高 亮，劉彥輝，商 行，薛玉翠

（綏化學(xué)院 電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

電力工程基礎(chǔ)是電氣工程及自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其前導(dǎo)課程包括電路分析、電機(jī)學(xué)，后續(xù)課程包括電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等。課程內(nèi)容包括電力系統(tǒng)相關(guān)概念和供配電一/二次系統(tǒng)的計算和運(yùn)行操作，以及防雷接地保護(hù)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(qiáng)的課程。該課程培養(yǎng)目標(biāo)是學(xué)生的認(rèn)知和理解能力、邏輯思維能力、工程計算和設(shè)計能力，但該課程內(nèi)容不系統(tǒng)，知識點(diǎn)零散，計算復(fù)雜、難度大，缺少實踐性環(huán)節(jié)，無配套實驗設(shè)備；傳統(tǒng)的講授法教學(xué)與工程實際缺少關(guān)聯(lián)，學(xué)生沒有應(yīng)用工程技術(shù)的能力[1,2]。因此，為培養(yǎng)學(xué)生具備電力工程應(yīng)用能力，電力工程基礎(chǔ)課程教學(xué)亟待改革。

CDIO（Conceiving Designing Implementing Operation），即構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運(yùn)行，是一種國際創(chuàng)新型工程教育模式，由美國麻省理工學(xué)院和瑞典皇家理工學(xué)院等四所大學(xué)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(xué)生工程基礎(chǔ)知識、個人、人機(jī)團(tuán)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(xué)中[5-7]，形成了各具特色的教學(xué)新模式，取得了很好的教學(xué)效果。如汕頭大學(xué)提出的個人、團(tuán)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(chǔ)課程教學(xué)研體系進(jìn)行深度融合，形成“項目—比賽—軟件平臺”載體，旨在提高教學(xué)效果。

1 建立“教—學(xué)—研”融合的載體

1.1 CDIO模式下“教—學(xué)—研”融合的必要性

電力工程基礎(chǔ)課程在以往的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上，教師圍繞教材進(jìn)行通篇講授，沒有對教材知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理和重構(gòu)，導(dǎo)致講授過多、學(xué)時不足，教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)不突出，學(xué)生所學(xué)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(xué)任務(wù)，僅在必要的章節(jié)講授中使用多媒體輔助教學(xué)，缺乏教學(xué)方式、方法的設(shè)計；課下布置的作業(yè)單單是為了鞏固知識點(diǎn)的記憶，作業(yè)題的設(shè)置缺乏綜合性、設(shè)計性。學(xué)生聽課效果欠佳，對于較難理解的知識，多數(shù)學(xué)生放棄對該知識點(diǎn)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(xué)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(shè)置，尤其是潮流分析的問題，學(xué)生無法實驗練習(xí)，造成學(xué)生所學(xué)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(jìn)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(yīng)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(xué)生對工程問題能夠構(gòu)思、設(shè)計，并加以實現(xiàn)和運(yùn)行。這種能力的培養(yǎng)離不開教學(xué)模式的改革，用工程教育的理念指導(dǎo)教學(xué)，促使理論與實踐深入結(jié)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(xué)—研”深度融合的教育與發(fā)展模式，是解決以往教學(xué)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(xué)科適應(yīng)時代發(fā)展的必然趨勢。

1.2 “教—學(xué)—研”融合的具體措施

1.2.1 教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)，促進(jìn)教師科研與學(xué)生參與的融合，對現(xiàn)有電力工程基礎(chǔ)課程教學(xué)的知識章節(jié)進(jìn)行重構(gòu)。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(guān)電器、一次系統(tǒng)主接線設(shè)計和電力設(shè)備的選擇應(yīng)用。教材中的陳舊與偏難知識點(diǎn)，不利于學(xué)生理解，不影響教學(xué)主線的形成，可以刪除，如復(fù)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(gòu)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(xué)內(nèi)容前后銜接并突出講授重點(diǎn)；并且學(xué)生按照這條主線學(xué)習(xí)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(gòu)，與教師科研的方向有利融合，學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識后便于參與科研。

1.2.2 課下實踐指導(dǎo)環(huán)節(jié)的強(qiáng)化

基于CDIO工程教育理念，為培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決的能力，注重課下實踐指導(dǎo)環(huán)節(jié)的強(qiáng)化，如輔導(dǎo)答疑、布置作業(yè)和開放實驗室項目。教師每周進(jìn)行一次輔導(dǎo)答疑，并對每章節(jié)重點(diǎn)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(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解與運(yùn)用程度，以此反饋于教學(xué)，對教學(xué)進(jìn)度與講授程度進(jìn)行合理調(diào)整。教師對學(xué)生提出的問題進(jìn)行歸納，總結(jié)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(xué)生能夠在實踐化練習(xí)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(xué)內(nèi)容，更加有利于課程講授、學(xué)生學(xué)習(xí)與師生科研的融合。

1.2.3 教學(xué)方法、手段和資源的有機(jī)結(jié)合

在CDIO工程教育理念指導(dǎo)下，根據(jù)整合后的課程教學(xué)內(nèi)容與各章節(jié)特點(diǎn)，借助圖片、動畫、微視頻等多媒體輔助教學(xué)手段，將工程案例討論法、理論分析與工程計算機(jī)分析對比法、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)方法融合，完成該課程的教學(xué)任務(wù)[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(xué)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思解題方法，形成解題路線，即先找功率分點(diǎn)再拆網(wǎng)計算。采用翻轉(zhuǎn)課堂的方法，讓學(xué)生對每一步理論計算進(jìn)行分析講解；結(jié)合分析對比的方法，將教師科研中的MatLab/Simulink計算機(jī)仿真軟件引入課堂教學(xué)，構(gòu)建2機(jī)5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)建模與潮流分析。將軟件解題的結(jié)果與理論計算的結(jié)果進(jìn)行對比，總結(jié)兩種解題方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

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(jìn)行分析，借助“主觀能動性學(xué)習(xí)模式”[9]，采取翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，課前布置任務(wù)，讓學(xué)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(xué)生主講電弧是什么？電弧如何形成？電弧用什么熄滅？教師進(jìn)行補(bǔ)充總結(jié)。從電力工程上的“飛弧傷人”事件引入，電弧形成機(jī)理由教師制作的動畫進(jìn)行補(bǔ)充演示，最后學(xué)生以多媒體圖片介紹電力滅弧器件。這種教學(xué)方式下，學(xué)生主講和教師點(diǎn)評相結(jié)合，能激發(fā)學(xué)生積極性。教學(xué)方法、手段和資源在不同課節(jié)中的有機(jī)融合，既能使復(fù)雜知識簡單化，又能加深學(xué)生的理解，也促進(jìn)了學(xué)生對教師科研的參與，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐能力。

1.3 “教—學(xué)—研”融合的載體

圖1 “教—學(xué)—研”融合的載體

我們在CDIO工程教育理念的引領(lǐng)下，以教師和學(xué)生為雙重出發(fā)點(diǎn)，對電力工程基礎(chǔ)課程的講授、學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)與師生科研進(jìn)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(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生科技競賽與創(chuàng)新項目的進(jìn)行，能夠建立起教師科研與學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生學(xué)習(xí)知識的良好運(yùn)用，也是學(xué)生參與科研的有力途徑。借助仿真軟件構(gòu)筑軟件平臺教學(xué)，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(xué)生進(jìn)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(qiáng)化環(huán)節(jié)，又是科研反哺教學(xué)的體現(xiàn)。

2 “教—學(xué)—研”融合載體的運(yùn)行

2.1 實驗室開放性項目

在CDIO工程教育模式的引導(dǎo)下，學(xué)生對電力工程領(lǐng)域研究分析產(chǎn)生了濃厚興趣。借此，針對教學(xué)輔導(dǎo)答疑環(huán)節(jié)中的問題進(jìn)行總結(jié)并凝聚幾個典型問題模塊，結(jié)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(shù)實驗分室和供配電技術(shù)模擬平臺，在2016-2017學(xué)年度兩個學(xué)期內(nèi)開展了9個實驗室開放性項目：電力工程網(wǎng)絡(luò)模塊化建設(shè)、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(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、基于C51的智能插排設(shè)計、MPU6050在四軸飛行器中的應(yīng)用。每個項目參與學(xué)生人數(shù)均在 15人以上，教師共講授 36學(xué)時，學(xué)生利用業(yè)余時間共學(xué)習(xí)108學(xué)時。這些項目涵蓋電力工程基礎(chǔ)教學(xué)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(xué)生科技競賽與創(chuàng)新項目

在電力工程基礎(chǔ)課程多章節(jié)的講授、討論中融入了CDIO工程教育理念，使學(xué)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(yùn)用的機(jī)會。因此，本課程以課外大學(xué)生科技競賽與創(chuàng)新項目為外延，提供給學(xué)生鍛煉的機(jī)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(tuán)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(guān)的難題，學(xué)生以競技團(tuán)隊或科研團(tuán)隊形式展開研究，設(shè)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(xué)—研”深度融合的具體實施構(gòu)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(jìn)行建模仿真，并利用 Origin8.0科學(xué)處理軟件對仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而指導(dǎo)電力網(wǎng)的設(shè)計改造，對改造結(jié)構(gòu)可利用AutoCAD軟件進(jìn)行繪制出圖。教師在項目與競賽中對軟件進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，軟件平臺的運(yùn)行更好地輔助了項目與競賽，使得“教—學(xué)—研”更好地融合。

3 改革成效

3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)成績得到提高

對電力工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革前后學(xué)生成績分布進(jìn)行對比分析，其結(jié)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(xué)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(xué)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(xué)生比賽競技能力得到增強(qiáng)

理論課程實踐化改革中，CDIO工程教育理論引入及輔助教學(xué)環(huán)節(jié)中實驗室開放性項目的鍛煉，使得學(xué)生理論與實踐結(jié)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(jìn)了學(xué)生在后續(xù)各類比賽中取得更好的佳績。如學(xué)生在2016年獲全國大學(xué)生TI杯電子設(shè)計競賽黑龍江賽區(qū)二等獎；2017年獲第八屆“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)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(xué)生設(shè)計大賽東北賽區(qū)一等獎。

3.3 教師教學(xué)能力得到提升

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

3.4 教改的雙重催化作用

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

4 結(jié)語

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

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