“电气工程基础”课程的建设与教学研究及实践

刘涤尘,向铁元,丁坚勇,徐 箭,吴 军

(武汉大学电气工程学院,湖北武汉 430072）

“电气工程基础”课程的建设与教学研究及实践

刘涤尘,向铁元,丁坚勇,徐 箭,吴 军

(武汉大学电气工程学院,湖北武汉 430072）

“电气工程基础”课程是武汉大学电气工程学院电气工程与自动化专业的专业基础平台课程,本文介绍了该课程建设和发展的背景和基础、团队建设、课程内容体系、教学资源与条件、教学方法和手段以及本课程的主要特色,并对该精品课程继续建设的目标和任务进行了总结和展望。

电气工程基础;精品课程;研究与实践

1 课程的建设背景和基础

我校建设的“电气工程基础”课程作为本科电气工程及自动化专业的专业基础大平台课程,是面向廿一世纪教学改革的新课程。武汉大学是国家教育部直属重点综合性大学,是国家“985”工程”和“211工程”重点建设高校。1934年就建设有电机工程学科,1959年新组建了电气工程学院,一直是原国家电力工业部重点建设的学院,被誉为我国电力工程高级人才培养的摇篮,累计培养各类、各层次毕业生数万名,毕业生大都成为电力行业技术骨干,不少走上领导岗位或学科、学术带头人。武汉大学一直重视电气工程学科及电气工程及自动化专业的发展并重视“电气工程基础”课程的建设。

1996年国家教育部启动了面向廿一世纪高校教学改革项目。武汉大学(2000年合校前为电力工业部武汉水利电力大学)与西安交通大学、重庆大学、华中科技大学等高校共同承担了教育部“电气信息类专业人才培养方案和课程体系及教学内容改革的研究与实践”教改课题。该研究项目提出了面向廿一世纪世界科技革命和高等教育发展方向,以加强基础、拓宽专业面、培养创新能力为思路,以优化课程体系、更新教学内容为核心的高校电气信息专业教学改革发展的方针。2000年我院远承担了教育部世行贷款立项的“电气信息工程专业中专业基础核心课程模块教学内容与课程体系改革的研究与实践”课题,依据教育部两个教改项目的指导思想和研究内容要求,我院制定了电气工程与自动化专业新的培养方案,明确提出了构建专业大平台课程的设想,整合我院1994年原有的湖北省优质课程“电力系统分析”、原电力部优质课程“高电压工程基础”以及“电力电子技术基础”、“电力通信基础”等主要专业基础课程的有关内容,在教学内容、教学手段等方面进行了教学改革,将我院电气工程与自动化五个专业方向所要求学生掌握的基础和综合性内容有机地整合在了一起;组织了相关课程组的教师成立了“电气工程基础”课程组,于1999年开始进行这一新平台课程的准备工作,从2000级开始正式开设总学时为108学时的学科平台课程“电气工程基础”课程,并大力开展了电气工程基础课程体系和教材建设。经过在“电力系统分析”和“电力系统过电压”两门主干课程基础上长期不断的教学改革和整合。

2 课程的团队建设

为了重点建设“电气工程基础”这门学科平台核心课程,保证的教学质量,提高教学水平,不断深入教学体系和教学内容的改革,首先要建立一个课程建设团队。成立由学院直接领导的课程建设机构:课程组遴选有事业心和责任感强、有教学经验、有改革意识的老中青相结合教师组成。组成了学术水平高、教学经验丰富且关心教学改革老教授为主的教学督导组,直接参与、指导课程建设和教学过程的全部教学工作。

课程建设组的职责、功能、任务是:①制定课程体系,②整合课程内容,③修订教学大纲,④相互随课堂听课,⑤开展教改和教学法研究,⑥教材建设规划和编写,⑦校内外的实验教学与检查,⑧青年教师的培养。

该课程建设团队是一个年龄、职称结构合理、师资齐全,并具有团队和奉献精神的教学队伍。这支教学队伍除高质量的完成所承担的教学任务外,还承担完成国家、省部级及工程项目课题。由于课程组全体老师工作兢兢业业,尽职尽责,课程小组的教学工作得到了学校的充分肯定,教学水平和效果受到了教学督导组、同行和学生的一致好评;被认为是一个团结和谐,积极向上、有贡献的集体。

经过多年的努力,作为我院教学改革标志性成果的《电气工程基础》课程教学小组正在成为一支学历、年龄、职称、学缘、梯队等结构合理,知识结构优化,教学水平高的教学队伍。

3 课程的建设目标、要求与内容体系

3.1 课程的建设目标

“电气工程基础”课程建设目标是:成为电气工程与自动化专业的基础课程平台、学科基础课程平台,分几步建设成为校级、省级和国家级精品课程。

其具体目标如下:

(1)重新整合课程内容,修订课程教学计划和教学大纲。

(2)再版《电气工程基础》教材、编写新的《电气工程基础学习指导书》;选择1～2本“电气工程基础”国外英语精品教材,以扩大学生视野,并为本课程逐步过渡到双语教学奠定基础。

(3)开发《电气工程基础》(下册)CAI课件,进一步丰富完善多媒体教学及网上教学的手段和资源;拍摄建设精品课程相应的视频教学课件。

(4)开发“电气工程基础”课程试题库,便于实施考教分离,进一步提高本课程的教学质量。

(5)进一步建设“电气工程基础”课程教学网站,力争将本网站建设成为“电气工程基础”课程的“学习不求人园地”和“电气工程专业资源库”。

(6)购置大型电力系统计算、仿真软件,完善现有的电力系统计算实验室;购置先进的电力系统综合实验平台,进一步提升本课程的教学和实践水平。

3.2 培养要求

课程建设围绕武汉大学“三创(创造、创新、创业)”型人才培养要求,学生通过电气工程基础课程的学习,要求学生建立电力系统的基本概念;掌握电力系统稳态分析、电力系统故障分析的基本原理及计算方法;熟悉电力系统稳定的基本概念;了解高电压交、直流输电技术的基本概念;远距离输电线路的自然功率与电压分布;各种过电压的形成及其限制措施;建立电气二次系统的概念;看懂二次接线图;熟悉电力系统继电保护、自动装置的原理及作用;了解电力系统通信的基本原理,为后续专业课程的学习及学生毕业后从事电气工程与自动化相关领域的科研、设计和运行管理打下坚实的基础。由于该课程是面向整个专业所有学生必修的学科基础课程,拓展和深入的知识内容在各专业方向的相关课程中完成。

3.3 课程内容体系结构

创建新型电气工程基础的教学模式,按知识群设置课程模块、按知识点(线)设置课程系列的分层次课程体系。知识模块顺序及对应的学时按四年制教学计划,本课程总学时为104学时,其知识模块顺序及对应的学时分配如下。

本课程划分为以下几部分内容:

(1)电力网、电力系统的概念和原理,包括电气一次系统及各电气设备元件性能、原理和电压等级,电力系统的负荷,电力系统的接线方式。

(2)电力系统分析,包括电力系统元件的序阻抗和等值网络,短路计算,对称和非对称故障分析,系统稳态分析。

(3)远距离输电,长输电线路的等值电路,直流输电的接线方式及换流站;灵活交流输电系统的工作原理及补偿装置。

(4)高电压工程基础,包括高电压设备及绝缘、测试,电力系统内部及外部过电压的防护。

(5)电力系统继电保护及二次系统,包括继电保护,二次元件系统及电路。

(6)电力系统的通信与控制技术,包括通信系统的方式、特性、组成。电力系统自动控制技术,远动及调度自动化。

3.4 教学内容组织方式

按课程建设要求制定了教学大纲、实验教学大纲、实习教学大纲。本课程共108学时,其中授课92学时,实验10学时,课程设计6学时;另外教学实习1周。由于该课程是面向整个专业所有学生必修,分两个学期进行;第一个学期主要是前10章的理论教学和相关实验教学。第二个学期是除了后6章的理论教学和相关实验教学以外,还要完成课程设计和教学实习。通过授课,使学生掌握基本理论和分析问题的方法,并通过作业、答疑巩固和深化课堂学习的知识。通过实验,使同学获得必要的感性知识,并培养初步的动手能力。

3.5 实践性教学环节

本课程内容多,共安排了5个实验,每个实验占2个学时。是结合课程主要内容包括仿真实验。另外,课程设计的主要内容是模拟设计一个发电厂电气部分或110kv变电站。实际上课程设计6学时是不够的,具体的设计是分散在一个学期内的课外完成并结合发电厂和变电站的教学实习进行。学生如果独立完成这些实践性环节,就会对发电厂电力网及电力系统具有更多的感性认识,并具有一定的动手能力。

(1)利用不断完善和建设的实验室,除了开设一些必需的基础性教学实验外,更多的是要让学生在相关实验室进行与课程相关的设计型、综合型和创新型实验,培养学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的动手能力和创新能力。

(2)编写了电力系统计算实验室与本课程相关的设计型实验大纲和试验指导书,并开始试用。通过该设计型实验的训练,使学生掌握了电力系统综合分析计算程序的使用以及电力系统模型的建立和计算方法等多方面的知识。

(3)编写电气工程基础课程设计大纲,并在4届学生中使用。通过课程设计训练,学生掌握了变电站设计的基本原则、计算方法,解决了在课堂上难以解决的很多问题。

(4)为了加强学生对电气工程基础涉及内容的感性认识,设计安排了专门的认知实习。认知实习通常与专业教育相结合,主要目的是建立学生对电力系统及其设备的初步认识。采用到发电厂、变电站、电气设备制造厂、电气试验场所等现场参观的方式,并配合课程影像资源,建立学生对电力系统的整体印象,为课程学习奠定基础。

(5)在认知实习的基础上和专业课程学习的基础上,为了加强学生对现场工作的适应性,还安排学生到变电站、调度中心、电力科技开发公司等单位进行为期两周的生产实习,扩宽学生的视野,增强学生的感性认识,提高学生专业学习的兴趣。

多年的实践表明,在理论教学改革的同时,也要加强实践性环节的教学改革。这两方面在教学环节、内容、方法及手段方面的改革,不仅可大大激发学生学习的积极性,提高学生学习效率,而且还可提高教学质量。

3.6 课程的重点、难点及解决办法

针对本课程物理概念多,计算工作量和信息量大的特点,课程小组采取以下方法解决重点和难点。

(1)仔细分析课程重点、难点,将问题分为难而不繁及繁而不难两种,对难而不繁的问题,强调物理概念解释;对繁而不难的问题,注重方法与技巧的讲解。

(2)采用多媒体课件与传统教学方式相结合的方法授课,做到授课用多媒体,但不依赖多媒体。开发CAI教学课件,将课程中的重点、难点形象化,动画,兴趣化,帮助和有利于学生学习、掌握课程重、难点内容。

(3)注重启发式教学,课堂上与学生互动,开展讨论式教学,培养学生的思维能力。

(4)安排课程认知实习,增强学生的感性认识;结合上课内容,辅之以视频课件(如水、火力发电厂的生产过程等视频课件),增强学生的学习兴趣。

4 教学资源与条件

4.1 教材建设

教材的建设是课程的建设中的重要部分,也是教学体系和教学内容的改革成果体现,同时是组织教学的资源和条件。

在课程建设的同时组织编写了《电气工程基础》教材,由课程组刘涤尘教授主编、向铁元教授参编,适用于工业电气自动化专业的《电气工程基础》教材也于2002年由武汉理工大学出版社出版,并被多所高校相关专业选定为专业课教材并两次再版。在此基础上课程组又组织了由陈慈萱教授为主编,刘涤尘、向铁元、张元芳等十多位教学经验丰富的教授为参编的《电气工程基础》教材编写组。编写的《电气工程基础》(上、下册)教材2003年9月由中国电力出版社出版《电气工程基础》(上、下册)教材由中国电力出版社2003年出版后,立即受到了校内外同行和广大学生的好评,需求量大大增加,中国电力出版社2005年就追加了印刷量,现在印数已达到了7000册左右。

在充分总结几年来教学经验的基础上,课程组又组织新编了《电气工程基础》十一五规划教材,现已列入中国电力出版社十一五教材规划,2009年由中国电力出版社再版发行。

4.2 电子教案和课件

为了为配合“电气工程基础”课程的教学,由向铁元教授、蓝磊副教授等编写的《电气工程基础》电子教案和课件已于2008年6月由华中科技大学出版社出版发行。

同时编写了《电气工程基础》习题及相应答案(电子版),为试题库的建设奠定了一定的基础。

4.3 实践性教学环境

伴随着教学改革的不断深入发展,为了不断提高电气工程与自动化专业平台课程《电气工程基础》的教学质量,培养高质量、宽口径的电力事业人才,学校和学院的领导非常重视与本门课程相关的实验教学设施的建设,积极投入人力和财力,为该课程创造了以下实践性教学条件:

(1)投入几百万元资金,彻底改建了电力系统动态模拟实验室。

(2)更新了实时数字仿真电力系统(RTDS)实验室,使其RUCK达到了7个,这在全国高校独一无二。

(3)完善了电力系统计算实验室,更新了电力系统综合分析计算程序(PSASP)。

(4)改造了冲击电流发生器,可输出120kA的冲击电流。

(5)冲击电压发生器可以进行雷电过电压的教学实验。

(6)内过电压模拟实验室可以开设PT谐振等教学实验。

(7)建成一批教学实习基地。利用科研合作伙伴、校友等各社会资源,与许昌继电器集团、葛洲坝水力发电厂、赤壁火力发电厂、荆门火力发电厂、桂林电容器厂、凤凰山变电站等企业合作建立了稳定、良好的实践教学基地。教学基地每年接纳300余名学生进行为期2周的生产实习,使学生将书本中有关电力系统和高压电气设备的知识进一步理解并获取感性认识。

这些实践性教学环境已经投入或正在投入使用,为加强本课程的实践性教学环节奠定了很好的基础,为提高教学质量,培养宽理论基础、强动手能力和创新思维能力的现代化电气事业建设人才提供了有力的保证。

4.4 网络教学环境

“电气工程基础”课程现已建立专题学习网站。其教学大纲、教学课件、习题及答案和与之相关的实验室、实验大纲、实验说明书和课程设计、毕业设计等资源均已上网。“电气工程基础”课程网站的建设,将为实现教学资源共享,开展本课程的网上教学奠定基础,并将带动其他课程的建设与改革。

5 教学方法与教学手段

5.1 教学方法

课程组坚持开展教学法研究,在教学方法研究方面积极展开了以下工作:

(1)为了把握课程教学的基本内容、重点和难点,课程组安排由经验丰富的教师牵头,讨论教学计划、课程教学大纲及讲授内容,并针对“电气工程基础”课程覆盖知识面宽、内容多的特点,请专家教授对课程相关的内容进行示范讲解,重难点剖析。

(2)为了把握授课的基本内容,保证教学质量,课程组采取集体备课,集体制作多媒体课件等形式,统一大纲要求的基本教学内容。

(3)为了帮助青年教师尽快站好、站稳讲台,交流老师之间的教学体会、经验,课程组组织教师之间坚持相互听课,并安排专门时间对所听课程进行评议。这种活动的开展,既帮助了授课教师,使得他们能迅速成长,又为教师之间对课程的理解、教学方法的探讨提供了一个交流的平台。

(4)为了培养学生分析问题和解决问题的能力,课堂教学中除采用启发式教学方式外,有时也采用课堂讨论式教学方式。田翠华老师开展的一次这样的课堂教学活动,得到了学生的积极支持。学生踊跃参加,效果很好。

(5)为了保证教学质量,客观地对教师的教学和学生的学习进行评价,课程组坚持采用考教分离方式拟定考卷,集体流水阅卷评定成绩的考试验收方式,收到了良好的效果。

上述教学方法研究活动的开展,有力地促进了课程组教学水平和教学质量和教学水平的提高。

5.2 教学手段

为了提高教学质量,课程组的教师除集体制作多媒体课件外,还在一起商讨每章节的讲授方法,多媒体课件的使用方法,在教学手段方面的改革主要体现在以下几个方面。

(1)充分发挥现代化教学技术在授课中的先进性作用,要求课程组的所有老师上课都得使用多媒体课件。将现代化教育技术与传统教学方式在课堂上融合采用,既能提高学生学习的兴趣,激发学生自主探索与研究的学习主动性,又可使两者优势互补。

(2)为了解决“电气工程基础”课程物理概念多、电器元件结构复杂、电气计算繁琐等教学PPT课件外,还制作了与教材配套的电子习题及习题解答、电力设备元器件图片、视频课件等电子教学资料。这些电子教学资料的使用,既提高了学生的学习兴趣,又有效地解决了“电气工程基础”课程教学中的很多具体问题。教学实践表明,这些电子教学资料的使用可以缩短教学时数,增加课堂信息量,提高学生学习的兴趣,优化教学过程,便于学生自学,增强学生的感性认识,加深学生对某些物理概念的理解。

(3)为了提高教学质量,启发学生思维,活跃课堂气氛,达到教学相长的目的,课程组授课教师注重启发式教学,利用课堂讨论和实践教学环境提供的条件,启发学生通过课堂讨论和实践方式实现自我学习、自我教育,克服教师满堂灌的教学方式。如每章节给学生布置课后作业,然后针对学生作业中带普遍性的问题讲授习题课;对重点和难点内容的讲授,采取提出问题让学生预习,课堂上让学生代表陈述预习思考结论,调动学生的学习积极性和主动性,课堂讲授与讨论相结合收到了事半功倍的良好教学效果。

(4)加强实践性教学环节。为了提高学生的学习积极性和主动性,有力地培养学生分析问题、解决问题的能力和动手能力,课程小组对《电气工程基础》课程的授课加强了以下实践性教学环节:上课前或上课中由任课教师带队到火电厂、变电所、调度所、电力设计院等单位参观进行认知实习;课程中安排电力系统计算大型作业;课程完毕后进行至少一周的课程设计等等。

6 本课程建设成果与特色

6.1 重视师资队伍培养和建设

课程小组为电气工程学院从各教研室抽调出来的精英教师所组成,老中青相结合,年龄结构合理,是一支具有高学历、高学位、高职称、高素质、年富力强、受过很好专业训练、有很强科研能力以及敬业精神的教师队伍。

6.2 编写了与课程配套的优秀教材和教学资料

由中国电力出版社出版的《电气工程基础》(上、下册)教材不仅被我校选用,而且也被国内很多同类高校选作教材,被校内外同行专家赞誉为一套大手笔的优秀教材。该教材现己通过中国电力出版社十一五规划高校教材立项,预计2009年底出版;编写了与教材配套的教学课件、习题集和参考答案以及配套齐全的其他教学资料;开发了课程教学软件,为课程的网络化教学建设奠定了一定的基础。

6.3 加强实践性教学环节,注重创新能力培养

课程组的大多数教师都能做到使用多媒体,但不依赖多媒体的教学方法授课;将教学实验逐步由基础性实验转化为设计型、综合型、创新型实验;将课程认知实习多样化,让学生按实习大纲到水、火力发电厂,电力调度所、电力设计院和企业进行实习,克服原来单一场所的实习模式。

6.4 教学与实践成果突出,获得多项省部级奖励

由于课程组全体老师工作兢兢业业,尽职尽责,课程组的教学工作得到了学校的充分肯定,教学水平和效果受到了教学督导组、同行和学生的一致好评。2004年12月,《电气工程基础》课程教学小组荣获电气工程学院本科教学质量优秀集体奖;2005年《电气工程基础》课程被评选为武汉大学精品课程;2007年《电气工程基础》课程被评选为湖北省精品课程。

由刘涤尘、向铁元、丁坚勇等教授等积极组织、指导的杨双红、刘刚、李从方、孙晓明、杜新伟、刘盼、陈堃等20多位同学参与国际“建模”、全国大学生“电子设计”、“数模”、“电工数学建模”、“挑战杯”等竞赛活动,培养和提高学生的实践技能和创新能力,并获得了全国和省部级一、二等奖20余项。

7 总结与展望

《电气工程基础》课程在师资队伍建设、教材建设、现代化教学手段和方法上的研究改进、实践性教学环节的研究和改革以及网络化教学等多方面均形成了自己的特色在多次的全国电气工程与自动化专业的教改研讨会上受到同行的高度好评,并认为认为,“电气工程基础”课程的有机融合是武汉大学电气工程学院教学改革向深层次发展的重要体现,取得的显著成绩和积累的可贵经验,值得兄弟院校学习和借鉴。

但是在精品课程建设和提高教学质量工程的要求下,该课程建设还面临着如下方面须继续发展和不断努力:

(1)进一步积极开展教学研究和科学研究活动,不断调整课程小组成员的学缘结构和年龄结构,提高课程小组成员的业务素质,形成一支相对稳定、结构合理、高业务水平、敬业精神强、教书育人的教学队伍。

(2)站在学科的前沿,根据电气工程技术的发展趋势,运用国内外最新的科学研究和教学研究成果,经常更新和完善课程内容,更新和补充教材、教学大纲、教学课件等教学资料。

(3)更新和完善实践性教学环节,完善和充实实习大纲、实验大纲、实习任务书和实验指导书,真正做到相关实验室都能面向学生实现开放性、设计性试验,培养和提高学生的创新能力和分析问题、解决问题的能力。

(4)做好课程教学网站的建设,为教师和学生提供更多丰富的教学资源。

总之,《电气工程基础》精品课程建设任重道远,还需要进行长期的积累和实践,需要调动广大教师和学生的积极性和主人翁精神,树立“精品”意识,高举“改革”旗帜,潜心钻研,不断探索,教学相长,理论与实践相结合,不断的吸取和总结经验教训,才能将本课程真正创建成为名符其实、当之无愧的“精品”。

[1] 教育部电气工程及其自动化专业教学指导委员会.电气工程及其自动化专业规范.第三届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集,郑州,2005.9

[2] 刘涤尘.电气类专业基础核心课程体系与教学改革研究与实践.教育部面向21世纪课题研究报告,2004.2

[3] 向铁元.多媒体课件同传统教学方法相结合是提高其教学质量的关键.全国高校第二届电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集,2004.4

[4] 丁坚勇.加强大学生实验教学.培养电气工程高素质人才.中国电力教育,2007.1