機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位案例庫建設(shè)

花廣如 張新春 劉罡愷 李娜 王璋奇

［摘 要］隨著學(xué)科綜合與多元化趨勢的日益顯著，“雙一流”建設(shè)背景下，研究生教學(xué)應(yīng)朝著課程多樣化、信息化的方向發(fā)展。教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)華北電力大學(xué)機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位案例庫建設(shè)缺乏統(tǒng)一性、教學(xué)素材質(zhì)量參差不齊、教學(xué)案例與技術(shù)脫節(jié)等問題，結(jié)合“雙一流”建設(shè)“大能源電力學(xué)科”的優(yōu)勢，組織和編寫了以工程問題為導(dǎo)向的輸電線路工程案例教學(xué)資源庫，并開展輸電線路工程教學(xué)改革。通過構(gòu)建以工程問題為導(dǎo)向的輸電線路工程案例教學(xué)體系，形成“知識(shí)→案例→實(shí)踐→知識(shí)”的良性循環(huán)，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并培養(yǎng)其開放性思維，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決工程問題能力的教學(xué)目標(biāo)。

［關(guān)鍵詞］機(jī)械工程；輸電線路工程；教學(xué)改革；工程案例庫建設(shè)

［中圖分類號(hào)］G643［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2024）10-0023-05

2020年印發(fā)的《專業(yè)學(xué)位研究生教育發(fā)展方案（2020—2025）》[1]指出：“目前，我國在很多領(lǐng)域都有尚待突破的關(guān)鍵技術(shù)，成為制約我國創(chuàng)新發(fā)展的瓶頸，這些技術(shù)相當(dāng)程度集中在科技應(yīng)用和轉(zhuǎn)化方面，需要大量創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才?！睘榱思铀傥覈餍袠I(yè)的進(jìn)步，各高校應(yīng)優(yōu)化全日制專業(yè)學(xué)位碩士研究生的培養(yǎng)方案，著力培養(yǎng)具有高專業(yè)水平、強(qiáng)業(yè)務(wù)能力的人才，著重提高人才的問題分析能力和問題解決能力，以推動(dòng)各專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。機(jī)械工程（輸電線路工程）專業(yè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的工程應(yīng)用專業(yè)，涉及電氣工程、機(jī)械工程、土木工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、測量學(xué)、氣象信息等基礎(chǔ)理論知識(shí)，具有較強(qiáng)的工程屬性。因此，華北電力大學(xué)（以下簡稱我校）在機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生的培養(yǎng)過程中，引入開放式、互動(dòng)式的教學(xué)模式，使學(xué)生直接與工程問題接觸，理論教學(xué)與實(shí)際工程緊密結(jié)合，推動(dòng)教學(xué)案例庫的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)課程案例化、實(shí)踐化的目標(biāo)[2]。

專業(yè)學(xué)位案例庫建設(shè)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合型教學(xué)的基本保障。工科課程理論知識(shí)深度大、涵蓋面廣、與工程實(shí)際結(jié)合難度大，在日常教學(xué)中，以授課教師為核心的教學(xué)模式容易使知識(shí)點(diǎn)浮于課程表面[3]，導(dǎo)致與實(shí)際脫軌。因此，推進(jìn)教學(xué)案例庫的建設(shè)是改善當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀的必由之路[4]。

當(dāng)前，為了打破傳統(tǒng)的“填鴨式”教育模式，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，許多國內(nèi)外高校紛紛選擇建設(shè)教學(xué)案例庫[4-5]。然而，各大院校的案例庫建設(shè)仍處于探索階段。盡管案例庫資源豐富，但普遍缺乏整體系統(tǒng)的規(guī)劃，導(dǎo)致部分案例內(nèi)容單薄、碎片化嚴(yán)重、深度不足。部分案例在實(shí)際課堂教學(xué)中應(yīng)用時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)加劇學(xué)生碎片化記憶、破壞教學(xué)系統(tǒng)性的反作用[6]。

結(jié)合“雙一流”建設(shè)“大能源電力學(xué)科”的優(yōu)勢，教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托當(dāng)前承擔(dān)的橫向項(xiàng)目，組織和編寫以工程問題為導(dǎo)向的輸電線路工程案例教學(xué)資源庫，實(shí)現(xiàn)工程案例庫的工程化、專業(yè)化和特色化，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并培養(yǎng)他們的開放性思維，為培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決工程實(shí)際問題能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提高“雙一流”建設(shè)專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量和水平。

一、輸電線路工程案例教學(xué)資源庫建設(shè)存在的問題

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn)，全行業(yè)對(duì)電力供應(yīng)的需求日益增長，在未來大力建設(shè)特高壓輸電線路是支撐發(fā)展清潔能源的大趨勢[7]。特高壓輸電線路建設(shè)工藝并非一成不變，隨著未來極端環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件下輸電線路建設(shè)工程的逐漸增多，新結(jié)構(gòu)、新材料以及更高電壓輸電技術(shù)將不斷涌現(xiàn)[8]，這對(duì)機(jī)械工程——輸電線路工程領(lǐng)域的人才提出了更高的要求。因此，輸電線路工程專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量及其考核標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與市場需求相匹配。作為輸電線路工程專業(yè)課程教學(xué)的核心，輸電線路工程案例教學(xué)資源庫的建設(shè)質(zhì)量與課堂教學(xué)質(zhì)量密切相關(guān)。通過輸電線路工程專業(yè)課程的線下教學(xué)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)近三年學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查（結(jié)果見圖1）。調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生認(rèn)為工程案例庫建設(shè)存在缺乏統(tǒng)一性、教學(xué)素材質(zhì)量參差不齊、教學(xué)案例與技術(shù)脫節(jié)等問題。

（一）工程案例庫建設(shè)缺乏統(tǒng)一性和規(guī)劃性

現(xiàn)有的輸電線路工程專業(yè)課程缺乏專門的教材，主要依賴教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于其研究方向的成果制作的課件進(jìn)行授課。在探討工程類問題時(shí)，這些課件往往受限于任課教師的專業(yè)領(lǐng)域，容易忽略工程實(shí)際和現(xiàn)場技術(shù)等因素。在教學(xué)課件中，工程案例素材主要來源于其他專業(yè)課程教材以及以往的研究課題。然而，由于工程案例庫建設(shè)的統(tǒng)一性和規(guī)劃性不足，素材呈現(xiàn)出碎片化狀態(tài)，這不利于學(xué)生全面理解和融合相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。

（二）教學(xué)素材質(zhì)量參差不齊

在實(shí)踐教學(xué)方面，教學(xué)素材相當(dāng)匱乏，任課教師主要從網(wǎng)站上尋找類似的視頻進(jìn)行課堂分享。然而，一些網(wǎng)絡(luò)視頻清晰度不佳，且其解說內(nèi)容與課程內(nèi)容存在出入，不利于課堂的系統(tǒng)化教學(xué)。此外，工程案例教學(xué)中的細(xì)節(jié)不勝枚舉，僅僅依賴任課教師的解說顯然是不夠的。因此，需要引入專業(yè)技術(shù)人員來詳細(xì)講解施工技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)，以幫助學(xué)生將理論知識(shí)與工程實(shí)際緊密結(jié)合。

（三）教學(xué)案例與技術(shù)脫節(jié)

經(jīng)過對(duì)歷年授課課件的分析與比對(duì)，發(fā)現(xiàn)歷年課件中的案例變化程度較小，存在教學(xué)案例與主流技術(shù)水平脫節(jié)的問題[9]。作為一門專業(yè)性強(qiáng)的工程應(yīng)用專業(yè)，其課程建設(shè)應(yīng)與產(chǎn)業(yè)掛鉤[10]，其主要目標(biāo)應(yīng)為服務(wù)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)并引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。在教學(xué)過程中，任課教師應(yīng)注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，構(gòu)建出科研、教學(xué)、就業(yè)一站式教學(xué)模式，將機(jī)械工程、電氣工程、土木工程等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行深度融合，以適應(yīng)新時(shí)代電力行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展需求[11]，從而提高“雙一流”建設(shè)背景下機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量和水平。

二、輸電線路工程案例教學(xué)資源庫建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合“雙一流”建設(shè)“大能源電力學(xué)科”的優(yōu)勢，依托當(dāng)前承擔(dān)的橫向項(xiàng)目，組織和編寫以工程問題為導(dǎo)向的輸電線路工程案例教學(xué)資源庫，并與多家電力公司合作，針對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行案例教學(xué)，從而形成“知識(shí)→案例→實(shí)踐→知識(shí)”的良性循環(huán)（見圖2）。此外，采用開放式、互動(dòng)式的教學(xué)方式，靈活安排課堂活動(dòng)，以優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量。這種教學(xué)方式讓學(xué)生有機(jī)會(huì)面對(duì)和解決工程問題，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和思維活力，還顯著提高了他們分析問題和解決工程問題的能力。

（一）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)輸電線路工程專業(yè)課程興趣

輸電線路工程專業(yè)課程中包含大量煩瑣且抽象的工程知識(shí)。為了使學(xué)生深刻記憶并融會(huì)貫通這些知識(shí)，教師可以采用具象化的教學(xué)方法[12]，如通過建模或案例視頻的方式將知識(shí)點(diǎn)具體標(biāo)注。輸電線路工程的案例在現(xiàn)實(shí)生活中十分常見，將知識(shí)融入實(shí)際的工程案例中，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的吸收和理解，還可以活躍課堂氣氛，促進(jìn)師生間的交流。例如，在鐵塔基礎(chǔ)部分的教學(xué)中，當(dāng)講解到獨(dú)立基礎(chǔ)的施工流程（抄平→墊層施工→鋼筋工程→支?！炷凉こ獭鹉＃r(shí)，學(xué)生有時(shí)難以構(gòu)建出相應(yīng)的概念。為了幫助學(xué)生更好地理解這些專有名詞，任課教師采用具象化的教學(xué)方式（見圖3），詳細(xì)展示每個(gè)知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型，并制作教學(xué)視頻，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）引入有限元分析軟件，增強(qiáng)案例可視化

經(jīng)過前面的理論知識(shí)講解，對(duì)案例進(jìn)行綜合性分析是必要的。每個(gè)案例不能僅停留在表面，而應(yīng)盡可能地提供具體數(shù)據(jù)，借助結(jié)構(gòu)分析軟件如ANSYS、ABAQUS等[13]，以更精確地分析案例。在課堂上，利用預(yù)先準(zhǔn)備的模型，模擬事故發(fā)生時(shí)桿塔的受力情況，從數(shù)據(jù)中映射出實(shí)際原因，并通過這種方式串聯(lián)各章節(jié)內(nèi)容，從而增強(qiáng)學(xué)生知識(shí)網(wǎng)的緊密性。以輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)章節(jié)為例，為了深入研究輸電桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，引入了淮南—上海1000kV輸變電工程實(shí)例（見圖4）[14]。在校核輸電桿塔時(shí)，既要考慮其強(qiáng)度破壞條件，也要充分考慮其穩(wěn)定性問題。通過這一案例的分析，可以直觀、系統(tǒng)、科學(xué)地展示輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，增強(qiáng)教學(xué)的可視化效果。

（三）校企合作，引入實(shí)際案例培養(yǎng)學(xué)生分析問題能力

根據(jù)課程安排，工程案例庫內(nèi)容分為輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、輸電線路監(jiān)測與巡檢技術(shù)、電力金具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理三個(gè)板塊，針對(duì)每個(gè)板塊進(jìn)行案例的收集與梳理，以完成案例庫的建設(shè)。本案例庫的資料主要來源于教學(xué)團(tuán)隊(duì)所承擔(dān)的橫向項(xiàng)目，以及多家電力公司在實(shí)際運(yùn)行維護(hù)過程中的經(jīng)典案例，與行業(yè)先進(jìn)技術(shù)水平相吻合。

根據(jù)電力企業(yè)要求，目前架空輸電線路張力架線施工故障率必須控制在10%以內(nèi)，但現(xiàn)有故障率已達(dá)到15%，未能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為將故障率降至企業(yè)要求，教學(xué)團(tuán)隊(duì)選擇降低架空輸電線路張力架線施工故障率為研究課題，并制定解決問題的可行方案。經(jīng)過調(diào)查，教學(xué)團(tuán)隊(duì)記錄了施工現(xiàn)場存在的質(zhì)量問題，并對(duì)這些問題進(jìn)行了分類和研究，最終得出結(jié)論：牽引繩上揚(yáng)和轉(zhuǎn)角塔內(nèi)角掛線滑車橫向偏離是導(dǎo)致張力架線施工故障的主要癥結(jié)。

在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行原因分析是提高他們互動(dòng)積極性的有效方法。例如，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法對(duì)牽引繩上揚(yáng)和轉(zhuǎn)角塔內(nèi)角掛線滑車橫向偏離這兩個(gè)癥結(jié)進(jìn)行原因分析，向指定教學(xué)案例的分析思路靠近，以深入理解問題的根源（見圖5）。

針對(duì)大轉(zhuǎn)角塔橫擔(dān)下主材與滑車之間未使用支撐物的問題，需要在這些位置增設(shè)支撐物，以確保大轉(zhuǎn)角塔橫擔(dān)下主材與滑車之間的支撐物的使用率達(dá)到100%。為此，需要逐基檢查工程中轉(zhuǎn)角塔，特別是在放線時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)角過大的滑車采取必要的固定措施。具體而言，應(yīng)在塔橫擔(dān)下主材與滑車之間使用支撐物來固定滑車，確保施工安全和效率。

在應(yīng)對(duì)設(shè)備缺少保養(yǎng)的問題時(shí)，應(yīng)合理選擇設(shè)備，確保設(shè)備保養(yǎng)及相關(guān)記錄實(shí)現(xiàn)100%覆蓋。為達(dá)到這一目標(biāo)，可以采取以下措施：進(jìn)入施工現(xiàn)場的施工機(jī)械必須經(jīng)過驗(yàn)收，確保其性能狀態(tài)完好，并且資料齊全、準(zhǔn)確；強(qiáng)化現(xiàn)場施工機(jī)械設(shè)備的平衡和調(diào)動(dòng)，合理組織機(jī)械設(shè)備的使用、保養(yǎng)和維修工作，以提高機(jī)械設(shè)備的使用效率和完好率；執(zhí)行重要施工機(jī)械設(shè)備專機(jī)專人負(fù)責(zé)制、機(jī)長負(fù)責(zé)制和操作人員持證上崗制；嚴(yán)格執(zhí)行施工機(jī)械設(shè)備操作規(guī)程與保養(yǎng)規(guī)程，堅(jiān)決制止違章指揮、違章作業(yè)，防止設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)或超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；嚴(yán)格實(shí)行由專業(yè)人員進(jìn)行的定期保養(yǎng)和監(jiān)測修理制度，確保設(shè)備處于良好狀態(tài)。

（四）構(gòu)建課程設(shè)計(jì)案例，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力

輸電線路工程是理論與實(shí)踐相結(jié)合的一門專業(yè)，其中輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、輸電線路監(jiān)測與巡檢技術(shù)這兩個(gè)模塊的操作細(xì)節(jié)較多。在理論課程結(jié)束后，學(xué)生需完成相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，這些設(shè)計(jì)案例主要來源于校企合作項(xiàng)目及課題組以往的研究成果。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋軟件建模成果、有限元分析以及項(xiàng)目書撰寫，這樣的設(shè)計(jì)旨在幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，同時(shí)避免培養(yǎng)出“腳不落地”的“筆桿子”人才。

三、結(jié)語

建設(shè)以工程問題為導(dǎo)向的案例庫，有效解決了以往案例庫建設(shè)中存在的統(tǒng)一性不足、教學(xué)案例質(zhì)量參差不齊以及教學(xué)案例與技術(shù)脫節(jié)等問題。本文基于“知識(shí)→案例→實(shí)踐→知識(shí)”的循環(huán)理念，通過案例穿插理論教學(xué)、引入有限元分析軟件、校企合作、構(gòu)建課程設(shè)計(jì)案例，將電氣工程、機(jī)械工程、土木工程、測量學(xué)、氣象信息等多個(gè)學(xué)科的理論知識(shí)融入其中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力，并提高學(xué)生的實(shí)踐能力。通過實(shí)施這一系列舉措，不僅實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的深度融合，也達(dá)到了行業(yè)所需人才技術(shù)培養(yǎng)的目標(biāo)，從而提高了“雙一流”建設(shè)背景下機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量和水平。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)，教育部.專業(yè)學(xué)位研究生教育發(fā)展方案（2020-2025）[EB/OL].（2020-09-25）[2023-12-02].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_826/202009/w020200930357734729917.docx.

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［責(zé)任編輯：梁金鳳］