學(xué)模式的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

本文將介紹5E教學(xué)模式在“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中的應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容是“基于PSASP的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算和復(fù)雜系統(tǒng)的短路計(jì)算”。電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的一種基本電氣計(jì)算。它可以通過潮流計(jì)算結(jié)果確定整個系統(tǒng)的功率分布及損耗等。工作人員可以通過最終數(shù)據(jù)預(yù)想事故的發(fā)生狀況，并提前想出事故的解決方案。電力系統(tǒng)的短路計(jì)算是故障分析中的基礎(chǔ)計(jì)算。工作人員可以通過短路計(jì)算的最終結(jié)果判斷故障的程度和對系統(tǒng)的影響［3］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真實(shí)驗(yàn)在各種商業(yè)軟件的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真中得到了廣泛應(yīng)用。為了更好地模擬整個系統(tǒng)，本次教學(xué)將使用PSASP軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算和復(fù)雜系統(tǒng)的短路計(jì)算。PSASP是專門應(yīng)用于電力系統(tǒng)分析的綜合程序，具有功能齊全、資源共享、使用便利的特點(diǎn)［4］。PSASP的體系結(jié)構(gòu)分為三層，分別是公用數(shù)據(jù)和模型資源庫、應(yīng)用程序包、計(jì)算結(jié)果和分析工具（見圖1）。

圖1 PSASP的結(jié)構(gòu)體系

（一）教學(xué)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備

5E教學(xué)由吸引、探究、解釋、遷移、評價五個環(huán)節(jié)構(gòu)成。為了保證整個教學(xué)環(huán)節(jié)的完整性，教師需要仔細(xì)研究五個環(huán)節(jié)間的關(guān)系。在教學(xué)準(zhǔn)備過程中，教師應(yīng)該嚴(yán)格按照要求及學(xué)生的學(xué)習(xí)情況制定合理的教學(xué)計(jì)劃，保證所有學(xué)生都能參與其中，更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施

1.吸引。此環(huán)節(jié)是5E教學(xué)的起始環(huán)節(jié)，目的是教師能夠通過設(shè)計(jì)教學(xué)問題或引起矛盾的方法吸引學(xué)生，促使學(xué)生將注意力集中在教學(xué)問題上，引出教學(xué)任務(wù)。激發(fā)學(xué)生對知識的渴望和興趣［5］。使得學(xué)生能主動了解整個教學(xué)活動的知識結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生帶著疑問探尋其中的奧秘。要知道潮流計(jì)算是分析和控制電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基礎(chǔ)。在本次的教學(xué)設(shè)計(jì)中，學(xué)生首先要知道潮流計(jì)算的本質(zhì)是求解節(jié)點(diǎn)功率方程，采用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行潮流計(jì)算。

2.探究。本環(huán)節(jié)是直接給學(xué)生提供探索教學(xué)問題的機(jī)會，教師不再是教學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)者，而是引導(dǎo)者。在本次教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師先給學(xué)生提供仿真的系統(tǒng)圖和各個元件的基本參數(shù)［6］；接下來，學(xué)生通過教師給的條件在PSASP軟件上進(jìn)行系統(tǒng)圖的繪制，寫出仿真程序然后對其模擬的情況進(jìn)行分析和探究；最后，教師可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行本環(huán)節(jié)的總結(jié)。隨著探索程度的增加，學(xué)生逐漸提出對仿真過程的新觀點(diǎn)。學(xué)會舉一反三，在現(xiàn)有仿真程序基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，記錄結(jié)果，得出結(jié)論。這一環(huán)節(jié)是學(xué)生新知識建立的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠主動探究問題。此外，教師可以鼓勵學(xué)生以歸納整理、邏輯推理、合作的方式進(jìn)行探究，并幫助學(xué)生打開思路。

3.解釋。本環(huán)節(jié)是在吸引和引導(dǎo)學(xué)生探究教學(xué)問題后，讓學(xué)生用自己的理解對結(jié)果進(jìn)行闡述。在此過程中，教師通過學(xué)生的闡述掌握其對知識的理解情況，及時發(fā)現(xiàn)問題、指出問題，引導(dǎo)學(xué)生朝著正確的方向理解。同時，教師向?qū)W生說明對教學(xué)問題的觀點(diǎn)。然后，對此進(jìn)行總結(jié)和比較，得出正確結(jié)論。此環(huán)節(jié)是五個環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是學(xué)生自我思維構(gòu)建的過程。學(xué)生通過前兩個環(huán)節(jié)理解了等值電路中的各個元器件的基本概念，熟練掌握了各個公式的用法。在教學(xué)實(shí)踐的過程中，教師需要將學(xué)生闡述的觀點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

4.遷移。本環(huán)節(jié)是在學(xué)生得出正確結(jié)論后，將理論知識應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)問題中，進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。在此過程中，教師需要帶領(lǐng)學(xué)生逐步過渡到另外一個情景中并進(jìn)行正確引導(dǎo)。從而使學(xué)生可以更快地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)［7］。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師給學(xué)生提供短路計(jì)算的仿真系統(tǒng)圖和各個元件的基本參數(shù)。學(xué)生在PSASP軟件上進(jìn)行系統(tǒng)圖的繪制，將初始條件輸入程序［8］。然后模擬三相短路、單相短路、兩相接地短路三種情況，并求出短路點(diǎn)及各電源支路的短路電流。最后，可得出短路計(jì)算報表。在教學(xué)實(shí)踐過程中，教師可以適當(dāng)拓展延伸知識。

5.評價。一個科學(xué)合理的成績評價體系，不僅需要真實(shí)地反映學(xué)生對待實(shí)驗(yàn)課程的態(tài)度和對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度，公正客觀、真實(shí)有效地評價學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，還需要能培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究的基本素養(yǎng)［9］。本環(huán)節(jié)是教師對學(xué)生的整個教學(xué)過程知識掌握的綜合評價，貫穿整個教學(xué)過程。學(xué)生通過教師評價對自己的分析過程進(jìn)行反思和總結(jié)，完善自己對知識的理解。這個環(huán)節(jié)可以反映整個教學(xué)的效果，也是5E教學(xué)模式的最終體現(xiàn)。這一環(huán)節(jié)的評價方式有兩種，一種是形成性評價方式，另一種是總結(jié)性評價方式。這兩種評價方式可以了解學(xué)生在吸引、探究、解釋、遷移等環(huán)節(jié)知識的形成情況和發(fā)展情況。在整個教學(xué)過程中，教師會隨時發(fā)布任務(wù)和問題，隨時隨地掌握學(xué)生的了解狀況。在本環(huán)節(jié)，教師針對各個環(huán)節(jié)采用了總結(jié)性評價方式，反思探究階段的錯誤原因；考核學(xué)生在解釋階段潮流計(jì)算基本概念和其仿真結(jié)果的掌握情況；在遷移環(huán)節(jié)，教師根據(jù)學(xué)生對短路計(jì)算仿真程序的進(jìn)一步探究情況，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；最后，給學(xué)生提出開放性問題。在教學(xué)過程中，通過此環(huán)節(jié)可以了解學(xué)生是否達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)評價的結(jié)果決定了5E教學(xué)模式是否有效。

（三）教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)

當(dāng)教師提出問題情景后，引導(dǎo)學(xué)生思考：“為什么要進(jìn)行潮流計(jì)算？”學(xué)生利用現(xiàn)有理論知識對教師提出的問題進(jìn)行思考。同時，教師可以給學(xué)生提供一些不同的問題情景，吸引學(xué)生，增強(qiáng)興趣。探究環(huán)節(jié)是整個教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過教師提供的知識概念和自己原有的理論基礎(chǔ)，能更好地為之后的理論形成奠定基礎(chǔ)。在此環(huán)節(jié)中，教師需要幫助學(xué)生對潮流計(jì)算和短路計(jì)算的探究方法有更深層次的理解。在解釋環(huán)節(jié)，教師鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生將潮流計(jì)算的仿真結(jié)果進(jìn)行闡述。同時，學(xué)生的語言表達(dá)也更加規(guī)范。學(xué)生可以在課堂上闡述自己的觀點(diǎn)，營造辯論的氛圍。

三、實(shí)踐效果與注意事項(xiàng)

（一）實(shí)踐效果

與往年的教學(xué)效果相比，本年度教學(xué)成果主要體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)“電力系統(tǒng)分析”課程的主動性提高、對知識點(diǎn)的理解更加深入等方面。期末考試中很多考題是需要對課本知識進(jìn)行凝練才能求解的，很多學(xué)生能夠求解正確并給出完整的推導(dǎo)過程。因此，可以看出將5E教學(xué)模式應(yīng)用在“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。教師達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。與之前的教學(xué)模式相比，5E教學(xué)模式更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，在教師的正確引導(dǎo)下，學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)更加清晰，一步一步地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

（二）注意事項(xiàng)

“電力系統(tǒng)分析”是電氣工程及其自動化專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，在整個專業(yè)課程體系中，具有承上啟下的作用。由于課程的內(nèi)容較多，存在課時不足的情況，限制了新型教學(xué)模式的開展。為了能夠傳授更多知識，教師需要在課程教學(xué)過程中采用傳統(tǒng)講授方式與新型教學(xué)模式相結(jié)合的方式，并不斷更新教學(xué)方法，提升學(xué)生對課程的興趣，將課程內(nèi)容變得簡單易懂。教師可以安排學(xué)生學(xué)習(xí)與電力系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，提供一些實(shí)踐機(jī)會。學(xué)生只有親身探究和不斷思考，才能更加扎實(shí)地學(xué)好專業(yè)課程。

與此同時，教師要預(yù)留出學(xué)生適應(yīng)與接受這種教學(xué)模式的時間，讓學(xué)生循序漸進(jìn)地適應(yīng)新的教學(xué)模式，切勿操之過急。在5E教學(xué)模式的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，教師應(yīng)當(dāng)合理選擇教學(xué)內(nèi)容，更多地選擇概念明確、推導(dǎo)方式多樣化、結(jié)論具有概括性的知識點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)中，教師需注意不要停留在課程知識表面，要將知識點(diǎn)進(jìn)行深入地銜接、延伸與拓展，將實(shí)際工程應(yīng)用案例引入相關(guān)的理論知識點(diǎn)中，幫助學(xué)生構(gòu)建較為全面的知識體系。

結(jié)語

隨著教育的發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多新的教學(xué)模式，但5E教學(xué)模式無疑是教學(xué)效果最明顯的。本文通過查閱其他領(lǐng)域的5E教學(xué)模式應(yīng)用，找到其中可以借鑒的思路，將其與潮流計(jì)算和短路計(jì)算相結(jié)合，展開并實(shí)施了在5E教學(xué)模式下的“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)。

在學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)方面，5E教學(xué)模式具有積極作用。經(jīng)過對5E教學(xué)模式的驗(yàn)證，可知學(xué)生對此教學(xué)模式的接受度較高。雖然在實(shí)踐過程中，有很多需要注意的細(xì)節(jié)，但在構(gòu)建知識體系方面，對學(xué)生的幫助是毋庸置疑的。5E教學(xué)模式可以較好地解決教師和學(xué)生在教學(xué)中遇到的問題，具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。最重要的是這種教學(xué)模式可以大大增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)知識的興趣，提高學(xué)習(xí)效率。因此，5E教學(xué)模式在“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中的應(yīng)用，可以很大程度上解決教學(xué)中存在的問題，收到良好的教學(xué)效果。