高 亮，劉彥輝，商 行，薛玉翠

（綏化學院 電氣工程學院，黑龍江 綏化 152061）

電力工程基礎是電氣工程及自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，其前導課程包括電路分析、電機學，后續(xù)課程包括電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護等。課程內(nèi)容包括電力系統(tǒng)相關概念和供配電一/二次系統(tǒng)的計算和運行操作，以及防雷接地保護等。課程內(nèi)容覆蓋面廣、信息量大，是一門理論性和實踐性都很強的課程。該課程培養(yǎng)目標是學生的認知和理解能力、邏輯思維能力、工程計算和設計能力，但該課程內(nèi)容不系統(tǒng)，知識點零散，計算復雜、難度大，缺少實踐性環(huán)節(jié)，無配套實驗設備；傳統(tǒng)的講授法教學與工程實際缺少關聯(lián)，學生沒有應用工程技術的能力[1,2]。因此，為培養(yǎng)學生具備電力工程應用能力，電力工程基礎課程教學亟待改革。

CDIO（Conceiving Designing Implementing Operation），即構思、設計、實現(xiàn)、運行，是一種國際創(chuàng)新型工程教育模式，由美國麻省理工學院和瑞典皇家理工學院等四所大學經(jīng)歷四年研究所得[3]。CDIO工程教育模式以產(chǎn)品開發(fā)的全過程為載體，旨在培養(yǎng)學生工程基礎知識、個人、人機團隊和工程系統(tǒng)四方面的能力[4]。該模式被國內(nèi)諸多高校引入課堂教學中[5-7]，形成了各具特色的教學新模式，取得了很好的教學效果。如汕頭大學提出的個人、團隊和系統(tǒng)調(diào)控三個能力的EIP-CDIO新型工程教育模式，建立了 CDIO工程教育理念下適合自己的工程人才培養(yǎng)模式[5]。本文基于CDIO教育理念，對電力工程基礎課程教學研體系進行深度融合，形成“項目—比賽—軟件平臺”載體，旨在提高教學效果。

1 建立“教—學—研”融合的載體

1.1 CDIO模式下“教—學—研”融合的必要性

電力工程基礎課程在以往的教學內(nèi)容設置上，教師圍繞教材進行通篇講授，沒有對教材知識結構進行梳理和重構，導致講授過多、學時不足，教學內(nèi)容重點不突出，學生所學知識多、雜、難的現(xiàn)象。課上教師僅僅采用單一的講授法完成課堂教學任務，僅在必要的章節(jié)講授中使用多媒體輔助教學，缺乏教學方式、方法的設計；課下布置的作業(yè)單單是為了鞏固知識點的記憶，作業(yè)題的設置缺乏綜合性、設計性。學生聽課效果欠佳，對于較難理解的知識，多數(shù)學生放棄對該知識點的深入理解，造成在后續(xù)課程中跟不上，頭腦中無法建立完善的知識體系，學生的期末成績普遍偏低，不及格率增加。更重要的是，由于實驗條件的限制，本課程缺乏實驗環(huán)節(jié)的設置，尤其是潮流分析的問題，學生無法實驗練習，造成學生所學僅僅停留在理論層面上，無法內(nèi)化和實踐；同時，教師也缺乏深入科研的條件，科研進度緩慢。以上所言諸多問題說明，該課程現(xiàn)有的模式無法適應工程教育大背景下培養(yǎng)專業(yè)人才的需求。CDIO教育理念要求學生對工程問題能夠構思、設計，并加以實現(xiàn)和運行。這種能力的培養(yǎng)離不開教學模式的改革，用工程教育的理念指導教學，促使理論與實踐深入結合；而工程問題的解決又離不開深入的研究。所以，基于CDIO教育理念，在師生之間建立起“教—學—研”深度融合的教育與發(fā)展模式，是解決以往教學中突出問題的有效途徑，能高質(zhì)量地培養(yǎng)電力工程人才，是電氣工程學科適應時代發(fā)展的必然趨勢。

1.2 “教—學—研”融合的具體措施

1.2.1 教學內(nèi)容的增減

為了使本門課程知識體系連貫，便于教師講授和學生學習，促進教師科研與學生參與的融合，對現(xiàn)有電力工程基礎課程教學的知識章節(jié)進行重構。以電能的“生產(chǎn)、輸送、分配和使用”為主線，形成了六個模塊的講授內(nèi)容，即發(fā)電廠及電力系統(tǒng)基本概念、電力網(wǎng)等值電路、電力網(wǎng)潮流分析、高壓開關電器、一次系統(tǒng)主接線設計和電力設備的選擇應用。教材中的陳舊與偏難知識點，不利于學生理解，不影響教學主線的形成，可以刪除，如復雜閉式網(wǎng)的潮流分析與計算、矩陣算法的潮流理論分析等。重構后的知識體系有鮮明的主線貫穿始終，教師能較好地對教學內(nèi)容前后銜接并突出講授重點；并且學生按照這條主線學習能更便捷，易加深對知識的理解與掌握；同時這種知識體系模塊化重構，與教師科研的方向有利融合，學生掌握基礎知識后便于參與科研。

1.2.2 課下實踐指導環(huán)節(jié)的強化

基于CDIO工程教育理念，為培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題并解決的能力，注重課下實踐指導環(huán)節(jié)的強化，如輔導答疑、布置作業(yè)和開放實驗室項目。教師每周進行一次輔導答疑，并對每章節(jié)重點知識精心布置，呈現(xiàn)難易度不同的梯度作業(yè)，從中掌握學生對基礎知識的理解與運用程度，以此反饋于教學，對教學進度與講授程度進行合理調(diào)整。教師對學生提出的問題進行歸納，總結形成典型問題模塊，如電弧形成過程的理解模塊；并針對典型問題模塊開展實驗室開放性項目，如球隙放電實驗與電弧形成的動畫模擬，使學生能夠在實踐化練習中解決問題，對知識的鞏固與理解更加深刻。拓展與深化課下教學內(nèi)容，更加有利于課程講授、學生學習與師生科研的融合。

1.2.3 教學方法、手段和資源的有機結合

在CDIO工程教育理念指導下，根據(jù)整合后的課程教學內(nèi)容與各章節(jié)特點，借助圖片、動畫、微視頻等多媒體輔助教學手段，將工程案例討論法、理論分析與工程計算機分析對比法、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學方法融合，完成該課程的教學任務[8]。

在第三章的“典型環(huán)網(wǎng)的潮流分布計算”一課中，教師引出課題“三角環(huán)網(wǎng)電力系統(tǒng)如何計算潮流”后，通過啟發(fā)式和討論式教學，引導學生構思解題方法，形成解題路線，即先找功率分點再拆網(wǎng)計算。采用翻轉(zhuǎn)課堂的方法，讓學生對每一步理論計算進行分析講解；結合分析對比的方法，將教師科研中的MatLab/Simulink計算機仿真軟件引入課堂教學，構建2機5節(jié)點系統(tǒng)建模與潮流分析。將軟件解題的結果與理論計算的結果進行對比，總結兩種解題方式的優(yōu)缺點。

另外，在第四章的“電弧及其形成與熄滅”一課中，電弧的形成要從微觀理論進行分析，借助“主觀能動性學習模式”[9]，采取翻轉(zhuǎn)課堂教學方法，課前布置任務，讓學生搜集電力上電弧形成的圖片、動畫以及滅弧的裝置，課上由學生主講電弧是什么？電弧如何形成？電弧用什么熄滅？教師進行補充總結。從電力工程上的“飛弧傷人”事件引入，電弧形成機理由教師制作的動畫進行補充演示，最后學生以多媒體圖片介紹電力滅弧器件。這種教學方式下，學生主講和教師點評相結合，能激發(fā)學生積極性。教學方法、手段和資源在不同課節(jié)中的有機融合，既能使復雜知識簡單化，又能加深學生的理解，也促進了學生對教師科研的參與，提高了學生的學習興趣和實踐能力。

1.3 “教—學—研”融合的載體

圖1 “教—學—研”融合的載體

我們在CDIO工程教育理念的引領下，以教師和學生為雙重出發(fā)點，對電力工程基礎課程的講授、學生對知識的學習與師生科研進行有效融合的載體——“項目—競賽—軟件平臺”，如圖1所示。

1.4 “項目-競賽-軟件平臺”的作用

實驗室開放性項目的開展，能夠建立起教師課堂講授內(nèi)容與學生學習知識之間的聯(lián)系，該項目是對課題知識的驗證與鞏固。大學生科技競賽與創(chuàng)新項目的進行，能夠建立起教師科研與學生學習知識之間的聯(lián)系。將教師的科研內(nèi)容形成創(chuàng)新項目或參與科技競賽，既是對學生學習知識的良好運用，也是學生參與科研的有力途徑。借助仿真軟件構筑軟件平臺教學，能夠建立起教師科研與課堂講授內(nèi)容之間的聯(lián)系[10]。將教師科研中使用的工程軟件對學生進行講授，如Origin數(shù)據(jù)處理軟件、AutoCAD繪圖軟件、MATLAB/Simulink仿真軟件等，既是對理論課程實踐化的強化環(huán)節(jié)，又是科研反哺教學的體現(xiàn)。

2 “教—學—研”融合載體的運行

2.1 實驗室開放性項目

在CDIO工程教育模式的引導下，學生對電力工程領域研究分析產(chǎn)生了濃厚興趣。借此，針對教學輔導答疑環(huán)節(jié)中的問題進行總結并凝聚幾個典型問題模塊，結合教師的科研方向及處理方法，借助仿真實驗分室、電力電子技術實驗分室和供配電技術模擬平臺，在2016-2017學年度兩個學期內(nèi)開展了9個實驗室開放性項目：電力工程網(wǎng)絡模塊化建設、基于Simulink的電力網(wǎng)潮流分布建模與仿真、基于 Origin8.0的電容器介質(zhì)性能數(shù)據(jù)分析處理、SPWM逆變電路的建模與仿真、架空線路的三相自動重合閘系統(tǒng)仿真研究、基于MATLAB電力系統(tǒng)短路故障仿真實驗、基于C51的電力風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計、基于C51的智能插排設計、MPU6050在四軸飛行器中的應用。每個項目參與學生人數(shù)均在 15人以上，教師共講授 36學時，學生利用業(yè)余時間共學習108學時。這些項目涵蓋電力工程基礎教學各個章節(jié)，難度由淺入深，均借助工程分析處理方法加以解決。

2.2 大學生科技競賽與創(chuàng)新項目

在電力工程基礎課程多章節(jié)的講授、討論中融入了CDIO工程教育理念，使學生頭腦中形成了從工程角度出發(fā)的CDIO思維模式，但缺少實際運用的機會。因此，本課程以課外大學生科技競賽與創(chuàng)新項目為外延，提供給學生鍛煉的機會，在競賽和項目中培養(yǎng)CDIO工程教育理念下的掌握知識能力、個人能力和人際團隊能力。各類競賽或科技創(chuàng)新項目多數(shù)來源于工程實際中急需攻關的難題，學生以競技團隊或科研團隊形式展開研究，設計出一套解決問題的方法，具體路線如圖2所示。

圖2 CDIO工程思維模式下的解題路線

2.3 軟件平臺

我們在本課程改革中，基于“教—學—研”深度融合的具體實施構建了軟件平臺，包括MATLAB/Simulink仿真軟件、Origin8.0數(shù)據(jù)分析處理軟件以及AutoCAD電氣繪圖軟件等，用以輔助實驗室開放性項目和競賽的開展。在“基于Simulink的電力網(wǎng)潮流分布建模與仿真”項目中，利用 MATLAB/Simulink軟件對典型電力網(wǎng)進行建模仿真，并利用 Origin8.0科學處理軟件對仿真后的數(shù)據(jù)進行分析處理，從而指導電力網(wǎng)的設計改造，對改造結構可利用AutoCAD軟件進行繪制出圖。教師在項目與競賽中對軟件進行教學指導，軟件平臺的運行更好地輔助了項目與競賽，使得“教—學—研”更好地融合。

3 改革成效

3.1 學生學習成績得到提高

對電力工程基礎課程教學改革前后學生成績分布進行對比分析，其結果如圖3所示。

圖3 改革前后課程成績分布對比圖

從圖3(a)與(c)的對比可見，改革后學生總成績明顯提高，優(yōu)秀率增加，由改革前的2.16%增加到6.29%，不及格率降低，由改革前的16.55%降低到 12.58%。根據(jù)圖 3(b)與(d)對比可知，改革后學生卷面成績明顯提高，及格率和優(yōu)秀率均有所增加。

3.2 學生比賽競技能力得到增強

理論課程實踐化改革中，CDIO工程教育理論引入及輔助教學環(huán)節(jié)中實驗室開放性項目的鍛煉，使得學生理論與實踐結合能力得到提升，對工程實際問題解決的思維得到開發(fā)，也促進了學生在后續(xù)各類比賽中取得更好的佳績。如學生在2016年獲全國大學生TI杯電子設計競賽黑龍江賽區(qū)二等獎；2017年獲第八屆“藍橋杯”全國軟件和信息技術專業(yè)人才大賽黑龍江賽區(qū)一等獎和全國總決賽優(yōu)秀獎，第十三屆“博創(chuàng)杯”全國大學生設計大賽東北賽區(qū)一等獎。

3.3 教師教學能力得到提升

在電力工程基礎課程教學改革的進行中，教師的教學能力也得到了進一步的提升。在CDIO的教育理念下，教師對現(xiàn)有教材進行了改編，教材更具有實用性，教學水平得到提高。教學經(jīng)驗豐富了，教學方法多樣了，兩名教師分別在青年教師教學技能競賽中獲得一等獎和二等獎，并在一輪教學實踐后，獲得教學新秀獎。

3.4 教改的雙重催化作用

教學改革推動了教師科研項目的進行，加大了教師科研成果產(chǎn)出，自2015至2017年該課程教師團隊共申報并授權實用新型專利5件。同時，開放性項目的開展為學生參加競技類比賽提供了鍛煉機會，學生工程分析能力得以提高。

4 結語

電力工程基礎課的改革探索，促進了教師和學生的雙重發(fā)展。在CDIO工程教育理念指導下，教師從多角度綜合運用教學方法、手段和資源，建立了“教—學—研”融合載體，即“項目—比賽—軟件平臺”；學生學會了運用 CDIO工程思維模式來解題。該課程改革的實施，激發(fā)了學生對課程學習的興趣，學習成績顯著提高，比賽競技能力得以增強。

[1] 梁喆,李梅,楊岸.“電力工程基礎”課程教學改革思考[J].科技信息,2013,(16)：17-18.

[2] 李潔,黃艷賓,石丁丁.《電力工程基礎》課程的教學改革實踐[J].河北工程大學學報(社會科學版),2017,34(2)：113-115.

[3] 雷環(huán),湯威頤,Edward F. Crawley.培養(yǎng)創(chuàng)新型,多層次,專業(yè)化的工程科技人才——CDIO工程教育改革的人才理念和培養(yǎng)模式[J].高等工程教育,2009,(5)：29-35.

[4] 劉明華,王彩霞.基于 CDIO模式的自動控制原理實驗改革探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2015,(17)：84-86.

[5] 顧佩華,沈民奮,李升平,等.從 CDIO 到 EIP-CDIO：汕頭大學工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究,2008,(1)：12-20.

[6] 竇超.《MatLab在大學物理中的應用》課程實施方案[J].唐山師范學院學報,2017,39(2)：115-118.

[7] 張洪波,田敬軍,母景琴.基于項目驅(qū)動的JSP課程教學改革的探索與研究[J].唐山師范學院學報,2016,38(5)：130-132.

[8] 楊秀玲.論啟發(fā)式教學[J].唐山師范學院學報,2009,31(5)：133-134.

[9] 遲慶國.基于 CDIO 工程教育模式的物理類專業(yè)培養(yǎng)方案構思[J].科技與管理,2014,16,(5)：43-46.

[10] 石寶玉.基于 Proteus+Keil仿真的單片機課堂教學方法探索[J].唐山師范學院學報,2016,38(2)：155-157.