韓永森 程嵩 夏云彥

摘? ? 要：工程教育專業(yè)認證有助于高等工程教育質(zhì)量的提升。以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，分析工程教育專業(yè)認證背景下“電力系統(tǒng)過電壓”課程教學(xué)現(xiàn)狀，并從教學(xué)內(nèi)容多元化、多種教學(xué)方式融合、注重微課題研究、加強仿真軟件的應(yīng)用等方面提出“電力系統(tǒng)過電壓”教學(xué)改革的策略，旨在豐富課程教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，從而滿足工程教育的要求。

關(guān)鍵詞：工程教育;電力系統(tǒng)過電壓;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2020）07-0007-02

高等工程教育以解決復(fù)雜工程問題的高級工程技術(shù)人才為培養(yǎng)目標(biāo)[1]。工程教育專業(yè)認證是國際通行的高等工程教育質(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)[2]。哈爾濱理工大學(xué)積極將工程教育專業(yè)認證理念引入到高等教育教學(xué)改革中，并且取得了較好的教學(xué)效果[3-4]。哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動化等多個專業(yè)已經(jīng)通過了中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會的認證，是專業(yè)人才培養(yǎng)模式和培養(yǎng)質(zhì)量獲得社會認可的重要標(biāo)志。

“電力系統(tǒng)過電壓”是電氣工程及其自動化專業(yè)的主要專業(yè)課之一，主要研究電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程、雷電過電壓及內(nèi)部過電壓三部分，與生產(chǎn)實踐密不可分。該課程知識還在本科生就業(yè)考試與研究生入學(xué)復(fù)試中占有很大的比重。但是，該課程目前主要以理論課和教師講授為主。如何在有限的理論學(xué)時條件下不斷提高面向工程教育的“電力系統(tǒng)過電壓”課程的教學(xué)質(zhì)量，是授課教師普遍面臨的挑戰(zhàn)。

一、“電力系統(tǒng)過電壓”教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)內(nèi)容單一

“電力系統(tǒng)過電壓”課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握過電壓的形成機理以及防護措施，分析和解決實際電力系統(tǒng)中的過電壓問題。目前，該課程主要圍繞著《電力系統(tǒng)過電壓》教材展開關(guān)于電磁暫態(tài)過程、雷電過電壓和內(nèi)部過電壓的理論分析和計算[5]，缺少必要的過電壓工程案例和教學(xué)案例，教學(xué)內(nèi)容單一、抽象。例如，在講解空載輸電線路的分閘過電壓時，教材中的電路原理圖非常簡單，多數(shù)學(xué)生表示教材內(nèi)容過于抽象，很難理解所形成過電壓波形的變化規(guī)律，使得學(xué)生無法將課程內(nèi)容與實際工程應(yīng)用聯(lián)系到一起。

（二）板書教學(xué)方式呆板

本課程長期采用板書教學(xué)方式，有利于詳細地推導(dǎo)公式，突出過電壓的重點內(nèi)容，幫助學(xué)生理解過電壓的形成機理，也是學(xué)生普遍喜歡的一種教學(xué)方式。但是，這種教學(xué)方式也存在著文字描述枯燥和理論推導(dǎo)繁瑣等缺點，很難直觀、形象地描述某些過電壓現(xiàn)象，比如雷電過電壓的形成過程。教師在黑板上給出的簡化版雷電過電壓形成示意圖，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對知識的吸收效果比較差。

（三）缺少實踐環(huán)節(jié)

該課程以理論教學(xué)和教師講授為主，學(xué)生被動地接收過電壓知識，很少有機會主動地參與到課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，不符合工程教育“以學(xué)生為中心”的理念。

該課程涵蓋電力系統(tǒng)內(nèi)傳輸線、變壓器、電機和避雷器等設(shè)備過電壓的產(chǎn)生和保護知識。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，有必要建立過電壓實驗系統(tǒng)。然而，由于涉及的電力設(shè)備多，實驗成本高，在學(xué)校內(nèi)很難建立起完備的過電壓實驗系統(tǒng)。此外，過電壓的電壓等級很高，學(xué)生實際操作的危險性也很高。簡言之，學(xué)生對過電壓知識的理解和認知幾乎不能通過實驗方式獲得，不能實際地了解過電壓形成的具體過程，不利于培養(yǎng)

學(xué)生的工程思維能力。

二、“電力系統(tǒng)過電壓”教學(xué)改革策略

為了提高 “電力系統(tǒng)過電壓”課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，從教學(xué)實際情況出發(fā)，堅持以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，對該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面進行了改革。

（一） 教學(xué)內(nèi)容多元化

在“電力系統(tǒng)過電壓”教學(xué)過程中，注重理論分析與實際工程應(yīng)用的結(jié)合。在過電壓理論教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引入工程案例和教學(xué)案例，以此豐富教學(xué)內(nèi)容，促進教學(xué)內(nèi)容的多元化。

將實際電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓問題整理成工程案例。例如，根據(jù)2018年中國電力科學(xué)研究院關(guān)于雷電過電壓引起的故障統(tǒng)計報告，可以得知2017年度內(nèi)雷電過電壓引起的跳閘頻率（全國線路雷擊跳閘156次，跳閘率為0.086次/百公里·年）、雷電流幅值大小以及輸電線路中所采用的防雷措施（比如，明確接地極線路絕緣子片數(shù)優(yōu)化提升至5片），進而可以制作出雷電過電壓對輸電線路的危害和保護措施的工程案例。將其應(yīng)用于實際教學(xué)中，有利于學(xué)生將理論知識與工

程實際問題聯(lián)系起來，加深學(xué)生對雷電過電壓的危害

及其保護知識的理解。

教學(xué)案例有利于促進學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，針對空載輸電線路分閘過電壓的教材內(nèi)容，以某750kV交流高壓輸電線路的空載分閘過電壓為基礎(chǔ)制作教學(xué)案例。在電磁暫態(tài)仿真軟件上，建立描述該輸電線路分閘過電壓的模型，并且將模型運行結(jié)果演示給學(xué)生，使學(xué)生能夠直觀地感受到分閘過電壓的形成過程。教師可以圍繞著教學(xué)案例提出問題。比如，輸電線路的長度增加時，空載分閘過電壓將會如何變化？采用什么措施能夠抑制空載分閘過電壓？讓學(xué)生結(jié)合仿真模型，回答教學(xué)案例的問題，培養(yǎng)學(xué)生工程問題的分析能力。

（二） 多種教學(xué)方式融合

在板書教學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合多媒體教學(xué)，給學(xué)生形象地展示過電壓引起的故障及其對電力設(shè)備的破壞程度，讓學(xué)生更容易理解過電壓現(xiàn)象及其危害，從而提高教學(xué)效率。在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師精選一部分過電壓知識留給學(xué)生進行課堂討論，更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（三）注重微課題研究

微課題是教師對日常教育教學(xué)問題的整理和歸納，是課程教學(xué)中的微型科研問題。微課題的設(shè)置有助于豐富教學(xué)內(nèi)容，也利于開闊學(xué)生的專業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力[6]。微課題的目的是充分發(fā)揮學(xué)生的主動性、想象力和創(chuàng)造力，鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力。

微課題題目的設(shè)置以“電力系統(tǒng)過電壓”課程的教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，題目難度適中，適合學(xué)生進行微課題的研究。例如，在講解直角波電壓作用下變壓器繞組內(nèi)的暫態(tài)過程時，可以設(shè)置一個題目為“沖擊電壓作用下變壓器繞組內(nèi)的暫態(tài)過程”的微課題。通過設(shè)置與所學(xué)內(nèi)容相似的微課題，能夠促進學(xué)生將所學(xué)到的知識應(yīng)用到實際問題中，提高學(xué)生的知識掌握和運用能力。

“電力系統(tǒng)過電壓”課程的每部分內(nèi)容是由2—3個章節(jié)組成的。例如，電磁暫態(tài)基礎(chǔ)部分是由集中參數(shù)電路、長線路和變壓器繞組內(nèi)的電磁暫態(tài)過程三個章節(jié)組成的。該課程總共包括8個章節(jié)。因此，我們根據(jù)每章的重要知識點，在每章都設(shè)置了一個微課題題目，這樣的題目設(shè)置不僅使微課題題目覆蓋了全部教學(xué)內(nèi)容，而且便于學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好靈活地選擇題目以開展微課題研究。

學(xué)生可以采用理論計算、仿真模擬和多媒體制作等不同方式進行微課題的研究。例如，題目為“輸電線路的感應(yīng)雷電過電壓的形成”的微課題，學(xué)生可以采用理論計算的方式對輸電線路上感應(yīng)雷電過電壓進行定量分析，也可以采用有限元仿真軟件對感應(yīng)雷電過電壓進行仿真模擬，甚至可以通過生動、形象的動畫或者視頻方式演繹感應(yīng)雷電過程的形成過程。

（四）加強仿真軟件的應(yīng)用

為了彌補電力系統(tǒng)過電壓難以開展實驗研究的教學(xué)不足，有必要讓學(xué)生掌握電磁暫態(tài)仿真軟件的使用方法，通過虛擬仿真的方式加強學(xué)生對過電壓問題的理解。在講解教學(xué)案例時，教師適當(dāng)?shù)財U充電磁暫態(tài)仿真軟件的基本操作。Matlab是數(shù)值計算和圖形處理功能豐富的軟件，且其子模塊simpowersystems為電力系統(tǒng)的仿真提供了豐富的虛擬電氣設(shè)備，諸如變壓器、發(fā)電機和輸電線等。通過該仿真軟件，學(xué)生可以像搭電路一樣建立過電壓模型，通過合理的參數(shù)設(shè)置和正確的程序調(diào)試就能夠獲得較好的仿真結(jié)果，幫助學(xué)生切身地感受過電壓的實際效果。

學(xué)生采用仿真模擬的方式進行微課題研究時，仿真軟件的熟練運用程度是微課題順利進行的必要保障。通過查找文獻資料，仿真軟件運用熟練的學(xué)生能夠快速、準確地建立微課題涉及到的過電壓仿真模型，并且能夠有條不紊地進行參數(shù)調(diào)試，能夠較好地獲得預(yù)期仿真結(jié)果。仿真軟件的應(yīng)用能夠加深學(xué)生對過電壓知識的理解，提升學(xué)生解決較復(fù)雜工程問題的能力。

（五）建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

我們通過超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)了“電力系統(tǒng)過電壓”課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。該教學(xué)平臺主要由課件、簽到、作業(yè)、討論和資料五個版塊構(gòu)成。在課件版塊，我們主要提供課程教學(xué)的PPT課件，為學(xué)生的預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)提供參考。在簽到版塊，學(xué)生可以進行簽到。該版塊的作用是督促學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進行預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)。在作業(yè)版塊，教師發(fā)布課后作業(yè)，并且讓學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)提交作業(yè)。當(dāng)達到規(guī)定時間，該版塊會自動發(fā)布標(biāo)準答案。每次作業(yè)設(shè)置一定的分值，學(xué)生按照作業(yè)完成質(zhì)量獲得相應(yīng)的成績。在討論版塊，學(xué)生可以與教師或者其他同學(xué)進行課程教學(xué)內(nèi)容討論，例如學(xué)生可以將微課題實施過程中有疑惑的地方與教師進行討論，這樣有利于加強學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的交流。在資料版塊，教師上傳課程學(xué)習(xí)資源（包括仿真軟件使用幫助、微課題相關(guān)文件和仿真程序等），學(xué)生能夠方便地下載課程學(xué)習(xí)資料。

雖然我們以課上教學(xué)為主體，但是該課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的建設(shè)是本課程的重要教學(xué)輔助工具。通過該教學(xué)平臺，學(xué)生能夠隨時隨地進行自主學(xué)習(xí)，掌握本課程的教學(xué)動態(tài)，滿足其個性化的學(xué)習(xí)需求。

三、結(jié)論

本文堅持工程教育理念，通過多種途徑對“電力系統(tǒng)過電壓”課程進行了教學(xué)改革。教學(xué)改革體現(xiàn)了學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向的思想，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，加強學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，有助于提高教學(xué)質(zhì)量，為高等工程教育的專業(yè)課程改革提供一定理論與實踐參考。

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