基于混合式教学的电力系统过电压课程实践

韩永森 程嵩

摘  要：混合式教学能够充分发挥课堂教学和网络教学优势。文章建设了电力系统过电压课程的网络教学平台，然后将混合式教学方式应用到课程教学中，实现以学生为中心的工程教育理念，培养学生解决复杂问题的能力，提高教学质量。

关键词：混合式教学;电力系统过电压;学生为中心;网络教学平台

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章編号：2096-000X（2020）29-0102-03

Abstract： Blended teaching method can make full use of the advantages of classroom teaching and network teaching. In this paper， the network teaching platform for the power system overvoltage course is firstly built. The blended teaching method is then applied to the course teaching， realizing the student-centered engineering education concept. It also develops students' ability to solve complex problems and improves the teaching quality.

Keywords： blended teaching; power system overvoltage; student-centered; network teaching platform

“电力系统过电压”课程是电气工程及其自动化专业的重要专业课之一。该课程主要从电磁暂态基础、雷电过电压和内部过电压三个方面分析过电压的形成机理及保护措施，确立过电压保护措施和方法，涵盖数学、电磁学、电路和电力工程基础等多学科知识的交叉和综合，不仅理论性强，还与工程实践密切相关。然而，该课程也存在着概念抽象，理论推导繁琐，缺少必要的工程实践环节等不足。传统的课堂教学已经难以吸引学生注意力，不利于培养学生的创新意识，也不利于锻炼学生解决复杂工程问题的能力。

以互联网技术、信息技术和教育教学为依托的网络教学平台是一种教学资源共享性和互动性均较强的教学辅助工具。网络教学方式能够奉行“以学生为中心”的工程教育理念，有益于增加教师和学生以及学生和学生之间的知识互动，而且几乎不受时间和空间限制，只要在有网络和计算机（或者移动设备）的条件下就能够实现课程教学的目的。网络教学平台为本课程的教学改革提供了重要的工具。

混合式教学是一种实用性强的教学方式，是课堂教学和网络教学的有机结合，能够充分发挥二者的教学优势，能够激发学生的学习兴趣，有助于提高课程教学质量。基于此，本文建设了“电力系统过电压”课程的网络教学平台，并且采用“课堂+网络”的混合式教学方式开展了教学工作，取得了较好的教学效果。

一、网络教学平台的建设

超星泛雅平台及其学习通APP为教师和学生提供了一个课程管理、资源共享和在线直播等功能集成于一体的虚拟教学课堂，有助于发挥学生的学习自主性。教师可以通过超星泛雅平台发布课程资源和管理虚拟课堂，还可以通过超星泛雅平台的学习通APP，在移动设备终端上跟踪学生的学习情况，回答学生的知识疑惑等。学生可以通过学习通APP随时随地地查看课程内容，回答问题和提交作业等。结合超星泛雅平台及其学习通APP的功能和哈尔滨理工大学“电力系统过电压”的课程特点，我们建设了该课程的网络教学平台。首先，在网络教学平台的首页上公布本课程的基本信息，包括学分、学时、课程介绍、教师团队、参考教材和课程章节等。此外，还需要认真、合理地构建课程的主要资源。

（一）课件资源的建设

课件是网络教学平台的重要组成部分，是学生在互联网上学习课程的重要依据。与传统课堂教学内部同步的教学课件，是提高学生学习效率的关键。根据我校教学大纲的规定，“电力系统过电压”课程的教学内容主要包括电磁暂态基础（分为集中参数电路、长输电线路和变压器的暂态过程三章）、雷电过电压（分为雷电参数及其防雷措施和输电线路的防雷保护两章）和内部过电压（分为工频过电压、谐振过电压和操作过电压三章）三大部分。以课堂教学内容为主要依据，同时本着源于课堂且又高于课堂的原则制作网络教学课件。例如，在分析并联电抗器对长输电线路电容效应引起的工频过电压影响规律时，课堂教学主要是围绕着输电线路末端并联电抗器的情况展开的，而且市面上的教材也是从这个角度出发的。因为这种情况最简单，也容易让学生理解工频过电压的形成机理。然而，事实却证明学生对于输电线路上任意位置处并联电抗器情况下工频过电压的分析却存在着困难。教学经验表明：仅有不到3%的学生能够准确地分析出任意位置处并联电抗器对工频过电压的作用规律。在制作课件时，任课教师不仅需要将课堂或教材中的工频过电压内容整理成为课件内容，同时还在课件中提供分析长输电线路任意位置处并联电抗器对工频过电压作用的分析方法，使学生全面、深入地掌握课程知识。

该课程是大三年级的一门专业课，其前导课程包括高等数学、电路、电磁场和电力工程基础等。熟练地掌握前导课程的知识有助于帮助学生理解本课程的过电压知识。例如，一阶集中参数电路的暂态过程可以通过“高等数学”课程中的一阶微分方程或者“电路”课程中的一阶电路的全响应公式进行分析。由于前导课程和本课程的知识侧重点的不同，本课程教材只是一笔带过了暂态函数表达式的求解过程，而直接给出了具体的表达式，这让许多学生感觉到困惑，也很难让学生将之与所学过的知识联系到一起去。为了提高课程教学效率，需要在课件中适当地引入前导课程知识，诸如简要的描述一阶电路的全响应函数的求解方法。

该课程涉及到很多抽象的概念，而且教材中还缺少必要的示意图。例如，一阶集中参数电路暂态过程的教材内容仅包含暂态函数表达式和文字描述，而没有典型的暂态波形。繁琐的公式和单调的文字描述，容易让学生失去看教材和认真听课的兴趣。为此，任课教师应该通过图形处理工具或者仿真软件，制作生动、形象地演示案例或仿真案例，并且将案例以静态或动态图片的形式展示在课件中，进而将抽象的概念或空洞的教材内容形象化，易于吸引学生的学习兴趣，提高学生参与课程教学的主动性。

（二）作业库的建设

根据每一章的教学内容，将本章的重要知识点整理成课后作业，以便于学生掌握课程的重点知识，达到加深知识的理解和灵活运用知识的目的。这种课后作业由名词解释、填空、单选题、简答和计算题中的四种或者五种题型构成，从不同的角度考察学生的知识掌握和应用情况。每章的作业题都配有完整的答案，以便于学生核对作业完成情况。此外，因为本课程知识在电气工程及其自动化专业本科生的就业和研究生入学考试中占有一定重要的比例，所以任课教师在设计课后作业时，有必要参考电网考试试题和研究生入学考试试题。例如，彼德逊法则是长线路中暂态过程的重要教学内容，也是历年就业和研究生入学考试中重要考点，在课后作业中加入考试真题，不仅能够拓宽学生的视野，还能够直接将课程知识与就业和考研联系到一起，吸引学生的注意力。

除了课后作业之外，作业库中还包括随堂作业。通常情况下，任课教师在传统课堂教学过程中会适当地布置课堂作业，以检查学生的课堂学习情况。任课教师可以将随堂作业整理之后融入到网络教学平台的作业库之中，以备不时之需。

（三）共享资料库的建设

由于教学大纲和学时的限定，在传统课堂教学中，任课教师采用理论解析法分析过电压的形成机理，这种方法仅仅适合于简单的等效电路情况，易于让学生理解过电压的具体分析方法，但是对于复杂等效电路情况却几乎无能为力。数值分析法是分析复杂等效电路情况下过电压变化规律的重要方法，其图形可视化结果也更容易让学生理解抽象的概念。为此，任课教师将数值分析软件（本课程以Matlab为主要数值分析软件）基础知识、使用方法和相关演示程序汇总在一起形成共享资料库，有利于学生掌握数值分析软件的使用方法，增加就业优势，还有益于学生对课程知识的深入理解。例如，任课教师将一阶集中参数电路课件中的演示案例源程序做好注释，然后将该程序代码分享到共享资料库，学生能够自由下载源程序。类似的源程序还有二阶集中参数电路的暂态过程、直角波电压作用下变压器绕组的波过程和工频过电压等教学内容的源程序。

课程设计是本课程的重要组成部分，是学生运用知识解决工程问题的主要途径。本课程设计通过微课题的形式进行。微课题源于课程教学内容，同时又具有一定的工程实践特点。在课堂教学中，任课教师将微课题题目发布给学生，让学生自行收集和整理资料。为了帮助学生合理地利用网络资源查找资料和开展微课题研究，避免走入误区，任课教师将科技资料的收集和整理方法形成文件，同时为每个微课题题目提供若干个参考资料。然后，将该文件、参考资料和微课题题目信息等打包成组上传到共享资料库中，学生能够随时了解微课题的题目，设计要求和提交规范等，进而有目的地、高效率地完成课程设计内容。

（四）讨论话题的构建

首先，由任课教师从实际生活角度出发组织讨论话题，用实际的过电压问题引起学生的学习兴趣。比如，我们身边是否出现过过电压现象呢？普遍学生反映：在打雷的天气里，遇到过变压器爆炸而导致停电的情况，或者是电视、电脑被瞬间烧坏了的情况。然后，任课教师再根据学生的回答提出一个或者多个问题。例如，有没有听说过富兰克林的风筝实验？打雷一定会引发过电压现象吗？是什么原因导致变压器爆炸的呢？让学生根据所学知识自由讨论，培养学生的发散思维和解决实际问题的能力。

讨论话题还应该围绕课程教学内容展开，进而引起学生的学习共鸣，锻炼学生的逻辑思维能力。例如，長输电线路上的波过程是与行波（电压波或者电流波）的传播速度密切相关的，那么这个传播速度是电荷的传播速度，还是电磁场的传播速度呢？当学生在讨论区各抒己见的时候，任课教师应当正确引导学生的讨论方向，避免学生偏离主题的无效讨论。讨论结束后，任课教师对本次讨论话题进行总结，加深学生对讨论话题的思考，同时也促进任课教师对教学过程的反思。讨论话题也可以由学生发起，但任课教师应该给予足够的重视和帮助，以形成教师和学生、学生和学生互动讨论的良好氛围，有助于促进学生对课程知识的理解和应用。

二、混合式教学的实践

本课程的课堂教学以板书教学方式为主，声情并茂的讲授方式易于吸引学生的注意力，条理清晰、层次分明的板书便于学生记录和记忆过电压知识。但是，板书教学方式难以生动、形象地描述抽象的概念或现象，比如输电线路上的行波折反射和雷电的形成过程等。在讲解到这些抽象的概念时，教师允许学生通过网络教学平台上的课件浏览和学习形象化和具体化的过电压概念或现象。通过这种方式，学生能够相对容易地接受过电压知识。因此，“课堂+网络”的混合式教学有利于提高课程教学效率。

网络教学课件和课堂教学内容的同步使得学生能够进行有效地预习或复习课程知识，易于让学生对课程的重点和难点知识做到心中有数，跟得上课堂教学中教师的讲课思路;也能够及时发现自身的知识漏洞，有助于锻炼独立学习和逻辑思考的能力。学生可以将预习或复习中遇到的问题在网络教学平台上咨询教师，也可以在课堂教学中与教师讨论，教师要认真、耐心地解释学生的疑难问题。在课堂教学中，教师以网络教学课件内容为主线，同时坚持“学生为中心”的工程教育理念，密切关注学生的学习状态，注意营造良好的课堂气氛，通过启发式提问、教学案例和逻辑推理等教学方法、强化过电压的重点和难点知识。当课堂教学涉及到微课题相关内容时，教师应当结合具体的仿真案例和教学案例，站在学生的角度将相关内容的分析和解决方法详细地讲解出来。与此同时，教师还应当引导学生正确使用网络平台上共享资料库，潜移默化地培养学生分析和解决过电压实际问题的能力。

在讲授完每章课堂教学内容之后，教师及时从网络教学平台的作业库中调取课后作业并发布给学生，并通知学生在限定的时间之内完成。学生可以直接将选择题和文字描述题的答案输入到作业界面。对于作图题和计算题，学生需要在签名的草纸上作答并且拍照，然后将照片上传到作业界面。当到达指定期限之后，网络平台将自动公布答案，学生可以自行核对作业答案并将有疑问的答案通过网络平台与教师进行沟通。教师要认真地统计易错题和难题，并且在课堂或网络平台上对本次作业完成情况进行点评，还需要对作业库进行必要的维护和更新。

混合式教学促进了“电力系统过电压”课程教学从单一的课堂讲授逐渐地过渡到课堂讲授与网络平台上的多媒体课件、作业、共享资源和讨论话题等教学资源有机结合的授課阶段，丰富了课程的教学内容，易于引起学生的兴趣。混合式教学实现了“学生为中心”的工程教育理念，锻炼学生的逻辑思维能力、创新能力和解决复杂工程问题的能力，适应学生的个性学习需求，充分发挥学生的自主学习能力。同时，学生可以随时随地地学习课程内容，并且能够及时地与教师或其他同学进行知识交流，加深对课程知识的理解。

三、结束语

电力系统过电压课程是理论性和工程实践性比较强的一门专业课程。通过建设资源丰富的网络教学平台，为混合式教学提供了重要保障。采用“课堂+网络”的混合式教学不仅丰富了该课程的教学内容，吸引了学生的学习注意力，提高了教学质量;还实现了“学生为中心”的工程教育理念，充分发挥学生的学习主动性和积极性，使学生更好地掌握和运用课程知识。

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