电力工程基础课程教学改革的探索与实践

高 亮，刘彦辉，商 行，薛玉翠

（绥化学院 电气工程学院，黑龙江 绥化 152061）

电力工程基础是电气工程及自动化专业的一门专业基础课，其前导课程包括电路分析、电机学，后续课程包括电力系统分析、电力系统继电保护等。课程内容包括电力系统相关概念和供配电一/二次系统的计算和运行操作，以及防雷接地保护等。课程内容覆盖面广、信息量大，是一门理论性和实践性都很强的课程。该课程培养目标是学生的认知和理解能力、逻辑思维能力、工程计算和设计能力，但该课程内容不系统，知识点零散，计算复杂、难度大，缺少实践性环节，无配套实验设备；传统的讲授法教学与工程实际缺少关联，学生没有应用工程技术的能力[1,2]。因此，为培养学生具备电力工程应用能力，电力工程基础课程教学亟待改革。

CDIO（Conceiving Designing Implementing Operation），即构思、设计、实现、运行，是一种国际创新型工程教育模式，由美国麻省理工学院和瑞典皇家理工学院等四所大学经历四年研究所得[3]。CDIO工程教育模式以产品开发的全过程为载体，旨在培养学生工程基础知识、个人、人机团队和工程系统四方面的能力[4]。该模式被国内诸多高校引入课堂教学中[5-7]，形成了各具特色的教学新模式，取得了很好的教学效果。如汕头大学提出的个人、团队和系统调控三个能力的EIP-CDIO新型工程教育模式，建立了 CDIO工程教育理念下适合自己的工程人才培养模式[5]。本文基于CDIO教育理念，对电力工程基础课程教学研体系进行深度融合，形成“项目—比赛—软件平台”载体，旨在提高教学效果。

1 建立“教—学—研”融合的载体

1.1 CDIO模式下“教—学—研”融合的必要性

电力工程基础课程在以往的教学内容设置上，教师围绕教材进行通篇讲授，没有对教材知识结构进行梳理和重构，导致讲授过多、学时不足，教学内容重点不突出，学生所学知识多、杂、难的现象。课上教师仅仅采用单一的讲授法完成课堂教学任务，仅在必要的章节讲授中使用多媒体辅助教学，缺乏教学方式、方法的设计；课下布置的作业单单是为了巩固知识点的记忆，作业題的设置缺乏综合性、设计性。学生听课效果欠佳，对于较难理解的知识，多数学生放弃对该知识点的深入理解，造成在后续课程中跟不上，头脑中无法建立完善的知识体系，学生的期末成绩普遍偏低，不及格率增加。更重要的是，由于实验条件的限制，本课程缺乏实验环节的设置，尤其是潮流分析的问题，学生无法实验练习，造成学生所学仅仅停留在理论层面上，无法内化和实践；同时，教师也缺乏深入科研的条件，科研进度缓慢。以上所言诸多问题说明，该课程现有的模式无法适应工程教育大背景下培养专业人才的需求。CDIO教育理念要求学生对工程问题能够构思、设计，并加以实现和运行。这种能力的培养离不开教学模式的改革，用工程教育的理念指导教学，促使理论与实践深入结合；而工程问题的解决又离不开深入的研究。所以，基于CDIO教育理念，在师生之间建立起“教—学—研”深度融合的教育与发展模式，是解决以往教学中突出问题的有效途径，能高质量地培养电力工程人才，是电气工程学科适应时代发展的必然趋势。

1.2 “教—学—研”融合的具体措施

1.2.1 教学内容的增减

为了使本门课程知识体系连贯，便于教师讲授和学生学习，促进教师科研与学生参与的融合，对现有电力工程基础课程教学的知识章节进行重构。以电能的“生产、输送、分配和使用”为主线，形成了六个模块的讲授内容，即发电厂及电力系统基本概念、电力网等值电路、电力网潮流分析、高压开关电器、一次系统主接线设计和电力设备的选择应用。教材中的陈旧与偏难知识点，不利于学生理解，不影响教学主线的形成，可以删除，如复杂闭式网的潮流分析与计算、矩阵算法的潮流理论分析等。重构后的知识体系有鲜明的主线贯穿始终，教师能较好地对教学内容前后衔接并突出讲授重点；并且学生按照这条主线学习能更便捷，易加深对知识的理解与掌握；同时这种知识体系模块化重构，与教师科研的方向有利融合，学生掌握基础知识后便于参与科研。

1.2.2 课下实践指导环节的强化

基于CDIO工程教育理念，为培养学生发现问题并解决的能力，注重课下实践指导环节的强化，如辅导答疑、布置作业和开放实验室项目。教师每周进行一次辅导答疑，并对每章节重点知识精心布置，呈现难易度不同的梯度作业，从中掌握学生对基础知识的理解与运用程度，以此反馈于教学，对教学进度与讲授程度进行合理调整。教师对学生提出的问题进行归纳，总结形成典型问题模块，如电弧形成过程的理解模块；并针对典型问题模块开展实验室开放性项目，如球隙放电实验与电弧形成的动画模拟，使学生能够在实践化练习中解决问题，对知识的巩固与理解更加深刻。拓展与深化课下教学内容，更加有利于课程讲授、学生学习与师生科研的融合。

1.2.3 教学方法、手段和资源的有机结合

在CDIO工程教育理念指导下，根据整合后的课程教学内容与各章节特点，借助图片、动画、微视频等多媒体辅助教学手段，将工程案例讨论法、理论分析与工程计算机分析对比法、翻转课堂等多种教学方法融合，完成该课程的教学任务[8]。

在第三章的“典型环网的潮流分布计算”一课中，教师引出课题“三角环网电力系统如何计算潮流”后，通过启发式和讨论式教学，引导学生构思解题方法，形成解题路线，即先找功率分点再拆网计算。采用翻转课堂的方法，让学生对每一步理论计算进行分析讲解；结合分析对比的方法，将教师科研中的MatLab/Simulink计算机仿真软件引入课堂教学，构建2机5节点系统建模与潮流分析。将软件解题的结果与理论计算的结果进行对比，总结两种解题方式的优缺点。

另外，在第四章的“电弧及其形成与熄灭”一课中，电弧的形成要从微观理论进行分析，借助“主观能动性学习模式”[9]，采取翻转课堂教学方法，课前布置任务，让学生搜集电力上电弧形成的图片、动画以及灭弧的装置，课上由学生主讲电弧是什么？电弧如何形成？电弧用什么熄灭？教师进行补充总结。从电力工程上的“飞弧伤人”事件引入，电弧形成机理由教师制作的动画进行补充演示，最后学生以多媒体图片介绍电力灭弧器件。这种教学方式下，学生主讲和教师点评相结合，能激发学生积极性。教学方法、手段和资源在不同课节中的有机融合，既能使复杂知识简单化，又能加深学生的理解，也促进了学生对教师科研的参与，提高了学生的学习兴趣和实践能力。

1.3 “教—学—研”融合的载体

图1 “教—学—研”融合的载体

我们在CDIO工程教育理念的引领下，以教师和学生为双重出发点，对电力工程基础课程的讲授、学生对知识的学习与师生科研进行有效融合的载体——“项目—竞赛—软件平台”，如图1所示。

1.4 “项目-竞赛-软件平台”的作用

实验室开放性项目的开展，能够建立起教师课堂讲授内容与学生学习知识之间的联系，该项目是对课题知识的验证与巩固。大学生科技竞赛与创新项目的进行，能够建立起教师科研与学生学习知识之间的联系。将教师的科研内容形成创新项目或参与科技竞赛，既是对学生学习知识的良好运用，也是学生参与科研的有力途径。借助仿真软件构筑软件平台教学，能够建立起教师科研与课堂讲授内容之间的联系[10]。将教师科研中使用的工程软件对学生进行讲授，如Origin数据处理软件、AutoCAD绘图软件、MATLAB/Simulink仿真软件等，既是对理论课程实践化的强化环节，又是科研反哺教学的体现。

2 “教—学—研”融合载体的运行

2.1 实验室开放性项目

在CDIO工程教育模式的引导下，学生对电力工程领域研究分析产生了浓厚兴趣。借此，针对教学辅导答疑环节中的问题进行总结并凝聚几个典型问题模块，结合教师的科研方向及处理方法，借助仿真实验分室、电力电子技术实验分室和供配电技术模拟平台，在2016-2017学年度两个学期内开展了9个实验室开放性项目：电力工程网络模块化建设、基于Simulink的电力网潮流分布建模与仿真、基于 Origin8.0的电容器介质性能数据分析处理、SPWM逆变电路的建模与仿真、架空线路的三相自动重合闸系统仿真研究、基于MATLAB电力系统短路故障仿真实验、基于C51的电力风光互补发电系统的设计、基于C51的智能插排设计、MPU6050在四轴飞行器中的应用。每个项目参与学生人数均在 15人以上，教师共讲授 36学时，学生利用业余时间共学习108学时。这些项目涵盖电力工程基础教学各个章节，难度由浅入深，均借助工程分析处理方法加以解决。

2.2 大学生科技竞赛与创新项目

在电力工程基础课程多章节的讲授、讨论中融入了CDIO工程教育理念，使学生头脑中形成了从工程角度出发的CDIO思维模式，但缺少实际运用的机会。因此，本课程以课外大学生科技竞赛与创新项目为外延，提供给学生锻炼的机会，在竞赛和项目中培养CDIO工程教育理念下的掌握知识能力、个人能力和人际团队能力。各类竞赛或科技创新项目多数来源于工程实际中急需攻关的难题，学生以竞技团队或科研团队形式展开研究，设计出一套解决问题的方法，具体路线如图2所示。

图2 CDIO工程思维模式下的解题路线

2.3 软件平台

我们在本课程改革中，基于“教—学—研”深度融合的具体实施构建了软件平台，包括MATLAB/Simulink仿真软件、Origin8.0数据分析处理软件以及AutoCAD电气绘图软件等，用以辅助实验室开放性项目和竞赛的开展。在“基于Simulink的电力网潮流分布建模与仿真”项目中，利用 MATLAB/Simulink软件对典型电力网进行建模仿真，并利用 Origin8.0科学处理软件对仿真后的数据进行分析处理，从而指导电力网的设计改造，对改造结构可利用AutoCAD软件进行绘制出图。教师在项目与竞赛中对软件进行教学指导，软件平台的运行更好地辅助了项目与竞赛，使得“教—学—研”更好地融合。

3 改革成效

3.1 学生学习成绩得到提高

对电力工程基础课程教学改革前后学生成绩分布进行对比分析，其结果如图3所示。

图3 改革前后课程成绩分布对比图

从图3(a)与(c)的对比可见，改革后学生总成绩明显提高，优秀率增加，由改革前的2.16%增加到6.29%，不及格率降低，由改革前的16.55%降低到 12.58%。根据图 3(b)与(d)对比可知，改革后学生卷面成绩明显提高，及格率和优秀率均有所增加。

3.2 学生比赛竞技能力得到增强

理论课程实践化改革中，CDIO工程教育理论引入及辅助教学环节中实验室开放性项目的锻炼，使得学生理论与实践结合能力得到提升，对工程实际问题解决的思维得到开发，也促进了学生在后续各类比赛中取得更好的佳绩。如学生在2016年获全国大学生TI杯电子设计竞赛黑龙江赛区二等奖；2017年获第八届“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛黑龙江赛区一等奖和全国总决赛优秀奖，第十三届“博创杯”全国大学生设计大赛东北赛区一等奖。

3.3 教师教学能力得到提升

在电力工程基础课程教学改革的进行中，教师的教学能力也得到了进一步的提升。在CDIO的教育理念下，教师对现有教材进行了改编，教材更具有实用性，教学水平得到提高。教学经验丰富了，教学方法多样了，两名教师分别在青年教师教学技能竞赛中获得一等奖和二等奖，并在一轮教学实践后，获得教学新秀奖。

3.4 教改的双重催化作用

教学改革推动了教师科研项目的进行，加大了教师科研成果产出，自2015至2017年该课程教师团队共申报并授权实用新型专利5件。同时，开放性项目的开展为学生参加竞技类比赛提供了锻炼机会，学生工程分析能力得以提高。

4 结语

电力工程基础课的改革探索，促进了教师和学生的双重发展。在CDIO工程教育理念指导下，教师从多角度综合运用教学方法、手段和资源，建立了“教—学—研”融合载体，即“项目—比赛—软件平台”；学生学会了运用 CDIO工程思维模式来解题。该课程改革的实施，激发了学生对课程学习的兴趣，学习成绩显著提高，比赛竞技能力得以增强。

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