新工科背景下专业课程的教学改革与实践——以“供配电技术”课程为例

张 春，金震妮，刘世林

（安徽工程大学 电气工程学院， 安徽 芜湖241000）

新工科建设是当前高等教育适应国家重大战略需求、持续深化工程教育改革的举措之一。新工科建设致力于多样化、创新型卓越工程技术人才的培养，其建设的六大理念中对教学内容提出了“更新教学内容和课程体系，建成满足行业发展需要的课程和教材资源”的新要求［1］。笔者认为，课程是人才培养过程中最基本的单元和最关键的元素之一，作为教学工作得以组织、教学内容得以实施的载体，这一新要求是落实新工科建设理念最基础最核心的工作之一。不仅要通过课程体系的设计和课程内容的改革传授学科知识，更要注重锻炼学生提高社会责任、创新精神、创业意识和实践能力，达到“立德树人、德学兼修”的培养目的，可见课程改革在新工科建设中的重要地位。而课程改革是一项牵一发而动全身的工程。培养目标改变了，课程体系和课程内容就应做出相应改变，切忌出现课程改革仅停留在新的理念层面的做法。

近年来，很多学者对新工科背景下的课程建设进行了探讨与实践，提出了新形势下课程改革的目标和举措，但较多改革与新工科建设对课程改革的迫切要求相比还有一定的差距［2-6］。作为一门传统专业课程，“供配电技术”课程的教学目标是使学生掌握供配电生产、建设、管理、服务等领域的基本理论与技能。为追求供配电系统设计的完整性和系统性，课程教学存在课程知识体系以传统基本理论为主，反映当前电气工程改革前沿内容少，发挥“课程思政”作用不够，培养学生跨学科知识及跨界能力不足，对学生工程实践能力培养不到位等问题； 授课方式以课堂讲授为主，缺乏对学生进行整体知识构建及开展工程实践能力培养的有力举措，这些都未能适应新工科建设对课程教学改革的需要，应重新审视课程教学内容，改革教学模式。近年来关于该课程教学改革与实践的文献较少，为此，笔者针对当前该课程教学现状，探讨了新工科背景下改革课程教学内容及模式，培养学生系统与跨界思维能力，解决复杂工程问题能力的方法，以期能为新工科背景下专业课程的教学改革与实践提供借鉴。

一、课程特点及存在问题

（一）教材内容难以反映电力行业新成果

为使学生掌握供配电系统设计的基本思路，保证供配电系统设计的完整性，传统的教学内容均以教材为载体，传统教学内容体系在用户供配电系统的设计计算、主接线和二次接线设计、设备的选择与校验、继电保护系统的设计整定等方面。而电力行业发展迅速，当代高新技术都与电能密切相关，教材中介绍的有些典型电气设备大多是结构复杂、性能落后的淘汰设备，新设备、新技术介绍甚少，难以满足创新性工程技术人才培养的需要， 急需教师对相关内容进行重新遴选、关联和重构。

（二）知识传递难以内化为学生的能力

作为自动化、电气工程及自动化等专业涉及强电的专业课程之一，“供配电技术”与计算机、通信和自动化等技术交叉融合，跨度较大，技术不断创新，内容丰富。在教学中，主线明确，但知识点多而繁杂、计算量大、内容抽象，教好和学好这门课程，对教师和学生都有一定的难度［7］。学生需要根据供配电系统设计解决问题，在教师指导下完成学习任务，关键是根据教师布置的“供配电工程项目”解决实际问题和复杂工程问题，学生在学中做，在做中学，既提高了学习兴趣，又锻炼了他们解决实际问题的能力。传统的教学方法课时不足，教师把大量的时间用在课堂讲授上，学生一直徘徊在对内容低层次的简单记忆和理解上，知识内化为“记住”所学的内容，没有内涵，无法形成完整的知识体系。

（三）教学手段和方法难以调动学生学习积极性

“供配电技术”发展日新月异，该课程教学基本以课堂讲授为主，尽管很多内容实现了多媒体教学，但将“照本宣科”变为“照屏宣科”的现象仍然存在。课程教学虽辅以课程设计、实验及习题等，但总体上缺少实践操作， 实践教学环节更多的是流于形式，加之“强电”这一特点，难以满足教师对案例教学、实物展示等教学环境的需要，限制了教师教学改革的积极性，结果使学生空有理论知识，对供配电系统的设计、操作缺乏直观、感性的认识。

二、丰富课程内容，完善人才培养载体

课程教学内容的改革是课程改革的核心，直接影响着教学的实效。以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济呼唤着新工科建设，作为传统的专业课程，“供配电技术”教学内容的改革势在必行。

（一）重构教学内容体系，适应工程技术人才核心能力培养要求

为适应高素质复合型新工科人才培养需要， 笔者根据课程教学目标将课程教学内容划分为基础理论、课程思政、工程项目实践及工程素养3 部分，见图1。

图1 课程教学内容体系

基础理论内容解决供配电系统设计必需的基础理论和基本计算方法，是课程教学的基本内容。课程思政内容隐含在理论教学和工程项目实践教学中，将思想政治教育融入“供配电技术”教学中，实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一。工程项目实践及工程素养强调学生工匠精神的培养，工程项目实践主要采用项目驱动法进行教学，利用供配电系统设计的基本理论和知识，引入相关实际工程项目案例，从需求分析、方案设计到分项目设计与计算、结果反馈等多个方面进行过程把控。

（二）优化系统设计必需内容，反映电气工程领域新成果

面对有限的学时，供配电系统设计的教学内容必须优化，要处理好基本内容和新技术的关系。首先，用户供配电系统设计所需的负荷计算、线路结构与导线截面积的选择、短路电流计算、电气设备的选择与校验等基础理论和基本计算方法以及主接线的设计、继电保护系统的设计与整定等内容仍然是“供配电技术”课程教学的基本内容，但笔者认为，这些内容无需面面俱到，以够用为主，有些内容可以以设问的形式让学生自学。例如，负荷计算中关于单相设备负荷的计算、导线截面积计算中关于导线电压损失的计算、电流互感器和电压互感器的选择与校验等内容可引导学生自学，达到培养学生自学及分析解决实际问题的能力。其次，随着供用电设备与技术的日新月异，在阐述基本内容的基础上，应适当引入新知识、新技术、新前沿、新方向，如增加对分布式发电技术、微电网技术的探讨，引领学生立足经典，探索新知，确保知识体系的及时更新。而对于二次回路的设计、继电保护系统的设计等，应将传统和现代内容相结合，特别是需要融入网络化、智能化、数字化等内容。

（三）融入思想政治教育元素，发挥“课程思政”育人作用

推进以“课程思政”为目标的课堂教学改革、加强课堂教学设计是专业课程教学改革的核心内容之一，有利于以专业知识为载体加强学生的思想政治教育， 有助于将课堂主渠道功能发挥最大化，扭转专业课程教学重智轻德现象。作为面向终端用户的工程技术，供配电技术具有很强的应用性和实践性，为适应新工科建设的需要，在课程教学过程中，要注重培养学生的人文社会科学素养和社会责任感，培养学生“精益求精、追求卓越”的工匠精神，让学生能在供配电系统设计中理解安全、可靠、优质、经济的基本要求，遵守规程和标准，遵守供配电系统工程设计的基本素养、工程伦理等，不仅要引导学生“诚实做人、踏实做事、扎实做学问”，而且要引导学生在供配电系统设计和运行乃至在工作和生活中注重节能降耗，履行改善气候和人居环境等方面的社会责任。

（四）促进多学科交叉融合，培养跨界知识与相关能力

多学科交叉融合是新工科的基本特征之一。由于供配电技术自身的优势，可结合的应用领域非常广泛，笔者结合实际，一方面适应学生后续智能电网学习、设计的需要，在系统主接线设计部分补充了用户供配电系统中的新兴电力技术，包括分布式电源技术、微电网技术和直流供电技术等，融入电气工程的新发展。另一方面，积极探索其他可融合的学科知识，如在讲解电气设备选择与校验时融入机械学科知识，引导学生利用ANSYS 软件对断路器建模并进行模态分析和谐响应分析，研究其振动性能，对变压器建模进行热分析；在介绍常规继电保护基础上补充微机继电保护等知识，融入信息化、数字化、智能化知识，引导学生对“智能交通”“智慧城市”中智能电网建设的探索。这些跨学科知识在学期初即以课程设计项目形式进行布置，引导学生如何检索与交叉融合内容相关的文献，并把相关知识内容融入课程设计和实验中。

（五）理论实践结合，提高学生解决实际工程问题能力

理论指导实践，实践深化理论。“供配电技术”课程是一门实践性很强的课程，围绕工程问题及项目的实践教学显得尤为重要。实践教学不仅关注学生基本认识问题，更注重培养学生综合应用能力、系统集成能力和解决复杂工程问题能力。

“供配电技术”课程的实践教学包括实验、课程设计、工厂和校配变电所的实践教学等3 部分。课内实验是“供配电技术”课程教学的基础环节，为培养学生的探索兴趣，在使用成套实验装置实验的基础上，笔者利用时间继电器、电流互感器等部分独立实验设备组成实验装置，让学生直观地了解常用设备的工作原理和基本特性，进一步提高课内综合性和设计性实验的比例，如阶段式过电流保护实验分为常规线路实验和微机保护实验两部分，常规线路实验完全交由学生设计和接线，并整定、调整相关参数，由学生观测记录实验中的各种现象，学生由被动验证变为主动探索，提升学生分析问题、解决问题的能力。在课程设计中采取项目制，尽量选择一些实际供配电系统， 划分成若干小的项目任务，供学生选择，并以企业的实际要求为标准。为实施好课程设计项目，课前即组建设计小组，引导学生以小组为单位，自主思考、自主解决。从项目前期的用户需求分析、负荷计算、系统主接线设计，再到后期电气设备的选择与校验、二次回路设计、继电保护设计、防雷设计等，均由小组成员分工独立完成，借此真正做到用项目贯穿教学始终，达到强化教学内容的目的，着力提升学生解决实际问题的能力。为加快培养企业需要的实用人才，加强学生对供配电系统的直观认识，笔者一方面组织学生到校变配电所进行现场教学，另一方面，组织学生到发电厂、相关企业参观学习。

三、创新教学模式，优化人才培养途径

教学模式决定了人才培养途径［5］。“供配电技术”课程涉及学科多、内容广、难度大，传统的照本宣科、照屏宣科模式难以帮助学生建立系统概念，难以激发学生的学习兴趣。切实提升教学质量和教学效果，提升学生的学习兴趣是课程教学模式改革的关键。

（一）引入支架式教学模式，促进学生自主探究

支架式教学为学习者对知识的理解提供一种概念框架，建构主义者从维果斯基的“最邻近发展区”理论出发，借用建筑行业中使用的“脚手架”进行形象化比喻，即通过“脚手架”的支撑作用（或“支架作用”） 逐步地把学生的智力从一个水平提高到另一个新的更高水平［8］。“供配电技术”课程内容重在供配电系统的设计，基本概念、系统设计、短路计算、继电保护设计、保护接地与防雷等内容逐渐递进，宜采用支架式教学模式，培养学生自主探究的兴趣和意识。教学中，首先是搭建脚手架，课程开始即给学生布置设计课题“某中型机械制造企业供配电系统设计”（不同组别课题不同）， 帮助学生建立供配电系统架构， 对教学内容和流程进行整体设计，帮助学生建立起用户供配电系统乃至电力系统的整体印象，见图2。

图2 供配电系统支架式教学模式的教学内容

其次，在教学中以加强方法传授为重点，设计情境，引导学生思考和解决问题。例如，负荷计算、变压器参数设计、导线参数设计、短路电流计算等方法，这些内容环环相扣。教师讲授内容与课程单元的总体目标要相互关联， 使学生明确学习目的，教学步骤紧凑，突出学习重点。在教师启发相关理论及方法的基础上设计相关项目，坚持以学生为中心，利用真实工程问题的解决，充分发挥学生及其团队的积极性，让学生自主分析、共同探讨，帮助学生沿“概念框架”对问题逐步深入和理解，使学生实现供配电系统知识的自主构建，培养学生的创新意识、探索精神和解决问题能力。

（二）引入翻转课堂模式，发挥学生主体作用

翻转课堂重在对学生的学习过程进行重构，将学习的决定权从教师转移给学生。在“供配电技术”课程教学过程引入翻转课堂教学模式，不仅能实现学生自主学习，也增强了学生对实际工程项目学习的趣味性和参与性。在这种教学模式下，课前可引导学生学习基于课程内容和基于设备与系统运行的视频，而课堂内的宝贵时间，可引导学生专注于基于供配电工程项目的学习，加深学生对项目更深层次的理解。教师无需利用课堂时间进行复杂理论的推导和讲解，特别是公式的繁杂推导过程，应结合课程偏工程应用的特点去繁从简。相关知识在课后由学生自主规划学习。工程项目教学法中融入翻转课堂教学法，既能培养学生的团队设计与综合应运能力，又能强化学生的专业实践能力。每一阶段教学内容结束后均组织学生课堂讨论，将学生划分为若干小组，采用“头脑风暴法”的原理，由每组选派一个代表对本组的主要设计进行陈述，教师进行适当点评，对存在闪光点的做法予以充分肯定，并鼓励学生针对自己的不足和疑问去收集资料，完善后续项目设计内容。在此过程中，学生感受到解决工程问题的乐趣，增强了工程学习的意识。例如，在电气设备选择与校验部分可采取翻转课堂教学模式。课前布置学生观看供配电系统从正常运行到发生短路时断路器与隔离开关动作情况的视频， 然后提出相关问题引导学生对短路电流的力效应和热效应的思考，包括：短路电流对电气设备主要产生哪些影响，对不同的电气设备应采取哪些校验方法等。在前述工作基础上，笔者在课堂上主要讲解不同电气设备力效应和热效应校验的方法，再列举具体事例让学生思考如何选择主接线中的电气设备，并分组让学生进行讨论，笔者再对不同的选择方案（可有不同的选择方案）进行点评。

四、探索考核模式，完善评价体系

课程考核是教学的最后环节，是检验学生学习成果和教学效果的重要指标，是衡量教学过程是否存在问题并进行改进的重要手段。传统考核方式一般采用笔试，能在一定程度上检验学生对知识的掌握程度和学习效果，但考核方式较单一，题型和试题存在重复，考核的全面性与教师出题的倾向性关联较大，难以考查学生的综合能力。因此，课程考核可引入多元化的模式。笔者将课程考核分成理论考核、工程项目实践考核、平时考核等3 部分。其中理论考核采取期末开卷考核方式；工程项目实践考核由课内实验考核和课程设计汇报答辩及设计报告评分组成；平时考核由出勤、课堂参与度、查阅外文资料及作业等环节组成。整个课程最终评价由以上3 部分加权组成。

五、结语

在新工科人才观下，笔者对“供配电技术”课程进行系列教学改革，主要涉及到教学内容的优化重组及对应教学内容的教学模式、学业评价体系改革等。近年来的实践结果表明，学生对供配电系统的理解及应用、工程意识和解决供配电系统复杂问题的能力都有了很大的提升，部分本科生主动探索供配电技术知识的《基于RBF 网络监督的电池用双向DC/DC 变换器控制策略》《20 kV 配电网实施的关键问题探讨》《基于最优加权组合法的电力负荷预测研究》等多篇论文已公开发表。