課堂中的工程融合貫通式教學探索與實踐

摘要：電氣工程專業有一些重要的專業基礎課程，理論性強，學習難度大。以電力系統分析課程為例，介紹了在課堂中進行工程融合貫通式教學的方法和經驗，在課堂中將理論教學與工程體驗、工程應用、工程創新研究性學習同步融合貫通，培養學生的工程思想、提高學生的工程應用能力和創新能力，對改變強理論性專業基礎課程與工程應用脫節的傳統教學模式進行了有益探索。

關鍵詞：工程融合貫通；教學改革與實踐；電力系統分析

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0140-02

培養工科學生的工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力是工科教育“回歸工程實踐”教學改革的目標，而要改變一些理論性很強的課程以教科書為中心、以教師講授為中心、以課堂為中心的傳統模式具有一定的難度，需要更加精心地設計。像電力系統分析這種理論性很強的課程特點是很難采用現場教學的方式，即便在現場，這些抽象理論很難直觀地呈現在同學們眼前。普通的CAI教學，也很容易變成黑板屏幕化的升級，而讓學生在缺乏理論基礎的條件下以研究性自主學習方式進入工程實踐或項目研究，在實踐過程中發現也很難達到預期的效果。

課堂中的工程融合貫通式教學是我們在多年的教學實踐中，以自主開發的工程融合教學平臺為基礎，以工程為引導，以學生為中心的教學模式。將工程體驗、工程應用、工程設計以及研究性學習融入整個教學過程，通過重構課程體系和教學內容，將工程思想、理論學習和工程應用融會貫通，在教學過程中幫助學生建立工程概念、培養工程思想、提高工程應用能力、創新能力和團隊合作精神等，并建立起一套面向過程的過程評價體系。通過多種方式引導學生將理論應用于工程實踐，激發學生的興趣，變“以教為主”為“以學為主”，變“灌輸式”為“啟發式”，變“苦學”為“樂學”，變“死學”為“創新”，激發學生的研究熱情、創新意識和團隊精神。

一、電力系統分析課程特點

電力系統分析包括電力系統的穩態分析和暫態分析，是一門理論分析嚴謹、涉及內容廣泛的電氣工程及其自動化專業重要專業基礎課，該課程在電氣工程及其自動化專業課程的樹型結構圖中的位置如圖1所示。

由圖1可見，從課程之間的相互關系上看，它像是一門技術基礎課，對后續課程起著承上啟下的作用；從課程的性質上看，電力系統分析又是一門獨立的專業課，其重要性不言而喻。

由于“電力系統分析”課程將電工、電子、電機、自動化、計算機、高等數學和最優化理論等學科知識綜合運用于電力系統運行分析和計算中，故這門課程難度較大，理論性強。因而長期以來都被當成一門強理論課來進行教學和學習。但電力系統分析的研究和服務對象是實際的電力系統，具有明顯的工程特點。另外，同學們對實際的電力系統，對電能生產的各個環節還缺乏必要的感性認識，很難將書本知識和電力系統聯系在一起來理解和掌握，不知道這些知識在將來的工作中有什么用，更不會去思考如何應用，由于難度大，很多同學存在畏難和厭學情緒。

二、構建“工程融合貫通”的電力系統分析教學體系

針對本課程的特點，在教學中引入工程元素，將工程理念貫穿于整個教學過程，重構課程體系和教學內容，“工程融合貫通”的電力系統分析教學體系如圖2所示。

1.構建可視化“工程融合”電力系統分析軟件教學平臺

在“工程融合貫通”的思想指導下，經過多年不斷的研究、開發、修改、補充、完善，形成了一套完整的工程融合教學平臺。平臺開發以工程實際為背景，能同時進行教學及工程體驗與應用，應用實例既列舉了典型實例（IEEE的標準系統），又給出了與實際工程相結合的工程范例，以使學生在學習過程接觸到的就是生產實際中使用的，增加工程體驗和工程應用經驗，達到學以致用的效果。通過使用該平臺教學，學生既可以加深對專業理論的進一步理解，又可以初步掌握應用專業知識解決實際工程的技能。這樣一來，培養出來的學生就可以達到基礎扎實、知識面寬、能力強、素質高的培養目標。教學平臺的主要特點如下。

（1）理論與教學及工程實踐的緊密結合，即學生們在課堂使用的教學軟件，就是他們今后工作中使用的軟件，實現了教學與工程實踐的無縫聯接。為此，我們在平臺設計上既考慮了本科教學的基本需要，又考慮了電力系統工程的實際情況。例如，電力系統計算中的標幺值與有名值的問題。在教科書中，通常使用標幺值，但作為工程實際應用，則以有名值更為常用。為此，我們既考慮了標幺值又考慮了有名值，以及標幺值與有名值的轉換。由于兩者并存，在滿足教學需要的同時，又能夠進行實際電力系統的分析計算，深受學生的歡迎。

（2）將可視化技術應用于電力系統分析計算，使原先枯燥無味的數值計算，變得十分形象有趣。例如，在電力系統潮流分析中，算法的收斂特性是一個十分難理解的概念。不同的算法具有不同的收斂特性，相同的算法不同的運行狀態，收斂特性也不一樣。但是在傳統的教學中，學生僅從抽象的數學上是很難突破這一難點的。為此，我們專門設計了功率不平衡量圖像表示窗口，以形象地反映出算法的收斂特性。改變運行參數，圖像窗口就可以得到不同的收斂特性（圖3）。由于圖像對認識感官的沖擊，同學們對收斂特性的直觀認識和內在聯系加深了。

（3）多功能的系統集成，使得電力系統的運行方式、潮流分析、網絡等值、短路容量計算及比較、故障分析、保護整定及參數計算等，統一在一個用戶界面，提高了數據的共享程度，融匯了與電力系統分析課程相關的其他課程內容，讓學生深刻理解到該課程在電力系統中應用的廣泛性和重要性。

（4）直接的工程體驗。在傳統的教學中，學生除了普遍反映課程難學以外，更重要是不知道學了有什么用，更不用說去思考如何用了。在該教學平臺上，所學的知識直接反映到了工程應用上，并能讓學生自己動手操作，讓學生了解理論如何應用到工程上，并能體驗理論應用的效果，提高了學生的學習興趣和研究熱情，進一步促進了對理論的理解。

2.工程應用

單純的實驗性或驗證性的算例往往還不能激發學生強烈的探索欲望，也往往被學生認為是與現實脫節的，因此，教學改革的另一關鍵是工程實現，通過工程實現激發學生內在的原動力和自主學習的激情。我們將教學平臺的部分成果轉化為直接為電網多個生產部門服務的生產軟件：（1）故障分析及整定計算，用于某調度中心進行指揮調度電力系統的電力生產。（2）電網的潮流分析及參數計算，用于某供電局進行指揮電力調度。以上幾個成功的工程應用案例，對同學產生了強大的心理沖擊，知道自己所學的知識將來有什么用，如何用，這大大激發了學生的學習興趣。為同學自主學習、研究性學習打下了良好的基礎。

3.工程實踐與創新探索

在傳統的教學過程，也有部分實踐環節，如課程設計和畢業設計，但這些環節往往滯后于課程學習，同學們或已對課程學習的熱情減退，或對學過的知識已有所遺忘，針對這樣的情況，在同學們進行過工程應用和體驗后，趁學生的學習興趣和研究熱情高漲的時候，采用開放的帶工程背景的多樣性設計內容，如系統等值、短路計算、潮流計算、安全分析、線路損耗等，學生可以根據自己的興趣進行選擇，也可以自創設計內容，尊重個性化的發展，挖掘學生創造潛能。培養學生主動學習，參與意識，更好地發揮學生學習的自主性、互動性和進行個性化教學。學生通過自主學習、應用創新，掌握隱含在問題或實例背后的知識，變“以教為主”為“以學為主”，變“灌輸”為“啟發”，變“苦學”為“樂學”，變“死學”為“創新”，激發學生的學習和研究熱情，獲得工程應用經驗，提高學習成就感。

學生在此基礎上有的編寫了高技巧的算法，有的做出了應用Internet工具進行遠程計算的電力系統潮流計算程序，有的研究基于云計算的電力系統潮流計算，甚至有學生對一些具體地區電網的網損進行了分析，提出了自己的整改意見，并得到電網相關單位的采納。這些都體現了工程融合貫通教學所煥發的活力。

4.過程評價

對學生的學習情況考評，也是教學中的一個重要環節，直接影響了學生的學習態度，具有導向性。過程評價的理念是在學習中實施評價，在評價中促進學習。從過去的只注重考試結果的評價轉移到關注學習過程的評價，關注教學過程中學生過程性結果，如解決現實問題的能力等，及時地對學生的學習質量水平做出判斷，肯定成績，找出問題，強調目標與過程并重，把課堂討論、階段性知識點總結、工程應用、設計能力與考試結果構建成一個1∶1綜合測評體系，對學生的學習效果進行全面的考核，促進學生綜合素質的全面發展，取得了較好的教學效果。

三、結語

以上是我們在工程融合貫通的教育思路指導下進行的電力系統分析課程教學改革的一些嘗試，是一個將理論學習、工程體驗、研究性學習的融合探索過程，課程教學中，體現出形象生動的CAI作用，同時結合工程實踐的實例，學生從中學習和了解到工程應用的思路與方法，激勵了學習的興趣和研究的積極性。并通過同步實踐設計環節，發揮同學自主學習、研究性學習的熱情，激發創新潛能，使學生在學習過程中獲得自信與成就感，同時教師在構建教學平臺過程中同樣經歷了工程應用、成果轉化的過程，提高了師資隊伍的建設，并在與學生的互動創新中收獲了課堂改革的樂趣和新成果，為強理論課程的課堂教學改革進行了有益的探索。

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（責任編輯：劉麗娜）