新工科建设下的专业课程实验教学模式改革

唐 波, 黄 力, 袁发庭, 王 爽

(三峡大学 电气与新能源学院, 湖北 宜昌 443002)

为了支撑快速发展的新经济,培养新型工程创新人才,教育部于2017年正式推出“新工科”计划,并先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等指导性文件[1-3]。2018年,教育部公布了首批“新工科”研究与实践项目[4],三峡大学智能电网信息工程专业建设项目有幸名列其中。

要培养适应当前世界能源清洁替代和电能替代变革趋势的智能电网信息工程高级工程技术人才[5-6],在开展传统意义上的智能电网信息工程专业人才培养模式研究外,还必须解决传统工科专业课程教学理科化、实验教学与理论教学之间割裂化等问题,而这些问题的解决基础还是在于专业课程建设。国内高等教育进行了大量课程教学改革,如“十一五”期间的“精品课程”建设、“十二五”期间的“精品开放课程”建设,以及当前的“在线开放课程”建设。同时,在教学方式上有将MOOC (massive open online courses)教学资源以SPOC (small private online course)模式用于校园课程教学[7]、线上线下相结合的“混合式教学”[8]、传统教学课上课下行为对调的“翻转课堂”教学[9],以及让MOOC落入实体课堂的“雨课堂”教学[7]等。这些方法仍局限于拓展教学资源和方法,从而提高专业课程的理论教学效果。而针对传统专业课程实验教学,较少见有适应于“新工科”要求的新模式和新方法。

本文基于“新工科”建设的内涵,采用工程教育专业认证所采用的“OBE”理念[10],在完成专业课程教学对人才培养目标支撑度达成的要求下,构建出一种综合课堂、实验室和工程现场验证的探究式实验教学模式,并以“输变电工程电磁环境”课程为例进行实践,从而提高当前专业课程的实验教学效果,解决实验教育与行业企业实际需求脱节问题。

1 新工科及其对实验课程教学的要求

“新工科”要求从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转向支撑引领[11]。这些发展和变化对现代工程技术人才的知识、能力和技能、职业素质和视野都提出了新要求。从当前的专业课程实验教学来看,根据“新工科”建设要求,可以发现仍然存在实验教学与理论教学脱离、实验教学内容脱离于经济发展需求、实验教学方法落后于行业技术需求等问题。为此,在进行专业课程的实验教学改革时,必须以产业和经济为导向,基于“OBE”理念,做好实验教学的研究与实践工作。

首先，在制订人才培养方案时,基于对教师、学生、校友、用人单位等“利益相关者”的调查,结合专业的国内外发展趋势以及所在高校自身的学校定位,论证专业人才培养目标,定义专业层面的细化的可测评的“学习产出”。特别是考虑专业课程对毕业要求的支撑度,由此来设计专业课程理论教学与专业课程实验教学的教学目标与定位,从而完成实验教学在人才培养模式中的顶层设计。

其次,在设计专业课程教学内容时,根据课程的预期“学习产出”,考虑企业行业的新技术、新发展,与企业兼职教师一起,对理论和实验授课内容进一步分解和细化,构建与定义理论与实验教学课程所对应的知识、能力和素质匹配矩阵,并明确每项教学目标所对应的实验教学内容,解决理论教学与实验教学脱节问题。

最后,在教学实践过程中,教学团队根据设计好的教学内容,选择合适的教学方法,基于学习科学理论与行业企业共创造丰富的教育环境,调动学生积极地参与到教学过程中,实现“学习产出”。特别在实验教学中,应面向学生实践能力、职业素养和行业技能,采用个人与团队结合的方式,以尽量真实的企业设备开展综合性、探究性、创新性的实验。

2 新工科建设下“三三”制专业实验教学改革

2.1 智能电网信息工程专业的新工科建设

我校智能电网信息工程专业创建于2014年(2016年招生),是依据国家发展战略新兴产业、紧密结合国家智能电网建设急需开设的新兴交叉学科专业,进入教育部首批“新工科研究与实践项目”的“专业改革类”项目。根据新工科“集成与融合”和“智能与创新”的特征,基于智能电网国家战略新兴产业对专业人才素质和能力的需求分析,该专业整合与共享电气、控制、信息与通信等多个工程学科资源,培养与产业和行业发展相适应的能力创新型、知识复合型工程技术人才。

2.2 “三三制”专业课程实验教学模式

设定了人才培养目标和课程教学目标,也即定义了课程的学习产出之后,则必须采用恰当的教学方式以完成课程学习产出要求。完全依赖教师讲授和教师控制的传统实验教学模式,无法让学生发挥学习的主动性和创造性,更无法实现学习产出。在进行专业课程的实验教学实践时,必须在先进的教育理念下,注重对学生进行科学思维与工程能力的训练,同时在教学过程中关注与个人素质相关的能力协调发展。

在智能电网信息工程专业的“新工科”建设中,针对专业课程的实验教学,基于精炼理论教学、强化实验教学和活跃课外教学的思想,设计了一种如图1所示的“三三”制专业课程实验教学模式。

图1 “三三”制的专业课程实验教学模式

该专业课程实验教学过程分为教师课堂讲解、学生自主选题并完成实验,以及实验完成后进行研讨汇报3个阶段；而实验教学内容则重点教授学生进行实验设备操作与实测、实验方案设计、仿真计算与实验验证相结合递进的3个层次,这3个层次又靠学生自主实验去锻炼和实现；最后,这些实验教学过程和实验教学内容又全部服务于学生毕业要求的复杂工程问题研究、使用现代工具、工程与社会这3个核心要素的教学目标。

2.3 实验教学效果的质量保障体系建设

“新工科”建设的内容包含了国家工程教育的质量标准和和质量保障体系建设。文献[2]给出了工程教育的教学质量保障体系至少包括3个方面:国家教育主管部门的教学质量评估和保障制度；工程教育专业认证；学校教学质量保障体系包括专业教学质量保障制度。“新工科”建设背景下的专业课程实验教学质量标准和要求制定时,可考虑包括上述内容。

为了建立和实现“新工科”建设下的实验教学质量要求,必须依据并研究国际工程教育发展的前沿,在此基础上制定符合各校实情的高标准质量要求。同时,实验教学的质量保障要落实到日常的所有教学活动和管理中,全面规范实验教学和培养活动,不断完善实验教学实践过程中的质量监控系统,使实验教师和教学行政服务人员自觉执行质量保障措施,建立详细的实验教学过程数据档案,并基于数据分析和过程控制手段持续改进实验教学质量。

在主动适应行业发展新态势、深抓产教融合的理念下,积极引入“互联网+”“在线开放课程”“雨课程”等新兴智能化教学平台,重视实验教学中心的用房保障和实验内容的网络化、智能化建设。积极打造实验教学中心的专属网站和实验教学网络课程,各个实验室配备网络传输系统,并通过校园网与Wifi系统,实现台式机和移动个人终端的Internet网连接,进行实验数据的异地传输和实验教学的网络化、智能化管理；同时,建立实验教学和实验室管理网络信息平台,对学生管理、成绩管理、考试管理、资源管理、设备管理等项目进行网络化管理,从硬件平台上有力确保实验教学质量监控理效率和资源利用率。

3 “输变电工程电磁环境”课程的实验教学

3.1 “输变电工程电磁环境”教学目标与内容

随着电网大规模建设以及整个社会的环保意识增强,输变电工程的电磁环境问题也随之凸显,这显然属于“新工科”所述的“新态势”,“输变电工程电磁环境”课程也由此应运而生。我校对该课程的定位为电气工程相关专业(包含智能电网信息工程)人才培养方案中具有较为重要意义的专业拓展课。

“输变电工程电磁环境”教学目标是通过输变电工程电磁环境有关知识的学习和实践,让学生理解国家对电网行业的环境评价和验收要求,从而使学生达到复杂工程问题研究、使用现代工具、工程与设计,以及环境与可持续发展等毕业要求。课程的教学内容是输变电工程电场、磁场、无线电干扰和可听噪声的基本机理、基本规律、理论研究和计算测量方法,以及抑制或减小其影响的各种措施。

3.2 具体的实验教学内容及教学方法

如图1所示,“输变电工程电磁环境”课程的教学按照集中理论授课、学生自主实验和学生成果研讨汇报3个阶段进行。

在集中理论授课阶段,主要由教师针对输变电工程电磁环境影响因子的相关知识及计算测量方法进行讲解,使学生理解和掌握输变电工程电磁环境因子的计算及测试方法、了解电磁环境因子在电力工程中的相关法律规范,并理解电力工程的发展对周边环境的制约和促进作用。

在学生自主实验阶段,学生根据教师提供的输变电设备电场、磁场、无线电干扰、可听噪声等电磁环境影响因子的横向衰减特性研究性实验课题,在教师的指导下,自我组队、分工,设计实验方案、布置实验场地、操作实验仪器、获取实验测试结果,并与理论仿真计算结果进行对应,分析理论计算数据与实验测试数据,明确误差产生的原因,并提出实际输变电工程对周边环境的影响评价结论。

学生成果提交与答辩,主要是学生按照规定的格式撰写实验课题研究报告,并参加结题答辩,从而锻炼学生撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令的能力。

在具体教学过程中,要求教师利用我校“求索学堂”的网络化数字资源平台。该平台包括有利于教师备课和学生学习的教学资源服务中心、有利于辅助课程教学和师生交流互动的网络教学平台、有利于教师教研参考和学生自主学习的电子教学参考资源,以及精品课程资源中心共享等相关功能。这些教学资源充分展示了教师先进教学理念和方法，服务学生自主学习,通过网络传播提供给教育界同行、用人单位、校友、社会等学习产出的利益代表者参与和共享,也可灵活选择各种相应的教学方式来实现课程的预期学习产出。

通过上述具体的教学过程,最终实现学生工程理论知识与实践的结合,让学生边学、边做、边思考,提高高等工程教育人才供给与产业需求的吻合度。

3.3 输变电设备无线电干扰的实验方案

输变电设备的无线电干扰,是指导线或金具电晕或者电火花产生的脉冲电磁波对线路邻近的无线电子设施正常工作时所产生的干扰影响,其频率范围在30 MHz以下,即长、中、短波波段,此波段测量采用磁场天线或电场天线,磁场天线为带电屏蔽的环型天线。无线电干扰特别委员会出版的CISPR18系列规定了输变电工程的无线电干扰测量方法,对应的是GB/T 7349-2002《高压架空输电线、变电站无线电干扰测量方法》。测量仪器则应采用符合GB/T 6113.101《无线电骚扰和抗扰度测量设备测量设备》规定的准峰值测量接收机进行测量。

在完成输变电设备无线电干扰教学实践时,根据“三三”制模式,教师在理论教学中重点教授输变电设备无线电干扰产生机理及其求解算法,而干扰的各种规律、测试方法、相关标准,以及行业与环境等教学内容均通过专业实验教学环节完成。

设计实验课题时,教师充分利用无线电干扰的变化规律及特性,根据无线电频谱特性及其空间距离衰减特性设计多种实验测量和分析课题。

在无线电干扰频谱特性方面,由于输变电设备可能产生驻波,对真实的无线电干扰测量产生影响,因此需要在整个无线电干扰频谱内测量多个频率的无线电干扰场强,得出干扰场强与频率的分布曲线。通常在0.15～30 MHz频段内对多个频率的无线电干扰进行测量,测量频率可为0.15、0.25、0.50、1.0、1.5、3.0、6.0、10.0、15.0 MHz和30.0 MHz。

在无线电干扰距离特性方面,测量基准频率取0.5 MHz或1 MHz,测量交、直流输电线路的无线电干扰随空间距离的衰减变化值，以线路外相导线对地投影为起点,向线路外侧沿线路垂直方向相隔一定距离布置测量点进行测量，如图2所示。

图2 输电线路无线电干扰横向衰减特性测点布置

测试点可选择在距起始点0、5、10、15、20、30、50、75、100 m处,100 m后测量点距离可适当加大,测到无线电干扰场强接近背景值为止。测量变电站围墙外的无线电干扰距离衰减特性时,以变电站围墙为起点,在垂直围墙方向相隔一定距离布置测量点进行测量。测量点一般选择在距起始点5、10、15、20、30、50、75、100、150、200、300、450 m处。测点的多少及间距应根据现场情况决定,如果测量的无线电干扰电平接近背景值,可结束测量。

测量时,若仪表读数稳定,测量值为稳定时的仪表读数值；若仪表读数波动,使用记录器记录或每0.5 min读一个数,取10 min读数的平均值为测量值。

实验课题设置时,利用我校周边密布大量输电线路的得天独厚条件,以不同的天气、线路电压等级和观测场地,设计基于实际线路的实验课题。要求学生按3～5人自由组队并选题开展现场实验、收集相关数据,并进行实际工况下的仿真计算,最终形成含实验过程、仿真结果、误差分析、环境评价等内容的课题报告,同时通过结题汇报答辩、报告评阅等形式完成成绩评定,实现复杂工程问题研究、使用现代工具、工程与社会等教学目标的达成。

4 结语

专业课程的建设直接决定了人才培养的质量,而专业课程的实验教学是培养学生解决复杂工程问题能力的重要抓手。在“新工科”建设要求下,实验教学必须在教学模式上以学生能力及素质培养达成为目的,契合行业实际需求进行改革。基于此,本文设计的“三三”制的专业课程实验教学模式围绕“新工科”的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展实验教学工作,最终服务于人才培养目标的达成。