电气工程物理教学“递进式”教学实践改革探讨

［摘 要］ 随着社会的进步，为培养适应时代需求的电气工程创新人才，并解决传统电气工程物理教学面临的实际问题，提出了一种“递进式”教学体系，以实际应用效果证明该教学体系的有效性。“递进式”教学方法将电气工程实践课程分为几个部分：课程实验、综合实验、课程设计和实践创新。通过循序渐进的教学方式，实现了学生基础理论知识和实际操作能力的双重提升，并据此达成了教学目标。该教学体系的设计目标是在确保学生为主体的基础上，促进电气工程物理教育的进步。

［关 键 词］ 电气工程；物理教学；“递进式”；基础理论；实际操作

［中图分类号］ G712 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）35-0153-04

随着社会的发展，新能源及电力行业的发展前景光明，中职电气工程专业的教学改革已成为当下重要的议题之一。电气工程专业涵盖了电器电机、电力电子及高压电等多个领域。在传统的物理实验教学中，由于实验设备、课时和教学计划等因素的限制，学生的学习兴趣和主动性相对较低。近几年，随着新工科的进步，众多高等教育机构都在努力优化其实验教学手段并设计了专门的实验课程，以建立一个完整的实验教学框架。以铁路机械学校电气工程及其自动化专业为研究对象，该学校为中职学生提供了一系列多元化的专业实验课程，旨在通过实践操作，全面提高学生的专业技能和实践能力。在传统的物理实验教学中，教师过于重视培养学生的实践操作能力，忽略了学生创新思维及设计能力的培养，使学生参与实验、理解实验、认知实验的整体性过程产生了一定的阻碍，这也导致实验教学未能达到预期的教学效果，成为当代学校在培养创新人才方面的一个显著短板。在当前的新环境下，如何进一步优化电气工程物理实验的教学结构，并提升其教学效果，已成为我们迫切需要面对的挑战。该学校在持续的尝试和创新过程中，将强电行业作为中心，高度重视学生的实验和实践教学，成功且高效地建立了一个结合“递进式”综合特点和电气工程特质的实践课程体系，其目标是培养电气工程领域的高级创新人才。

一、构建“递进式”教学

（一）“递进式”实验教学

考虑到目前电气工程专业教学中存在的问题，本文以物理教学为研究对象。鉴于大部分中职院校中多为验证性实验，但由于阶段性条件及传统实验体系、方法、设备的限制，学生在实验中无法全身心投入，进而造成学生无法沉浸式体验于实验中，无法在实验中培养学生的自主创新能力。

基于“电力系统综合实验”的实际需求，本学校为此设立了电力系统综合实验室，并为其配备7套WDT-IIIC型电力系统综合自动化实验台（简称“自动化实验台”）、2套PS-7G型电力系统微机监控试验台（简称“监控试验台”）及相关配件。这些设备可完成电力系统调度、继电保护及自动装置运行维护、电网安全稳定分析、电能质量监测以及各种试验研究等功能（实训台见图1）。各院校都存在不同程度的教学资源短缺现象，且一些教师教学经验不足，使得这些设备不能完全满足实际教学要求。因此，为了更高效地使用现有的实验教学工具，我们计划对实验教学系统进行一系列改进和提升。同时，为满足社会发展需要，我校也计划建设一个以电气信息类为主干的新工科平台——电气工程及自动化专业虚拟仿真教学实训基地。我们专注于激发学生对学科前沿技术和热门议题的兴趣，通过设计和执行一系列综合性、创新性的研究实验，以培育具备创新思维、创造性和创业精神的“三创”专业人才。其中，电气类专业的创新性实践教学是一项非常重要的工作任务。本文旨在结合现有的电力系统综合实验室，充分利用相关设备开展“递进式”教学，深度结合电力系统实验的具体特点，在充分利用现有设备功能的同时，通过减少额外设备的投入，构建一个更为全面、完善的实验教学体系。

为培养顺应时代、经济发展需求的“三创型”人才，即创新、创造和创业，将电力系统综合实验纳入先驱目标显得尤为重要。该课程目前涵盖了8个各具特色的实验项目，旨在全面提升学生的实践能力和理论知识应用水平。这些实验项目包括发电机组的基础操作流程、有功和无功的精确调节方法、同步发电机静态安全运行极限的准确测定、电力系统的静态稳定性能实验、暂态稳定性能的深入研究、进相运行实验的实际操作、失磁现象的模拟与分析，以及电力系统故障原因的详细剖析。通过这些实验，学生不仅能够深入理解电力系统的运行原理和特性，还能够锻炼实际操作技能，为将来成为“三创型”人才奠定坚实基础。

（二）“递进式”教学体系

在应用型本科教育机构中，强化实践教学对提升学生的综合素质是至关重要的。电气工程专业具有极强的实践性和应用性，对今后的学习、生活及发展有显著的影响。为使学生的学习进度与当下工业社会发展的步伐一致，注重课程实践并以此培养学生的自主探究、创新能力已成为当下电气课程中亟待解决的问题。因此，中职电气工程专业的教学改革面临着更为严格的标准。

根据电气工程专业的教学目标和标准，本文为此设计出“递进式”实践教学体系，将实践课程分为以下四类：（1）课程实验。（2）综合实验。（3）课程设计。（4）实践创新。在这其中，课程实验将所学专业细分为课程所涉及的实验操作，并以此衍生出综合实验的基础。综合实验是学生所学相关课程的融合性实验，其内容具有多元化、多目标的特质。课程设计被视为整个课程体系的尾声，它旨在提高学生处理实际问题的技巧以及运用所掌握的理论来分析和解决问题的能力。实践创新是一个从基础到深入的宏观过程，每一步都需精心设计，目的是让学生基于理论知识，通过一系列综合性实验来整理自身的知识体系，逐步掌握工程设计的能力，从而在工程实践创新项目中激发自身的实践创新能力。

二、课程实验与综合实验

（一）课程实验

尽管课程实验基本都是基础性实验，但在实验过程中主要还是以验证为目的。电气工程专业的实验过程基本都配备了相应的实验设备，这些实验主要为中职三年级学生设计。参与实验的时间大概要花费10个学时，并依据理论课程的发展状况来设定实验的节奏。由于该课程涉及知识面广、理论性强，且具有一定的难度和深度，因此一般采用课堂演示与现场实习相结合的方法。开展课程实验的初衷是使学生能够实体性地理解课堂内所学的理论知识，通过将理论计算得出的数据应用到实际模型上进行验证，从而加深对各个知识点的认识和理解。由于实验课时较少，往往只能进行少量的实验操作训练和简单电路分析，并不能满足现代电气学科发展的需求，而课程设计型实验则可以弥补这一不足。在目前的教育阶段，由于对综合、设计和创新教学方法的逐渐加强和广泛应用，这些实验在实际操作课程中所占的比例会逐渐减少。

为了更好地提升实验教学效果，激发学生的学习兴趣，并减少对传统实验方法的依赖，实验中心在教学活动中采纳了如资源的开放与共享、实验内容的进一步丰富和项目验收的精细化等多种教学策略。其中“实验室网络管理系统”是为实现这一目标而设计开发的一套平台软件。中心的官方网站为用户提供了与课程实验相关的教学大纲、实验指南、教学课件、教学视频，以及实验设备和实验仪器的使用说明等丰富的资料。

这些信息包括实验设计思路、方法、步骤、结果分析等。学生有机会在网站上预先了解实验设备、操作流程以及仪器的使用方法，并对实验的相关内容进行预先学习。通过网络自主学习和小组合作交流，加深学生对实验所需器材及操作过程的了解。为了让更多的学生参与到实验教学中，教师还专门开设了“电工电子”实验课。在教学活动中，除了对理论进行验证外，教师还针对实验中出现的与理论不完全吻合的情况，设计相应的思考问题，以帮助学生更好地理解现实与理论模型之间的差异和成因，为未来的相关研究奠定坚实的基础。在实验教学过程中，要求学生按照一定顺序依次完成实验报告及分析总结任务。为了确保学生在实验过程中严格遵守规范及守则，在实验结束后，教师会对实验设备、仪器进行检查，并严格把控每个操作步骤，只有在设备、仪器无破损且操作步骤合格后，于检查表进行签署（检查表详见表1）。

（二）综合实验

综合实验是对前期学习成果的全面总结，由实验教学中心单独承担教学任务，所有60个学时均在实验室完成。该课程的教学目标旨在通过实际操作帮助学生掌握相关的知识和技巧，从而为他们进一步深化对专业课程的学习打下坚实的基础。根据电气工程这一二级学科的分类体系，总共提供了五门综合性实验课程。综合实验不仅是对理论教学成果的验证和深化，也为未来的专业实习提供基本支持。当每个学期为中职学生提供综合实验课程时，学生需要选择一项特定的实验来完成学习任务。

本项研究重点探讨了在电气专业的实验教学改革中，如何通过综合实验来培养具有创新能力人才的策略和方法。在我们的综合实验中，本文运用RTDS电力实时数字仿真系统、微芯高/低压电机控制板等行业内的最新技术平台，要求学生组成2～3人的团队，亲自参与实践，以构建一个综合性的系统。这门课程的教学方法是将理论知识与实际工程知识相融合，致力于协助学生构建一个全面的系统观念，将零散的知识点整合为一个完备的知识体系，使他们能够熟练构建系统模型，并对软硬件的联合调试方法有深入的了解（RTDS距离保护系统模型图详见图2）。此外，还为一些常见的故障或问题提供详细的分析和解决策略。

三、“递进式”教学实施

为确保实验教学能够与时代同步，紧跟学科发展最新趋势，我们必须持续更新和完善实验教学内容。在这一过程中，我们应注重培养学生的创新能力，确保教学内容的技术先进性和学科前沿性。为此，我们需要精心筛选和转化那些庞大且领先的技术知识，使其成为符合实验教学需求、易于学生理解和掌握的内容。这样的方式不仅可以保持实验教学的活力和吸引力，还能有效提升学生的实践能力和创新思维。在这个过程中，关键是要准确把握学科技术的特点，将抽象复杂的问题具体化和实例化，从而让学生能够轻松理解和接受。以此为基础，我们可以进一步设计具有创新性的实验内容，激发学生的创新思维和实践能力。

以电气工程专业的电力系统综合实验课程为例，该课程通常在所有相关理论课程结束后才开设。该课程融合了诸如“电力系统分析原理”与“电力电子”等多门理论课程的知识，因此其教学起点相对较高。为了保障实验教学的有效性，我们需要对多门课程的内容和知识点进行整合。鉴于理论课程中的知识点抽象、难懂，我们必须通过直观化的教学手段，帮助学生更好地理解和掌握这些知识。同时，考虑到电力系统继电保护功能的逻辑复杂性，以及微机自并励和它励激励机制的错综性，我们需要精心提炼实验教学内容，确保其既具有学科深度，又能满足广大学生的学习需求。这样，我们才能确保每位学生都能从实验教学中受益，进而提升他们的专业素养和实践能力。

为了打破传统实验课程对理论教学的依赖，我们需要对电气工程专业所涉及的多门理论课程进行深度解读与知识融合。在坚持“精简且深入”的教学原则下，将整合不同课程中重复或相关的知识点，创造多元化且具有深度的实验项目。这一改革旨在更好地满足本科实验教学对培养学生创新能力的需求。

因此，不论学生所处的学习阶段或能力如何，他们都可以根据自己的实际情况，自主决定何时以及如何参与电力系统的综合试验。实验内容从发电机启动、励磁建压、并网解列等基础且全面的认知和原理性实验开始，然后学生逐步尝试更具挑战性的任务，例如独立设计与构建多机互联的电力系统综合实验平台，进行综合性的设计实验和创新性的研究实验。这一系列的实验活动将引导学生从理解基本课程知识到构建实验模型，最终能够对实验现象进行深入分析并得出准确结论，从而实现知识与技能的有序提升。

四、课程设计与实践创新

（一）课程设计

该课程由两个不同层次的专业教师负责授课，其中一人为本科生，另一人为研究生。每一门课程都为学生提供若干合适的题目供其挑选，学生需在64个学时内完成这些题目，并提交完整的设计方案，其中包括软件和硬件系统。课程设计是以项目式教学为主线展开的一种教学模式，为了达到新技能人才培养的目标，我们在课程设计的选题、作品的性能指标和经济指标方面，都与市场的主流产品保持紧密的同步。在教学过程中，教师通常会在教室内完成4个学时的教学，随后安排相关的设计题目，总结出完成设计所需的知识体系，并详细阐述在设计阶段需要特别关注的各个方面。在实验室中，学生将利用剩余的60个学时进行一系列实践活动，这些活动包括软件代码的设计、元器件的精心挑选、硬件原理图的制作、PCB的绘制与制版以及电路的焊接和调试等。在完成这些实践环节后，学生还需撰写详尽的设计报告，并最终提交作品和设计报告，以供评审和展示。这一过程旨在全面提升学生的实践能力和综合素质。

通过一个“递进式”的教学过程，不仅能够培养学生的自主学习能力及分析、解决问题能力，还能够显著提高学生的实际操作技巧，从而为学生今后的发展、就业提供路径，以实现高质量电气工程专业人才的培养目标。通过深入此“递进式”教学，学生能够对电气工程基础技能初步掌握，并将自身的创新意识及灵活思维融会贯通，为今后成为一个电气工程师打下坚实基础，通过在“递进式”教学实验中增强团队合作意识，从而以集体之力进一步提高自身学习质量。

（二）实践创新

实践创新被认为是提升学生创新能力的核心环节，包括工程实践与科技创新课程、PRP项目、中职学生创新计划项目和生产实习等方面。在这其中，通过工程实践，学生的动手实践技能和科研素质得到了有效提升。中职三年级上学期和下学期的学生主要受益于工程实践和科技创新的服务。在一个由32名学生组成的教学周期内，他们有机会充分激发自己的创新能力，有权自由地组成团队，并使用实验室所提供的各种设备与工具来进行创新性的思考。

另外，在实验课程安排方面，将理论教学与生产实践相结合，并鼓励学生参加社会服务活动，锻炼其动手能力和解决实际问题的能力。即将步入社会的中职生将会参加生产实习这一必修课程，这为他们提供了一个与电气行业相关的企业进行互动和交流的平台。通过这一途径，中职学生有机会直接进入这些公司，对电气产业的操作流程和当前生产状况有更深入的了解，并亲身体验由各种企业文化所塑造出的工作氛围。通过实际的生产经验，可以培养学生的实际操作技能，并提高他们分析和解决问题的能力。实习方式有很多种，可以根据企业和学科对学生的培养需求进行定制，以实现“双赢”的目标。

五、结束语

综上所述，电气工程实验教学中心致力于培育能够满足科技持续进步需求的高品质电气工程专业人才。因此，本研究强调了加强实验与实践教学的重要性，优化教育体制，并致力于提升学生在工程学科方面的综合素质和创新思维，同时也设定了培养更多具有创新思维并能迅速满足行业需求的高水平电气工程师为最终目标。

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◎编辑 鲁翠红

作者简介：吕国华（1974—），女，汉族，山西大同人，中级讲师，硕士，研究方向：电气工程教学实践、物理职业教育教学实践。

吕嘉（1993—），男，汉族，山西临汾人，讲师，博士，研究方向：人工智能、计算机视觉。