面向工程教育专业认证的电力系统综合实验教学改革

梅 林， 孙玲玲， 张 楠

(燕山大学 a. 电气工程学院 电子实验中心(国家级实验教学示范中心)；b. 机械工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

0 引 言

工程教育是我国高等教育的重要组成部分，工程教育专业认证旨在通过专业认证机构针对高等教育机构开设的工程类专业教育进行专门性评估。工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1-2]。2016年6月，我国成为第18个《华盛顿协议》正式成员，标志着我国工程教育已正式进入国际工程师互认体系中最具权威性的体系。全国高校积极开展工程教育专业认证，推进工程教育改革，提高工程教育质量，增强工程教育人才培养能力，以促进我国工程教育国际互认，提升竞争力[3]。

电力系统综合实验是电气工程及其自动化专业学生需要完成的学时最长、项目内容最多、考察专业知识最全面、操作难度最高的综合性实验课程，是本专业最为重要的实践环节之一[4-6]。在电力系统综合实验课程中，学生需要利用实验室资源，综合运用电力系统稳态分析、电力系统暂态分析、电力系统继电保护、电力系统自动装置、发电厂主系统、变电站综合自动化等专业课程知识，通过物理模拟、数字仿真、虚拟技术等多种实验手段，最终完成实验项目，更加直观和深入的理解电力系统。在进行工程教育专业认证的背景下，以全新的工程教育标准对电力系统综合实验教学进行全面改革，对于学生提升从全局角度系统认识理解电力系统的观念、激发自主学习和创新的意识、培养综合运用专业知识解决工程问题的能力具有重要意义。

1 电力系统综合实验教学现状

我校自2000年开设电力系统综合实验课程以来，电力系统综合实验作为融合多门交叉学科知识、专业综合能力要求较高的重要实践环节，对学生专业知识应用能力的培养起到了非常积极的作用。但基于工程教育专业认证的标准和要求，在一些方面仍然存有待解决的问题。

(1) 实验项目内容不够充实，工程背景不够突出。原有实验项目的制定大多依据课堂教学理论基础知识，没有完全依据工程教育认证的标准，项目内容与工程实践背景结合不够紧密，不能充分培养和提升学生利用所学专业知识解决实际工程问题的能力。

(2) 实验教学模式相对单一。单纯将“教师讲解+学生操作+结果分析”的传统实验教学模式应用于原有实验课程，不能充分调动学生实验环节自主学习的积极性，不利于激发学生实验环节独立思考和创新性，难以完全满足工程教育专业认证对学生综合能力全面培养的需求。

(3) 实验考核形式不够全面有效。原来所采用的“实验预习+实验操作+实验报告”的实验项目考核形式，在传统实验教学评分中具有相对明确且易于操作的优势，但面对工程教育专业认证对于过程考核、多点能力考核和区分度考核的要求则显露出不足，不能全面有效评判学生学习效果。

(4) 实验资源使用安排不够合理。根据原有实验项目内容的安排设置，实验室配套的实验平台中许多实验资源未被有效使用和开发。同时，受到传统规定式教学计划的制约，会出现实验平台不同时间段或超负荷或空闲的突变使用，不利于实验设备的有效利用和保养维护，也不利于教师的合理安排和协调。

2 教学改革思路及目标

工程教育专业认证要考察专业在学生、培养目标、毕业要求、课程体系、持续改进、师资队伍、支持条件等方面的整体情况[7]。基于电气工程及其自动化专业“电气工程领域应用研究型高级工程技术人才”的本科人才培养定位，要求毕业生具备宽广的自然科学基础、扎实的电气工程专业基础和技能，能够在电力系统、电能变换、工业控制等技术领域，从事系统分析、工程设计、技术试验、产品开发、工程技术管理等工作；工程实践能力强，能够适应现代科技发展和经济建设需要；具有良好的品德修养和人文素养，具有较强的人际交流、团队合作和终身学习能力，富于创新精神。

结合工程教育专业认证的要求，课程系统中的每门课程均需完成毕业要求的一定指标点，以共同支撑毕业要求，从而完成培养目标[7]。根据电气工程及其自动化专业2015最新修订版毕业要求，表1列出电力系统综合实验课程能力矩阵(即本课程与毕业要求的关联度矩阵)汇总信息点，此处仅列到一级指标点，1级指标点下还设有2级指标点用以细化能力矩阵。从课程能力矩阵可以看出，作为课程系统中极其重要的实践环节，电力系统综合实验课程需从专业基础知识、专业工程技能、工程综合运用能力和工程素养等方面完成对学生的工程综合能力培养。

表1 电力系统综合实验课程与毕业要求一级指标点关联度

面向工程教育专业认证的电力系统综合实验教学改革紧扣“以学生为中心、成果为导向、持续改进”的思路[8-9]，立足毕业要求、课程体系和本课程特点，细化课程目标。需要学生通过电力系统综合实验课程的学习，更加深入理解整个电力系统的组成及运行，学习检索查阅手册规范及技术资料的技能、掌握实验平台基本原理及相应设备或软件的使用操作、通过团队协作进行实验方案的讨论构思设计和实施，注重培养综合运用电力专业理论知识解决实际工程问题的能力，提升自主学习和创新意识。

结合电力系统综合实验课程现状及问题分析，构建模块化-阶梯型教学内容体系，积极拓展多样化教学模式，建立合理有效的考核及反馈机制，力争基于一系列教学改革措施实现本课程对所对应毕业要求指标点的全覆盖和有力支撑，从而进一步支撑专业培养目标，满足工程教育专业认证的相应要求。

3 教学改革方案

3.1 构建模块化-阶梯型教学内容体系

基于电力系统综合实验课程的多学科知识交叉性、能力运用综合性和工程训练实践性的特点，融合工程教育专业认证理念，构建模块化-阶梯型教学内容体系[10-11]。

模块化-阶梯型教学内容体系打破了传统的固定实验项目形式，将实验项目选题进行模块化设计，同时根据难易度进行阶梯型分类(基础验证型、专业设计型和综合创新型)，构建出模块化-阶梯型电力系统综合实验项目库。基础验证型项目为入门级实验项目，实验指导书中有明确的实验要求、步骤及说明等，用于学生了解实验平台功能、熟悉基本原理及掌握基本操作；专业设计型项目为进阶级实验项目，选题针对实验平台中结合工程实践且难度适中的功能，只提出实验要求，学生需分组讨论、构思、设计实验方案，并完成实验操作；综合创新型项目为高级别实验项目，利用专业科研平台研究成果或通过学生导师引导学生自行设计实验项目选题，团队协作完成实验项目的题目设计、方案讨论构思、实施操作及答辩。

基于现有实验室平台资源，融合工程教育理念，实验项目选题不再仅是针对某一理论的单纯性验证或简单性设计的项目内容，还涵盖通过方案设计解决实际工程问题的项目内容。依据电力系统综合实验课程教学大纲要求，充分考量课程对相应毕业要求指标点的支撑情况，实验项目选题涉及电力系统的设计、规划、调度、监控、运行、控制及二次设备调节、测量、保护的理论和技术，融合电力系统稳态分析、电力系统暂态分析、电力系统继电保护、电力系统自动装置、变电站综合自动化等多门专业课的相关知识点。

现已构建完成的电力系统综合实验模块化-阶梯型教学内容体系主要包括5个主实验项目模块，分别为电力系统自动装置综合实验项目模块、配电网静态模拟及微机保护设计实验项目模块、常规三相四线制系统设计及综合监测实验项目模块、数字动态实时仿真系统及闭环110 kV线路保护实验项目模块和电网虚拟仿真综合设计实验项目模块。依据阶梯型设计思路，每个主实验项目模块下面还设置出具有不同类别的子实验项目(包含基础验证型、专业设计型和综合创新型)。图1所示为电力系统综合实验模块化-阶梯型教学内容体系构成，并以电力系统自动装置综合实验主实验项目模块为例展开说明模块化-阶梯型的具体构成形式。

图1 电力系统综合实验模块化-阶梯型教学内容体系

电力系统综合实验模块化-阶梯型教学内容体系中，每个实验项目均有明确详细的实验学时、实验类别、实验内容及实验要求等说明，学生根据此课程所需实验学时及实验类别自行进行选择。在充分利用现有实验平台资源、推进工程教育改革的工作上，电力系统综合实验模块化-阶梯型教学内容体系的构建开展了有益探索和实践。

3.2 教学模式多样化

依托国家级实验教学示范中心平台和河北省电力电子重点实验室平台，在面向工程教育认证的电力系统综合实验教学改革中，尝试采用多样化的教学模式，以丰富教学资源、拓展教学手段和推进教学成果。

(1) 虚拟仿真和实体操作实验手段相结合

本实验室可提供WDT-IIIC电力系统综合自动化试验台、PS-7G型电力系统微机监控试验台、配电网静态模拟综合仿真实验屏、110 kV线路保护屏、KLD-9300综合自动化系统和电能综合监测实验台等系列实验设备，用于开设相应的实体操作型实验项目，使学生通过实际操作对电力系统运行等知识有系统性的感性认识。

同时，针对电力系统的特殊性，对于无法直接进行实体操作的部分，引进虚拟仿真技术，用于模拟电力系统实时运行及性能分析等环节，弥补缺乏实体操作型实验的不足[12]。现有实验平台可提供变电站仿真实验系统、电力系统动态实时仿真系统和电网调度虚拟仿真培训系统软件等一系列虚拟仿真实验资源。

(2) 项目式教学形式。依据工程教育模式的思路，引入新型项目式实验教学形式[13]。学生分组选择实验项目后，对于专业设计型和综合创新型实验项目，不再采用“教师讲解+学生操作+结果分析”的传统实验形式，学生需要以团队的形式完成“讨论设计+方案实施+展示验收”的实验全过程。学生从被动操作的角色转化为主动参与设计的角色，积极调动学生实验的自主创新能力

在实验过程中指导教师帮助学生制定方案设计的合理性和可行性，监控实验操作实施的规范性和安全性，考核实验设计的难易度和实验结果的准确度。在整个实验环节中，学生完全处于主导地位，自己发现问题、提出问题和解决问题，有效培养和提高学生综合运用学科知识解决工程问题的能力。

(3) 网络化辅助教学平台。为了更加合理有效利用实验平台资源、调配师资和开放实验平台信息，建立网络化辅助教学平台。

网络化辅助教学平台提供实验项目信息在线查阅、预约实验时间和实验平台资源共享等功能。通过网络化辅助教学平台，学生可检索电力系统综合实验的全部信息，根据实验要求分组后在实验项目库中选择实验项目，在规定时间内自由选择实验时间，制定出实验进度计划，根据计划提前查阅开放的实验项目信息，做好实验前预习工作；同时，实验完成后也可根据平台资源进行实验课后练习或拓展性训练。教师利用此网络化辅助教学平台，可有效调配师资和实验设备资源，更及时完成实验前一系列准备工作，更高效地开展实验教学工作。

3.3 建立合理有效的考核及反馈机制

在工程教育专业认证的背景下，对学生的专业基础知识、专业工程技能、工程综合运用能力和工程素养等的考核已不能采用传统“实验预习+实验操作+实验报告”的简单评分形式，需要探索考核的新思路[14]。

面向工程教育专业认证的电力系统综合实验考核机制，立足于本课程专业能力矩阵中指标点设置考核评分点，依据对各指标点支撑强度分配考核评分点占比(即贡献度)，关注于考核规范性和可操作性制定可细化分级的评分标准。通过考核机制的改革，可以实现对学生实验的过程考核，严格把控学生的实验参与度和实验效率，合理有效地评价学生的专业基础知识、专业工程技能、工程综合运用能力和工程素养，在一定程度上激发学生的积极性和创造性，进一步培养和提高其解决实际工程问题的能力。

本实验教学根据实验项目分类(基础验证型、专业设计型和综合创新型)，针对相应考核评分点，依据细化的评分标准对每个考核评分点进行分类打分，再结合评分点占比加权汇总出每个学生的考核总成绩。对于每个考核评分点和对应指标点类别下面还设有更细化的二级信息，以便更加准确合理地进行分级评定考核(此处仅列出一级考核分类信息),见表2。

表2 电力系统综合实验课程考核一级分类信息

工程教育专业认证关注于将“持续改进”贯穿始终[15-16]。因此，在电力系统综合实验教学改革中，构建反馈机制用以指导“持续改进”具有重要意义。构建完成的电力系统综合实验教学反馈机制中，用于分析的数据源基于每个学生此实验课程的考核结果，通过对每个学生考核结果分项得分的加权汇总，可以得出每个班级乃至整个年级此实验课程教学对应支撑各项指标点的定量达成度。同时，辅以学生问卷调查及后续课程反馈等方式增加反馈机制数据信息。在电力系统综合实验教学反馈机制中，通过对课程考核结果的定量统计和调查反馈的定性补充分析，综合得出此实验课程最终的目标达成度，用以指导和制定后续课程的改进措施，如调整实验目标、实验内容、实验模式和实验考核方式等，将“持续改进”真正落实到实验教学的各个环节。

4 结 语

面向工程教育专业认证的电力系统综合实验教学改革已经实践应用于2011至2013级电力系统及其自动化专业学生的教学，从课程考核和反馈机制的定量数据、学生课堂反响和测评结果的定性分析来看，一系列教改措施效果已经逐步显现。贴近工程实践的实验项目选题、灵活多样的实验形式、丰富开放的实验平台资源、合理有效的考核，有效调动了学生实验的积极性和创新性，增强了学生的团队协作意识，对于培养和提升学生解决工程问题的能力起到了积极促进作用。但与此同时，学生选题难度把控不足、工程认知缺乏等问题也需要在后续教学中不断改进和完善。

我校电气工程及其自动化专业已通过教育部授权的中国工程教育专业认证协会的工程教育专业认证初审，即将于今年底接受专家入校评估。在面向工程教育专业认证的电力系统综合实验教学改革中，模块化-阶梯型教学内容体系、多样化教学模式、合理有效的考核及反馈机制等有益尝试，对于推动我专业的工程教育认证工作以及后续的“持续改进”起到了积极作用，也可以为其他应用型本科工程教育教学改革提供有益的参考。