梅 林， 孫玲玲， 張 楠

(燕山大學 a. 電氣工程學院 電子實驗中心(國家級實驗教學示范中心)；b. 機械工程學院， 河北 秦皇島 066004)

0 引 言

工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業(yè)認證旨在通過專業(yè)認證機構(gòu)針對高等教育機構(gòu)開設(shè)的工程類專業(yè)教育進行專門性評估。工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)[1-2]。2016年6月，我國成為第18個《華盛頓協(xié)議》正式成員，標志著我國工程教育已正式進入國際工程師互認體系中最具權(quán)威性的體系。全國高校積極開展工程教育專業(yè)認證，推進工程教育改革，提高工程教育質(zhì)量，增強工程教育人才培養(yǎng)能力，以促進我國工程教育國際互認，提升競爭力[3]。

電力系統(tǒng)綜合實驗是電氣工程及其自動化專業(yè)學生需要完成的學時最長、項目內(nèi)容最多、考察專業(yè)知識最全面、操作難度最高的綜合性實驗課程，是本專業(yè)最為重要的實踐環(huán)節(jié)之一[4-6]。在電力系統(tǒng)綜合實驗課程中，學生需要利用實驗室資源，綜合運用電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、電力系統(tǒng)繼電保護、電力系統(tǒng)自動裝置、發(fā)電廠主系統(tǒng)、變電站綜合自動化等專業(yè)課程知識，通過物理模擬、數(shù)字仿真、虛擬技術(shù)等多種實驗手段，最終完成實驗項目，更加直觀和深入的理解電力系統(tǒng)。在進行工程教育專業(yè)認證的背景下，以全新的工程教育標準對電力系統(tǒng)綜合實驗教學進行全面改革，對于學生提升從全局角度系統(tǒng)認識理解電力系統(tǒng)的觀念、激發(fā)自主學習和創(chuàng)新的意識、培養(yǎng)綜合運用專業(yè)知識解決工程問題的能力具有重要意義。

1 電力系統(tǒng)綜合實驗教學現(xiàn)狀

我校自2000年開設(shè)電力系統(tǒng)綜合實驗課程以來，電力系統(tǒng)綜合實驗作為融合多門交叉學科知識、專業(yè)綜合能力要求較高的重要實踐環(huán)節(jié)，對學生專業(yè)知識應(yīng)用能力的培養(yǎng)起到了非常積極的作用。但基于工程教育專業(yè)認證的標準和要求，在一些方面仍然存有待解決的問題。

(1) 實驗項目內(nèi)容不夠充實，工程背景不夠突出。原有實驗項目的制定大多依據(jù)課堂教學理論基礎(chǔ)知識，沒有完全依據(jù)工程教育認證的標準，項目內(nèi)容與工程實踐背景結(jié)合不夠緊密，不能充分培養(yǎng)和提升學生利用所學專業(yè)知識解決實際工程問題的能力。

(2) 實驗教學模式相對單一。單純將“教師講解+學生操作+結(jié)果分析”的傳統(tǒng)實驗教學模式應(yīng)用于原有實驗課程，不能充分調(diào)動學生實驗環(huán)節(jié)自主學習的積極性，不利于激發(fā)學生實驗環(huán)節(jié)獨立思考和創(chuàng)新性，難以完全滿足工程教育專業(yè)認證對學生綜合能力全面培養(yǎng)的需求。

(3) 實驗考核形式不夠全面有效。原來所采用的“實驗預(yù)習+實驗操作+實驗報告”的實驗項目考核形式，在傳統(tǒng)實驗教學評分中具有相對明確且易于操作的優(yōu)勢，但面對工程教育專業(yè)認證對于過程考核、多點能力考核和區(qū)分度考核的要求則顯露出不足，不能全面有效評判學生學習效果。

(4) 實驗資源使用安排不夠合理。根據(jù)原有實驗項目內(nèi)容的安排設(shè)置，實驗室配套的實驗平臺中許多實驗資源未被有效使用和開發(fā)。同時，受到傳統(tǒng)規(guī)定式教學計劃的制約，會出現(xiàn)實驗平臺不同時間段或超負荷或空閑的突變使用，不利于實驗設(shè)備的有效利用和保養(yǎng)維護，也不利于教師的合理安排和協(xié)調(diào)。

2 教學改革思路及目標

工程教育專業(yè)認證要考察專業(yè)在學生、培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、課程體系、持續(xù)改進、師資隊伍、支持條件等方面的整體情況[7]?；陔姎夤こ碳捌渥詣踊瘜I(yè)“電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用研究型高級工程技術(shù)人才”的本科人才培養(yǎng)定位，要求畢業(yè)生具備寬廣的自然科學基礎(chǔ)、扎實的電氣工程專業(yè)基礎(chǔ)和技能，能夠在電力系統(tǒng)、電能變換、工業(yè)控制等技術(shù)領(lǐng)域，從事系統(tǒng)分析、工程設(shè)計、技術(shù)試驗、產(chǎn)品開發(fā)、工程技術(shù)管理等工作；工程實踐能力強，能夠適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)需要；具有良好的品德修養(yǎng)和人文素養(yǎng)，具有較強的人際交流、團隊合作和終身學習能力，富于創(chuàng)新精神。

結(jié)合工程教育專業(yè)認證的要求，課程系統(tǒng)中的每門課程均需完成畢業(yè)要求的一定指標點，以共同支撐畢業(yè)要求，從而完成培養(yǎng)目標[7]。根據(jù)電氣工程及其自動化專業(yè)2015最新修訂版畢業(yè)要求，表1列出電力系統(tǒng)綜合實驗課程能力矩陣(即本課程與畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度矩陣)匯總信息點，此處僅列到一級指標點，1級指標點下還設(shè)有2級指標點用以細化能力矩陣。從課程能力矩陣可以看出，作為課程系統(tǒng)中極其重要的實踐環(huán)節(jié)，電力系統(tǒng)綜合實驗課程需從專業(yè)基礎(chǔ)知識、專業(yè)工程技能、工程綜合運用能力和工程素養(yǎng)等方面完成對學生的工程綜合能力培養(yǎng)。

表1 電力系統(tǒng)綜合實驗課程與畢業(yè)要求一級指標點關(guān)聯(lián)度

面向工程教育專業(yè)認證的電力系統(tǒng)綜合實驗教學改革緊扣“以學生為中心、成果為導向、持續(xù)改進”的思路[8-9]，立足畢業(yè)要求、課程體系和本課程特點，細化課程目標。需要學生通過電力系統(tǒng)綜合實驗課程的學習，更加深入理解整個電力系統(tǒng)的組成及運行，學習檢索查閱手冊規(guī)范及技術(shù)資料的技能、掌握實驗平臺基本原理及相應(yīng)設(shè)備或軟件的使用操作、通過團隊協(xié)作進行實驗方案的討論構(gòu)思設(shè)計和實施，注重培養(yǎng)綜合運用電力專業(yè)理論知識解決實際工程問題的能力，提升自主學習和創(chuàng)新意識。

結(jié)合電力系統(tǒng)綜合實驗課程現(xiàn)狀及問題分析，構(gòu)建模塊化-階梯型教學內(nèi)容體系，積極拓展多樣化教學模式，建立合理有效的考核及反饋機制，力爭基于一系列教學改革措施實現(xiàn)本課程對所對應(yīng)畢業(yè)要求指標點的全覆蓋和有力支撐，從而進一步支撐專業(yè)培養(yǎng)目標，滿足工程教育專業(yè)認證的相應(yīng)要求。

3 教學改革方案

3.1 構(gòu)建模塊化-階梯型教學內(nèi)容體系

基于電力系統(tǒng)綜合實驗課程的多學科知識交叉性、能力運用綜合性和工程訓練實踐性的特點，融合工程教育專業(yè)認證理念，構(gòu)建模塊化-階梯型教學內(nèi)容體系[10-11]。

模塊化-階梯型教學內(nèi)容體系打破了傳統(tǒng)的固定實驗項目形式，將實驗項目選題進行模塊化設(shè)計，同時根據(jù)難易度進行階梯型分類(基礎(chǔ)驗證型、專業(yè)設(shè)計型和綜合創(chuàng)新型)，構(gòu)建出模塊化-階梯型電力系統(tǒng)綜合實驗項目庫?；A(chǔ)驗證型項目為入門級實驗項目，實驗指導書中有明確的實驗要求、步驟及說明等，用于學生了解實驗平臺功能、熟悉基本原理及掌握基本操作；專業(yè)設(shè)計型項目為進階級實驗項目，選題針對實驗平臺中結(jié)合工程實踐且難度適中的功能，只提出實驗要求，學生需分組討論、構(gòu)思、設(shè)計實驗方案，并完成實驗操作；綜合創(chuàng)新型項目為高級別實驗項目，利用專業(yè)科研平臺研究成果或通過學生導師引導學生自行設(shè)計實驗項目選題，團隊協(xié)作完成實驗項目的題目設(shè)計、方案討論構(gòu)思、實施操作及答辯。

基于現(xiàn)有實驗室平臺資源，融合工程教育理念，實驗項目選題不再僅是針對某一理論的單純性驗證或簡單性設(shè)計的項目內(nèi)容，還涵蓋通過方案設(shè)計解決實際工程問題的項目內(nèi)容。依據(jù)電力系統(tǒng)綜合實驗課程教學大綱要求，充分考量課程對相應(yīng)畢業(yè)要求指標點的支撐情況，實驗項目選題涉及電力系統(tǒng)的設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)度、監(jiān)控、運行、控制及二次設(shè)備調(diào)節(jié)、測量、保護的理論和技術(shù)，融合電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、電力系統(tǒng)繼電保護、電力系統(tǒng)自動裝置、變電站綜合自動化等多門專業(yè)課的相關(guān)知識點。

現(xiàn)已構(gòu)建完成的電力系統(tǒng)綜合實驗?zāi)K化-階梯型教學內(nèi)容體系主要包括5個主實驗項目模塊，分別為電力系統(tǒng)自動裝置綜合實驗項目模塊、配電網(wǎng)靜態(tài)模擬及微機保護設(shè)計實驗項目模塊、常規(guī)三相四線制系統(tǒng)設(shè)計及綜合監(jiān)測實驗項目模塊、數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)及閉環(huán)110 kV線路保護實驗項目模塊和電網(wǎng)虛擬仿真綜合設(shè)計實驗項目模塊。依據(jù)階梯型設(shè)計思路，每個主實驗項目模塊下面還設(shè)置出具有不同類別的子實驗項目(包含基礎(chǔ)驗證型、專業(yè)設(shè)計型和綜合創(chuàng)新型)。圖1所示為電力系統(tǒng)綜合實驗?zāi)K化-階梯型教學內(nèi)容體系構(gòu)成，并以電力系統(tǒng)自動裝置綜合實驗主實驗項目模塊為例展開說明模塊化-階梯型的具體構(gòu)成形式。

圖1 電力系統(tǒng)綜合實驗?zāi)K化-階梯型教學內(nèi)容體系

電力系統(tǒng)綜合實驗?zāi)K化-階梯型教學內(nèi)容體系中，每個實驗項目均有明確詳細的實驗學時、實驗類別、實驗內(nèi)容及實驗要求等說明，學生根據(jù)此課程所需實驗學時及實驗類別自行進行選擇。在充分利用現(xiàn)有實驗平臺資源、推進工程教育改革的工作上，電力系統(tǒng)綜合實驗?zāi)K化-階梯型教學內(nèi)容體系的構(gòu)建開展了有益探索和實踐。

3.2 教學模式多樣化

依托國家級實驗教學示范中心平臺和河北省電力電子重點實驗室平臺，在面向工程教育認證的電力系統(tǒng)綜合實驗教學改革中，嘗試采用多樣化的教學模式，以豐富教學資源、拓展教學手段和推進教學成果。

(1) 虛擬仿真和實體操作實驗手段相結(jié)合

本實驗室可提供WDT-IIIC電力系統(tǒng)綜合自動化試驗臺、PS-7G型電力系統(tǒng)微機監(jiān)控試驗臺、配電網(wǎng)靜態(tài)模擬綜合仿真實驗屏、110 kV線路保護屏、KLD-9300綜合自動化系統(tǒng)和電能綜合監(jiān)測實驗臺等系列實驗設(shè)備，用于開設(shè)相應(yīng)的實體操作型實驗項目，使學生通過實際操作對電力系統(tǒng)運行等知識有系統(tǒng)性的感性認識。

同時，針對電力系統(tǒng)的特殊性，對于無法直接進行實體操作的部分，引進虛擬仿真技術(shù)，用于模擬電力系統(tǒng)實時運行及性能分析等環(huán)節(jié)，彌補缺乏實體操作型實驗的不足[12]?，F(xiàn)有實驗平臺可提供變電站仿真實驗系統(tǒng)、電力系統(tǒng)動態(tài)實時仿真系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度虛擬仿真培訓系統(tǒng)軟件等一系列虛擬仿真實驗資源。

(2) 項目式教學形式。依據(jù)工程教育模式的思路，引入新型項目式實驗教學形式[13]。學生分組選擇實驗項目后，對于專業(yè)設(shè)計型和綜合創(chuàng)新型實驗項目，不再采用“教師講解+學生操作+結(jié)果分析”的傳統(tǒng)實驗形式，學生需要以團隊的形式完成“討論設(shè)計+方案實施+展示驗收”的實驗全過程。學生從被動操作的角色轉(zhuǎn)化為主動參與設(shè)計的角色，積極調(diào)動學生實驗的自主創(chuàng)新能力

在實驗過程中指導教師幫助學生制定方案設(shè)計的合理性和可行性，監(jiān)控實驗操作實施的規(guī)范性和安全性，考核實驗設(shè)計的難易度和實驗結(jié)果的準確度。在整個實驗環(huán)節(jié)中，學生完全處于主導地位，自己發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題，有效培養(yǎng)和提高學生綜合運用學科知識解決工程問題的能力。

(3) 網(wǎng)絡(luò)化輔助教學平臺。為了更加合理有效利用實驗平臺資源、調(diào)配師資和開放實驗平臺信息，建立網(wǎng)絡(luò)化輔助教學平臺。

網(wǎng)絡(luò)化輔助教學平臺提供實驗項目信息在線查閱、預(yù)約實驗時間和實驗平臺資源共享等功能。通過網(wǎng)絡(luò)化輔助教學平臺，學生可檢索電力系統(tǒng)綜合實驗的全部信息，根據(jù)實驗要求分組后在實驗項目庫中選擇實驗項目，在規(guī)定時間內(nèi)自由選擇實驗時間，制定出實驗進度計劃，根據(jù)計劃提前查閱開放的實驗項目信息，做好實驗前預(yù)習工作；同時，實驗完成后也可根據(jù)平臺資源進行實驗課后練習或拓展性訓練。教師利用此網(wǎng)絡(luò)化輔助教學平臺，可有效調(diào)配師資和實驗設(shè)備資源，更及時完成實驗前一系列準備工作，更高效地開展實驗教學工作。

3.3 建立合理有效的考核及反饋機制

在工程教育專業(yè)認證的背景下，對學生的專業(yè)基礎(chǔ)知識、專業(yè)工程技能、工程綜合運用能力和工程素養(yǎng)等的考核已不能采用傳統(tǒng)“實驗預(yù)習+實驗操作+實驗報告”的簡單評分形式，需要探索考核的新思路[14]。

面向工程教育專業(yè)認證的電力系統(tǒng)綜合實驗考核機制，立足于本課程專業(yè)能力矩陣中指標點設(shè)置考核評分點，依據(jù)對各指標點支撐強度分配考核評分點占比(即貢獻度)，關(guān)注于考核規(guī)范性和可操作性制定可細化分級的評分標準。通過考核機制的改革，可以實現(xiàn)對學生實驗的過程考核，嚴格把控學生的實驗參與度和實驗效率，合理有效地評價學生的專業(yè)基礎(chǔ)知識、專業(yè)工程技能、工程綜合運用能力和工程素養(yǎng)，在一定程度上激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)造性，進一步培養(yǎng)和提高其解決實際工程問題的能力。

本實驗教學根據(jù)實驗項目分類(基礎(chǔ)驗證型、專業(yè)設(shè)計型和綜合創(chuàng)新型)，針對相應(yīng)考核評分點，依據(jù)細化的評分標準對每個考核評分點進行分類打分，再結(jié)合評分點占比加權(quán)匯總出每個學生的考核總成績。對于每個考核評分點和對應(yīng)指標點類別下面還設(shè)有更細化的二級信息，以便更加準確合理地進行分級評定考核(此處僅列出一級考核分類信息),見表2。

表2 電力系統(tǒng)綜合實驗課程考核一級分類信息

工程教育專業(yè)認證關(guān)注于將“持續(xù)改進”貫穿始終[15-16]。因此，在電力系統(tǒng)綜合實驗教學改革中，構(gòu)建反饋機制用以指導“持續(xù)改進”具有重要意義。構(gòu)建完成的電力系統(tǒng)綜合實驗教學反饋機制中，用于分析的數(shù)據(jù)源基于每個學生此實驗課程的考核結(jié)果，通過對每個學生考核結(jié)果分項得分的加權(quán)匯總，可以得出每個班級乃至整個年級此實驗課程教學對應(yīng)支撐各項指標點的定量達成度。同時，輔以學生問卷調(diào)查及后續(xù)課程反饋等方式增加反饋機制數(shù)據(jù)信息。在電力系統(tǒng)綜合實驗教學反饋機制中，通過對課程考核結(jié)果的定量統(tǒng)計和調(diào)查反饋的定性補充分析，綜合得出此實驗課程最終的目標達成度，用以指導和制定后續(xù)課程的改進措施，如調(diào)整實驗?zāi)繕恕嶒瀮?nèi)容、實驗?zāi)Ｊ胶蛯嶒灴己朔绞降龋瑢ⅰ俺掷m(xù)改進”真正落實到實驗教學的各個環(huán)節(jié)。

4 結(jié) 語

面向工程教育專業(yè)認證的電力系統(tǒng)綜合實驗教學改革已經(jīng)實踐應(yīng)用于2011至2013級電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學生的教學，從課程考核和反饋機制的定量數(shù)據(jù)、學生課堂反響和測評結(jié)果的定性分析來看，一系列教改措施效果已經(jīng)逐步顯現(xiàn)。貼近工程實踐的實驗項目選題、靈活多樣的實驗形式、豐富開放的實驗平臺資源、合理有效的考核，有效調(diào)動了學生實驗的積極性和創(chuàng)新性，增強了學生的團隊協(xié)作意識，對于培養(yǎng)和提升學生解決工程問題的能力起到了積極促進作用。但與此同時，學生選題難度把控不足、工程認知缺乏等問題也需要在后續(xù)教學中不斷改進和完善。

我校電氣工程及其自動化專業(yè)已通過教育部授權(quán)的中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會的工程教育專業(yè)認證初審，即將于今年底接受專家入校評估。在面向工程教育專業(yè)認證的電力系統(tǒng)綜合實驗教學改革中，模塊化-階梯型教學內(nèi)容體系、多樣化教學模式、合理有效的考核及反饋機制等有益嘗試，對于推動我專業(yè)的工程教育認證工作以及后續(xù)的“持續(xù)改進”起到了積極作用，也可以為其他應(yīng)用型本科工程教育教學改革提供有益的參考。