工程认证背景下的课程实践教学创新体系

李继清 吴月秋 纪昌明

[摘 要]以训练学生的综合性创新能力和实践能力为教学目标，面向工程认证要求的水库优化调度课程实践教学，是培养水文水资源工程专业创新人才的全新模式。本文从课程特色着手，结合工程教育专业认证要求，具体阐述了水库优化调度课程的上机安排、实验教学、课程设计三个实践环节。水库优化调度课程既有丰富的专业理论知识实践，也囊括了宝贵的水电站优化运行技术，将教学过程与工程实践紧密结合，并提出了实践教学过程中的创新改革及后续改进措施，以调度学生的实践兴趣，提高课程教学质量和水文水资源工程专业的培养水平。

[关键词] 实践教学；创新体系；水库优化调度；改革探索

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）06-0040-04

工程教育专业认证是实现工程教育国际互认的重要途径，教育部自 2006 年起在全國实施工程教育专业认证，并在试点过程中不断修改和完善相关标准，增强工程教育人才培养的适应性[1][2]。面向工程教育专业认证人才培养的最终落脚点是在设计课程体系时所确定的课程理论和实践培养体系，主要通过专业课程的教学来实现这一目标，因此，专业课程教学要求学生在掌握课程理论基础上，着重提高动手能力和工程实际应用能力，注重实践能力和创新意识以及科研工作和应急处置能力的培养[3][4]。

水库优化[3][4]调度课程是水文学与水资源工程专业的核心主干课程之一，是一门包含水库实时、短期、中长期发电调度，防洪调度及综合利用调度等课程理论知识单元，同时又包含实验、上机、课程设计等实践教学环节的综合性课程，也是反映华北电力大学水电“电力特色”的专业主干课程。课程理论性和实践性都很强，要实现从课本的基本理论方法到实际问题的实践应用，需要加强实践教学，从而增强学生的社会适应能力，有利于学生实际操作能力的培养，使他们在激烈的人才竞争中掌握主动权。本文从课程特色着手，结合工程教育专业认证要求，具体阐述了水库优化调度课程的上机安排、实验教学和课程设计三个实践环节，将教学过程与工程实践紧密结合，并提出了实践教学过程中的创新改革及后续改进措施，以提高课程教学质量和水文水资源工程专业的培养水平。

一、课程特色

水库优化调度课程作为水资源可持续利用的科学基础，将有力促进水资源，特别是流域水资源调度管理问题的解决。课程以水电系统优化运行为理论基础，利用现代计算机技术和各种优化技术，寻求满足调度原则的满意的调度规划方式、调度计划、调度方案，呈现出很强的应用性[5][6]。为此，应高度重视课程的实践教学，要求教师面向生产与科研实际，培养学生分析问题和解决实际问题的能力。

另一方面，专业学习是按一门门课程分块学习的，但专业本身不是条块的，而是一个有机体。水电站水库优化调度课程是水文水资源工程专业的核心专业课，内容章节和其他专业课程之间有千丝万缕的联系，将综合运用专业培养前期的高级语言程序设计（C）、VC++程序设计等计算机语言课程，水力学、水文学原理、水利经济、水文水利计算等专业基础课和水资源开发利用、水文预报等专业课的内容，教学中应让学生清楚该课程所讲的知识在专业体系中的位置和作用，以及和先修课程并行开设的其他专业课间的相互联系，帮助学生把分散于各个学期学习的专业课程建立起联系，形成知识体系，从而深入理解本课程实践教学的重要性。

二、实践教学体系

实践环节（实验课、实习、上机、课程设计等）是学生将理论应用于实践的机会，是应用专业理论来解决工程实际问题的具体体现形式，对培养和提高学生的专业实践能力具有举足轻重的作用，是理论教学无法替代的[7]。对现行的实验、课程设计等实践环节，学校教师足够重视，但没有引起部分学生的足够重视，部分学生甚至相当不重视，导致学生的参与度不够，实践效果不佳。需要合理安排实践环节，把学生的兴趣和注意力吸引过来，激发他们的积极性和热情，真正起到对学生实践能力培养的作用。结合工程认证背景，本课程以能力为中心构建课程实践教学体系，拓宽基础，注重实践，加强能力培养，提高综合素质。具体来说，水库优化调度课程的实践教学，配合课堂理论教学讲授进度，适时安排课程上机，巩固所学的理论知识；通过水库调度高级应用软件相关的实验操作，使学生加深理解和掌握水库运行调度的主要原理、方法，增加学生的感性认识、动手能力和创新意识。再通过课程设计，进一步巩固和加深水库中长期调度的理论知识，使学生了解水库中长期优化调度的步骤和方法，培养和提高学生独立分析问题和运用所学理论知识解决实际问题的能力。课程的实践教学环节部分学时占该课程总学时的三分之一，比其他课程的实践教学明显偏多，实践体系框架详见图1。

（一）课程上机安排

计算机编程能力是学习水库优化调度课程的重要条件，结合课程特色和内容要求，共安排了两个不同目标的上机任务，主要让学生进行上机编程作业训练，内容分别为某水电站水库的实时（短期）厂内优化调度和常规调度图调度。第1次上机任务，主要结合课程理论教学的实例，让学生编制3台机组组成的简单水电站的厂内实时优化调度程序，得到电厂最优运行策略，主要让学生熟悉编程的思路和用计算机语言实现专业知识的方法；第2次上机任务，根据已知水库的水位库容曲线、耗水率、预想出力等基本资料和水电站常规调度图，推求某一年水电站中长期运行计划，需要学生根据数据离散化后的中长期常规调度图，具体编制常规调度程序，得到水库水电站某一年运行计划过程，输出各时段的电站出力、发电流量、发电量、库容及对应水位，并计算全年的总发电量，这部分也是课程设计的前期基础。计算过程中整个调度期（一年）的计算时段长不统一，汛期每旬为一个时段，其他每月为一个时段，且注意每月天数的变化。全班同学分为4个大组，每个大组计算的水库起调水位不同，每个大组内各位同学计算的入库流量又不相同：原始各时段的流量×k（k=0.8-1.4，间隔0.1）。

（二）课程实验环节

水库运行调度实验的总体目标是培养学生在掌握水库运行调度的基本理论和知识的基础上，应用水库调度的常规方法和常用优化方法，能够独立设计简单的水电站水库运行调度自动化系统软件。实验的难点是水库运行调度自动化系统软件的设计不仅需要扎实的专业基础，还需要一定的计算机能力。

1.实验指导书编写与多媒体课件开发

充分利用现代化的媒体技术，采用多种表现手段和方法，编写了《水库调度实验指导书》，并开发了实验操作过程多媒体辅助课件，已使用6年。针对专业课程的特点和具体要求，在实验教材编写过程中，侧重对实验目的、实验原理、仪器结构、实验步骤、资料整理及思考题等部分进行详细介绍，配有清晰的彩色实验仪器结构示意照片，力求详细、直观地将各个实验的整个内容体系和操作过程完整地呈现给学生。在实验操作过程中多媒体辅助课件将实验操作过程直观、详细展现出来，便于学生自学。学生可根据自己的实际时间和需要，采用灵活的方式（包括网络）完成实验理论学习，了解实验的整体过程。

2.课程实验内容及要求

通过分组实验，学习训练和系统设计以及小组同学之间的相互交流、沟通、方案设计、最优方案选择，让学生们加深了解水库调度的原理过程，培养大学生团队合作能力、独立思考能力、动手能力以及解决问题的主动性[8]。设置了水情数据自动测报系统演示实验、水电站水库单库运行调度、水电站水库群运行调度、水电站水库运行调度自动化系统和水电站水库运行调度自动化系统软件总体设计，共计五个实验。

实验一是后续实验的基础，利用实验室的水情数据自动测报系统，演示水情自动测报系统的基本知识（包括系统组成、功能等）和水情自动测报系统软件的使用方法（包括登录管理、数据下载、检测状况管理、基础信息维护、用户管理、原始数据管理、日志管理、数据导入、退出系统），全面、及时地反映流域的基本状况，为防汛和水资源管理提供调度依据，让学生详细和深入地了解水情数据自动测报系统的功能和使用方法。实验仪器包括：计算机、遥测终端（由监测中心设备——RTU设备、中心站和远程雨量、流量、水位等水文、气象要素采集、传输和显示设备等组成）[9]。

实验二利用实验室的计算机及单库调度演示软件，具体了解和掌握单一水电站水库运行调度的基本内容、模型和求解方法，主要是常规调度图和调度函数方法和优化调度的动态规划、遗传算法。通过实例，分别演示了上述方法应用于单库日负荷曲线运行和集中调峰运行时的优化效果。

实验三则侧重于水电站水库群运行调度的基本内容、模型和求解方法，主要演示同一河流的梯级水库群互相协调、共同调节径流，满足流域整体各部门的多种用水、用电需求。通过梯级电站蓄能调度图常规方法、动态规划及改进其算法和遗传算法，实现梯级水电站群的联合短期运行，实现电站间水量的相互补偿，提高梯级水电站群综合效益。

实验四为综合型实验，利用计算机及水电站水库调度自动化系统软件，让学生具体了解和掌握水电站水库运行调度自动化系统软件開发的基本内容、系统功能和系统使用方法。通过教学软件，可实现水库调度图查询、水电站水库中长期调度和短期调度。水电站水库运行调度自动化系统是电网调度自动化系统的一个重要组成部分，它是集电力、水文、计算机、网络、通信等多专业的综合性应用系统，主要进行与水库运行有关的监测、预报、调度和管理。该系统基于对历史资料的收集与整理，依靠先进的采集和传输技术，及时准确地获取水电站流域和其他相关系统的水文、气象和水库运行信息，利用数据库管理技术，进行在线水文预报和水务综合管理等，依据相关数学模型和大型数据库进行计算和处理，迅速提供包括防洪和发电在内的综合调度决策方案，其中的某一运行界面见图2。

实验五为利用水电站水库运行调度自动化系统软件总体设计教学多媒体软件，展示水库调度自动化系统的开发流程，从可行性讨论、需求分析、系统设计、程序开发、编码和单元测试、系统测试及系统维护等方面对水电站水库运行调度自动化系统的开发。

（三）课程设计

课程设计是对水库优化调度课程的总体检验，是将书本上学习到的理论知识应用于实际工程的综合训练。选择调度内容相对比较全面的水电站水库中长期优化调度为课程设计内容，利用离散微分动态规划的方法，进行确定性来水条件下的单一水电站水库的长期最优调度。具体的设计任务为：（1）编制确定性来水情况下用离散微分动态规划（Discrete Differential Dynamic Programming，DDDP）制订水电站水库长期优化运行方式的通用程序；（2）应用实际资料进行计算，验证程序的正确性和计算结果的合理性。在课程设计中需要先利用第2次上机完成的常规调度策略，作为优化的初始轨迹，再采用DDDP法进行优化计算，输出优化后的最终的一年运行计划，包括各时段的电站出力、发电流量、发电量、库容及对应水位，计算全年的总发电量，绘制水库调度的最优轨迹图，并与第2次上机的常规调度发电量、水库实际运行的发电量进行对比，分析优化的合理性和有效性。要求学生必须编程计算，与上机任务的布置方法类似，保证每人的初始条件不同，每人所做的结果不同。

三、实践教学创新改革及措施

（一）分组方法多样

为促进学生积极主动参与到水库优化调度课程的上机、实验和课程设计中，在不同实践环节中采用不同的分组方法。（1）根据编程语言分组。由于本科阶段学生选课不同，掌握的编程语言和水平不一，因此学生可以选择自己最为熟悉的编程语言完成任务，不要求采用统一的编程工具。（2）根据完成任务不同分组。完成上机任务中的中长期常规调度图和课程设计的优化调度任务时，根据起调水位不同，把全班分为4～5个大组，大组内各位学生则又根据各时段入库流量不同进行区分，避免学生相互抄袭。

（二）实验方法改革

常规实验和创新性实验相结合。在常规实验的基础上，让学生组建创新小组，利用现有的实验设备和软件系统，自行设计实验，一般6～8人一组，并配备实验指导教师，以此提高学生的科研意识和动手能力。进行单库和梯级调度实验时，让学生结合实验课件和软件系统，到图书馆网上检索系统查阅国内外水库调度的新方法，尤其是现代智能优化算法；调度自动化软件部分，让学生尝试编制新的目标函数调度程序，以对比不同目标下的调度结果的差别，这样既扩大学生的知识面又丰富了实验教学内容，有助于明显提高实验教学质量，进一步提高学生的学习兴趣，为培养创新应用型人才提供了有力的保障。

（三）考核机制改革

实践环节的考核手段很重要。实验考核机制应充分考虑能否真实体现出学生的真实水平，做到公平、有效、正确的评价学生实践能力。针对实践教学中普遍存在着学生实验、上机以及课程设计等环节质量考核评价指标含糊，成绩评定随意、主观等问题，采取分组考核、组内检查、过程监督相结合的全方位综合考核方法。分组考核：对学生进行分组，每个班分成4组，每组设组长，每组分别完成不同起调水位的水库调度任务。组内检查：主要考核学生的出勤情况和对成果的贡献，由各组长对组内每位学生给出相应分数。过程监督：主要采取教师定时或不定时巡查的方法，同时，完成解答疑问的教学任务，并适时根据实践环节的开展情况采取必要的响应措施。最后，依据学生在整个实践教学环节中的表现和各实践环节计算结果合理性、有效性和提交的实践报告的质量给出各环节的成绩，最终成绩分为优、良、中、及格和不及格五个等级，并与理论教学的平时成绩及结课考试成绩共同构成课程成绩。

（四）后续改革措施

1.提高实验课时和实验项目数量，开设综合性和创造性实验。利用实验指导书及实验软件，鼓励学生探索新方法，并在实验室老师的指导下独立进行实验，从而提高实验室的利用效率和实验教学效果[9]，解决了原来由于实验课人多拥挤、多人共用仪器而带来的实验效果不理想的问题，并使实验室大量空闲时间得到合理的利用。

2.加大实验经费的投入，建立高水平的实验平台。多方筹措资金加大实验教学投入，自行设计制作与购置相结合，更新实验教学设备，继续设计开发相应开放性创新性实验，为培养学生的创新意识和创新能力提供平台。

3.与教师科研相结合，利用主讲老师积累的实际科研项目资料，借助于计算机，把教材中的重要原理、重要算法以及重要步骤，通过实际操作对学生进行演示并加以解釋，以培养和提高学生解决实际问题的能力。将教学与科研紧密结合，一方面有利于高质量人才的培养，另一方面对教师的科研课题的完成将起到推动作用。

四、结语

实践教学是加深和巩固理论知识的有效方法，也是培养学生动手能力、创新能力的重要环节。培养和提高学生的专业实践能力是一个长期系统的工程，需要不断地探索、思考、创新与发展，需要不断地探索出更多的实践资源与实践途径，进行全方位的立体改革。同时，按照实践教学与理论教学并重方针，在培养学生实践操作能力的同时促进对理论知识的理解和深化。只有这样，才能更好地适应现代高等教育教学模式，与现今工程认证的大背景相融合，培养更多的社会需要的水文水资源工程专业应用型人才。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 姜海丽，孙秋华，赵言诚.工程教育专业认证背景下工程实例教学模式的探析[J].黑龙江高教研究，2017（2）：162-164.

[2] 宋贤良，叶盛英，黄苇，等.基于现代工程教育理念的食品机械与设备课程教学改革与实践[J].高教探索，2016（5）：50-51.

[3] 史东梅.本科《水文与水资源学》实践教学体系的构建[J].西南农业大学学报（社会科学版），2008（1）：192-195.

[4] 刘宏权，刘玉春，韩会玲.论工科专业课教学对学生实践能力的培养——以“水资源规划与利用”课程教学实践为例[J].河北农业大学学报（农林教育版），2013（2）：82-84.

[5] 赵玉红，肖长来，卞建民，等.水文学及水资源专业实验教学的改革与实践[J].实验室研究与探索，2011（1）：92-95.

[6] 武新宇，程春田，李刚.水电经济运行课程任务导向型教学模式探讨[J].高教论坛，2011（4）：60-62.

[7] 谢平，林洪彬.工科专业课教学中创新精神与实践能力的培养[J].教学研究，2007（2）：162-164.

[8] 李继清，吴月秋.水文实验室建设实践与教学应用改革探索[J].教育教学论坛，2015（4）：216-217.

[9] 李继清，杨卓.水情自动测报实验室建设实践与应用探析[J].教育教学论坛，2015（2）：233-234.

[责任编辑：钟 岚]