应用创新与就业驱动下“发电厂电气部分”课程实践教学改革研究

李 维,詹习生,涂 建,韩 涛,高红亮,杨青胜

(湖北师范大学 电气工程与自动化学院,湖北 黄石 435002)

0 引言

党的十九大报告中强调,创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。习总书记在全国教育大会上指出要“推进产学研协同创新,积极投身实施创新驱动发展战略,着重培养创新型、复合型、应用型人才”。在“新工科”大背景下,“发电厂电气部分”作为电类工科专业的一门专业的核心课程,综合性、理论实践应用结合紧密,在培养电力行业应用创新复合型人才显得尤为重要[1,2]。

1 电气专业应用创新型人才培养的必要性

1.1 社会发展需求

有数据显示,我国的工程教育规模已位居世界第一。2018年11月,教育部高等教育司司长吴岩[3]在“新工科:高等工程教育的未来——对高等教育未来的战略思考”中指出,我国高等工程教育占整个本科教育在校生的的1/3,且工科专业毕业生占全世界总数1/3以上。整体来看,我国工程人才储备量非常可观,中国已形成了世界上最大的工程教育供给体系[4]。

在目前国际社会经济形势的驱动下,创新复合型人才对于国家发展起着至关重要的作用,而高等教育肩负着培养国家创新型、复合型、应用型人才的重任。目前传统的高等教育模式已经不能满足国际社会的人才需求,而鉴于我国工程教育的规模优势,培养高等教育人才的模式亟待转变。

1.2 学科教学现状

对于地方高等院校(特别是师范类院校),容易受到教学实验条件、学生态度及教学模式等因素的影响。目前,国内高校的教学模式多为传统的授课模式,并且地方高校电气专业的课程,如“发电厂电气部分”这门课程的教学仍明显存在以下问题:

1)教学模式单一。教学模式主要是传统理论教学和设计,由于这门课程的特殊性对实验设备及场地要求很高,大多数地方高校,特别是师范类高校存在实验条件缺乏的问题,所以很多同学对相关内容缺乏感性认知,实践环节开展不顺利,造成学生对理论知识点无法形象地理解,学习的兴趣不高、重视程度不够等问题。

2)教学方式较落后。课堂多以“灌输式”教学讲授为主,大多存在教师“一言堂”现象,以传统的PPT 进行讲授,较少使用讨论式,案例式,翻转课堂等教学方式,学生只是被动接受,缺乏自主学习和创新思维能力。

3)课程思政孤立化。现有的课堂教学目标相对单一,课程思政的地位边缘化;教学内容剖析不彻底,课程思政的切入孤立化;教学方法手段不丰富,课程思政的效果乏味化,导致学生缺乏兴趣,工科人才缺乏家国情怀和开拓视野。

1.3 我校实际问题

湖北师范大学是我国一所以服务基础教育为主体的省属综合性重点师范类本科院校,是培养教学型人才的重要基地之一。电气工程与自动化学院原名“机电与控制工程学院”,为国家培养了一大批电气类专业人才。但是在大环境影响下,我校电气专业仍存在教学方式较落后、高压设备实验条件不足、自主创新能力训练条件有限等诸多问题,如发电厂电气部分实验中的多以高压设备场地、资金等方面要求高而无法建立实验室。这些因素均会使学生的自主创新能力及应用实践训练等受到限制,因而很难满足国家电力行业对电气专业创新复合型人才的需求。

2 电气专业创新型人才培养的教学改革举措

2.1 引入虚拟仿真实验教学

针对这门课程实验条件要求高的特殊性及学校的实际情况,开发适合于本课程的虚拟仿真教学实验平台。虚拟的仿真平台实验教学可以解决大部分地方高校的实践教学受限问题,比如因发电厂变电站实验室高资金、占地面积大、学生操作危险系数大等建设难度大的相关限制因素。

为此,学校深入企业进行调研,合作开展发电厂变电站虚拟仿真实验教学并建立了虚拟仿真实验室,并将虚拟仿真资源引入教学课堂,借助虚拟仿真实验教学系统资源,可以使学生直观形象地理解理论知识中的重难点内容。研究理论与虚拟仿真实践相结合的多种新颖教学方式,并组织学生到学校附近的发电厂及变电站参观见习,增强学生的学习兴趣,提高学生的工程实践能力与创新能力。虚拟仿真教学与传统的线下面对面授课形式相比较,更具灵活性、交互性、共享性、开放性等特点[5]。利用虚拟仿真教学系统,发电厂、变电站中进行倒闸操作及检修时接地挂牌虚拟仿真教学系统如图1所示。

图1 发电厂、变电站接地挂牌虚拟仿真教学系统

该系统可以直观地将发电厂、变电站中的高压电气设备倒闸操作,设备检修维护操作前需要进行的接地挂牌操作等形象展现出,利用虚拟的3D模拟视图场景、虚拟的各类高压仿真实验等形式,学生可以全方位地身临其境学习体验现场实操的场景,包括可全景体验现场倒闸操作、故障诊断、检修等。虚拟仿真实验教学的引入,极大程度上激发了学生的学习兴趣,锻炼学生的实际动手操作及团队协作能力,并可很好地解决地方高校因场地及资金问题带来的高压实验室建设问题,同时也在很大程度上避免了学生因进行高压实验误操作所带来的安全隐患问题,帮助学生理解安全实验操作的重要性以及清晰自己以后电力行业的职业目标。

2.2 构建混合理论教学模式

首先上好第一堂课,往往第一次课会给学生对这门课以及相关的任课老师形成一个总体印象,这一印象直接影响着学生接下来学习这门课的总体态度。因此,任课老师在第一门课上可以采取新颖的教学模式,对这门课程的总体框架做个简单描述,把每部分内容间的联系与相关的后续课程内容及培养方案联系起来,并在相关的工程实例中、未来的就业中起到什么作用等为学生讲解清楚,吸引同学的注意力,能够增加课堂的活跃性,激发学生的兴趣,培养学生理论联系实际,制定清晰学习目标计划的能力。

同时积极推动线上与线下教学相融合,并注重提升课堂话语传播的有效性,采用多种教学方法相结合。大多数地方高校采取传统的PPT讲授教学方式,学生被动接受,这样的教学特点无法发挥学生的主观能动性。因此,教师可以借助学习通、慕课(MOOC)、智慧树等网络资源建立课堂,让学生提前进入线上课堂,将发电厂电气部分相关的网络视频教学资源发给学生先自主选择时间学习,提前预习了解相关的学习内容,并跟老师进行线上互动,教师可以通过后台的账号平台看到学生的学习情况并进行打分,还可集中回复学生问及的相关突出的问题,以学生相互讨论为主,强调学习的互助性和计划性。为打破传统PPT课堂教学的沉闷气氛,可在课堂上引入“学习通”线上资源如图2所示。借助“学习通”投屏功能跟学生互动,还可用多种方式签到学习等,多种方式融合可增加学生学习的乐趣,让学生乐在其中。

图2 发电厂电气部分“学习通”线上资源引入课堂

课程后期还可采取“翻转课堂”的形式,以学生为主导,同时引导学生对相关知识点进行自学和讨论,激发学生的自主学习和创新思维能力,将主要知识点贯穿起来,强调学生自主学习的理解性与综合性。比如,在讲解电气主接线中的重难点内容,无母线接线中的桥形接线时,可先向学生展示单母线分段接线与桥形接线的对比,从结构形式上来看区别,并给学生提出问题:桥形接线与单母线分段接线的区别?外桥接线与内桥接线的区别?桥形接线中的倒闸操作步骤?穿越功率对外桥和内桥接线的影响?先给根据之前给大家讲解的有母线接线的思路,让大家思考并进行引导讲解,让学生在已掌握理论知识基础上进行理解补充,学生也会主动发言,这样可以在教学中使课堂氛围更加活跃,达到良好的教学效果。

2.3 项目驱动调整教学内容

本课程教学内容较多,包含发电、变电和输电中的电气部分、电气主接线及厂用电接线的设计、导体和电气设备的选型、配电装置、发电机及变压器的运行等内容,各部分内容相对较独立,无法让学生在自主学习中具备工程设计思想。为此,可与相关的工程设计类单位进行校企合作,在课堂教学中,引入一些工程代表性的实际的案例分析视频,并举例进行讲解,以项目驱动教学,让学生学会运用实际工程设计意识来主动学习,从而避免出现学生只是硬生生去背记其中的概念,但遇到实际的工程问题不知从何入手的情况。

在具体教学实施过程中,可以将本课程内容划分为“电弧基本理论及短路电流计算预备知识、电气主接线及厂用电接线设计、电气设备选型及布置、防雷保护”等四大板块内容。按照工程设计思路“原始资料分析及现场勘察——负荷及无功功率补偿计算——主变压器的选型——电气主接线方案拟定——短路电流计算——电气设备选择与校验——厂用电接线设计——二次接线部分设计——电气设备布置——防雷保护与接地”的工程设计流程来进行调整授课顺序并扩充讲解工程设计内容,培养学生主动学习并灵活运用工程思维来解决工程项目中实际问题的能力。

2.4 巧妙融入课程思政教育

在专业课授课过程中,要学会巧妙融入思政到专业课程知识讲授中,让学生潜移默化中受到思政教育,避免孤立加入一些思政知识。为此,在授课中可灵活加入思政案例式教学,例如在讲授我国电力工业的发展问题时,可重点引入我国建造的世界最大水电站——“三峡水电站”,帮助学生了解电力工业发展的艰难,培养学生创新求实的思想意识,激发学生国家荣誉感及自豪感;在介绍电气主接线、厂用电接线时,可引入讲解典型的因受新冠疫情影响建立的方舱医院的主接线形式,促使学生关注国家的时事热点,培养学生学习的热情和兴趣,激发学生的爱国之情。另外,在授课中可利用“学习通”将线上资源引入课堂,例如在讲授灭弧原理及主要开关电器时,可将电弧的产生过程视频通过线上“学习通”软件投屏引入教学环节,让学生对未知的电气世界产生好奇,激发学生探索的意识;在讲授主接线设计、导体和电气设备选择时,可通过“学习通”线上资源引入电气特高压电力工人现场施工案例的教学视频,从而增强学生对电力行业职业的认知,并学会利用所学知识综合分析解决复杂的工程实际问题,树立学生的创新意识,建立初步的工匠精神。

3 取得的成效

目前本学院与校外企业联合建立了电力系统虚拟仿真实验室,设立多个电气专业课程的综合实验项目,为电气相关专业学生搭建了必要的高压实验操作平台。这为我国培养工程应用创新型人才提供了有力保障,同时为国家能源电力行业,如国家电网、南方电网、电力设计院等单位输送了大量人才。

本专业学生注重创新能力培养,积极参加专业相关的各类竞赛及科研项目等创新实践环节,并积极参与专业见习、社会实践、企业实习等工程实践环节,培养了学生的专业创新能力及工程实际应用能力。近几年,我院电气工程及其自动化专业毕业生一次性就业率在98%左右,考研过线率平均达30%,考取国家电网比例约达30%.学生参加多项高水平专业竞赛,如全国大学生数学建模、“互联网+”“挑战杯”“西门子杯”中国智能制造挑战赛、智能车竞赛等并获全国一等奖、二等奖、三等奖若干项,参与导师科研项目、发表论文和专利并结题多项,为以后进一步发展并为国家做贡献奠定了良好的基础。

4 结语

应用创新与就业驱动是国家培养应用型人才的一项发展战略。本文以工程专业背景要求,结合湖北师范大学电气工程及其自动化专业的实际情况,综合分析目前地方高校关于“发电厂电气部分”课程普遍存在的问题,并通过一系列教学方法、模式等改革后,增加了课堂的活跃性、激发了学生的学习兴趣,培养了学生学习的主动性,树立了学生的创新思维意识,达到了良好的教学和实践效果。