劉 毅，常文平，朱妍雯，周迎迎，張 銳

(河南工學院電氣工程與自動化學院，河南新鄉(xiāng)，453003)

一、引言

CDIO理念是由三所大學的教授組成的跨國研究組共同開發(fā)研究的工程教育模式，其目的是使學生既能接受理論方面的教育，又能掌握相關企業(yè)需求的專業(yè)實踐能力。[1]CDIO 代表構思(conceive)、設計(design)、實現(implement)和運行(operate)，其以產品、過程和系統(tǒng)的構思、設計、 實施、運行全生命周期為背景的教育理念為載體，讓學生主動獲取理論與實踐相結合的工程知識。但是，該理念提供的是一種通用的方法，沒有針對某個行業(yè)或某門課程的具體應用。

MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程綜合性和實踐性較強，學生不僅要熟練掌握電力系統(tǒng)分析的方法，還要學習MATLAB軟件的使用和仿真電路調試，這就導致學生的學習興趣普遍不高，課堂互動性和學習效果不好。如何營造良好的課堂學習氣氛，提高學生的學習主動性，成為課程教學的重點。因此，本研究根據培養(yǎng)目標的能力要求，結合傳統(tǒng)理論講授的基礎，按照 CDIO 工程教育模式中構思、設計、實現、運行四個步驟，對課程進行全面改革，以期為培養(yǎng)適應現代電力行業(yè)發(fā)展需求的實用型人才，提高學生的實踐能力提供參考。

二、教學現狀和存在的問題

MATLAB與電力系統(tǒng)仿真是電氣工程專業(yè)的基礎課程。該課程是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析課程的基礎上，隨著計算機技術在電力系統(tǒng)中的發(fā)展與融合而產生的。MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程一般與電力系統(tǒng)分析課程共同開設，其運用MATLAB軟件，將傳統(tǒng)理論課堂講授與現代仿真軟件結合起來，快速且精確地計算電力系統(tǒng)的參數，分析電力系統(tǒng)的特性，培養(yǎng)學生理論聯系實際，積極運用現代仿真軟件解決工程實際問題的能力。[2]

目前，MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程的教學過程主要存在以下三個問題。第一，教師的主體地位過于顯著，雖然各高校都在積極尋找創(chuàng)新型教學方式，但由于課程需要用到大量的算法，教師的理論講解仍具有重要作用。第二，課程綜合性能強，涉及電力系統(tǒng)分析、數值計算、編程語言等內容，同時數學算法和計算機技術發(fā)展迅速，而課程教學內容又無法及時更新，導致課程內容老舊，不能滿足企業(yè)的需求。第三，在學習MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程之前，學生需要掌握較多先導課程的基本原理和分析方法，數學公式推導煩瑣枯燥，基礎知識掌握不夠牢固的學生進行課程學習時需要不斷復習和查閱資料，其學習的興趣和積極性難以調動，且雖然課程實踐環(huán)節(jié)結合實例進行練習，但實例大多來自書本，并不能真正發(fā)揮學生在實踐環(huán)節(jié)的主觀能動性。

由此可見，MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程的專業(yè)性強，既有理論課性質，又與工程實踐具有緊密聯系，同時涵蓋大量分析計算的理論知識和仿真軟件的工程實踐知識，知識點涉及廣，對學生的綜合能力有較高的要求。

三、教學方法改革

基于MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程的特點，本研究在課程中融入CDIO工程教育理念，以項目教學法為實施方法，通過一個完整的項目培養(yǎng)學生的思維能力和知識能力，提高工程實踐能力。融入CDIO工程教育理念的教學過程自主性和實踐性強，舍去了煩瑣的理論教學過程，有針對性地關注結論的應用，項目目標制定適應行業(yè)發(fā)展和企業(yè)需求。[3]融入 CDIO 理念的MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程教學改革總體框架如圖1所示。

圖1 課程改革框架

(一)項目構思

教師要求學生列出MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程的基本知識，引導學生在課外自主復習，結合重點知識對理論性強、知識范圍廣泛的內容進行回顧、梳理、歸納。同時，教師精簡教學內容，把握章節(jié)重難點，鼓勵學生以課程之間相互承接互聯的方式進行專業(yè)課的學習，并將3—5名學生分為一組，組織學生在組內討論總結的知識點，引導學生發(fā)現問題。

以輸電系統(tǒng)仿真為例，教師給出仿真模型參數，組織學生分小組羅列出系統(tǒng)必須滿足的基本運行條件，將系統(tǒng)分成不同的模塊，提出相應的性能指標。這一環(huán)節(jié)的目的在于引導學生轉換課堂角色，發(fā)現問題，了解模型搭建過程的關鍵問題和核心環(huán)節(jié)。[4]

(二)項目設計

針對項目構思中發(fā)現的問題，學生進行理性分析，建立理論知識與實踐環(huán)節(jié)之間的聯系，將問題任務拆分成具體的環(huán)節(jié)進行討論和分析。[5]項目設計過程要求學生綜合運用構思過程中列出的獨立理論知識，通過查閱資料、分析問題和歸納總結，完成合理的項目設計。教師在項目設計中的基本任務是啟發(fā)、引導和討論，鼓勵學生通過思考和討論的方式對設計環(huán)節(jié)進行探索。

例如，教師引導學生綜合運用所學理論知識完成輸電系統(tǒng)仿真模型搭建方案設計，選擇合適的算法進行參數計算，進一步鼓勵學生對過程中方案設計存在的不足提出可行的解決辦法，充分發(fā)揮學生的潛力。這一過程旨在觀察學生對知識的理解和運用能力，實現理論到實踐的轉化。[6]

(三)項目實現

教學項目實現旨在鍛煉學生解決問題的能力。教師引導學生對問題進行分類，不要過度關注問題本身所涉及的理論知識，而要針對問題類型尋找解決問題的辦法，如是否有合適的算法公式可以用于參數計算、是否有相應的工具可以用于完成系統(tǒng)仿真，一般問題都可以通過這個過程解決。如果沒有合適的算法和工具，教師就要鼓勵學生自己改進算法、編寫程序，實現項目要求。[7]

項目實現的過程就是理論轉化為實踐的過程。大多數學生理論知識掌握較好，實踐能力較差，教師就要引導學生逐一轉化問題，拆分問題難度，鍛煉學生解決實際工程問題的能力。通過項目構思、項目設計和項目實現三個步驟，學生需要對本章節(jié)整體知識點進行宏觀理解，通過提高項目的綜合性、設計性和創(chuàng)新性，進一步增強學生對知識點的運用能力，提高學習效果。

(四)項目運行

項目運行是CDIO理念至關重要的一個環(huán)節(jié)。項目構思、項目設計和項目實現三個步驟旨在完成理論知識到工程實踐的轉化，而項目運行是CDIO理念的核心。[8]CDIO工程教育模式旨在滿足企業(yè)對人才的要求和需求，項目運行則是把項目實現的成果應用到企業(yè)與社會生產中，轉化為經濟效益，最終實現產學研相結合的教學模式。工程教育不僅要實現學科教育和實踐能力培養(yǎng)，還要重視企業(yè)和社會對人才的需求。

項目運行可以將項目分步分級別適應不同知識層次，分別設計完成項目的三個步驟：第一步完成核心基礎知識的練習和使用，是基本知識點的理解和應用；第二步完成章節(jié)整體知識點的綜合，實現一個功能較為完整的系統(tǒng)模型的搭建；第三步完成服務企業(yè)需求的工程，設置配套的服務，針對企業(yè)具體問題進行改進。通過以上劃分，整個項目的實施過程就能形成有機整體。

四、教學內容改革

CDIO教育模式的關鍵是如何將理論知識與工程實踐緊密結合。為適應項目教學法的實施，合理改革教學內容成為保證課程教學效果的首要任務。完全不進行理論教學，只進行項目教學，會讓學生無從下手，學習更吃力。反之，理論教學過多，也會影響課程改革效果。因此，只有轉變教學內容，將課程教學內容分為理論教學、項目教學和創(chuàng)新能力教學三個部分，合理分配教師理論教學和學生自主學習，才能更好地發(fā)揮CDIO教育模式的作用。

(一)理論教學內容

理論教學主要針對教學大綱要求的理論內容由教師進行講授。傳統(tǒng)的教學方式按照課本的章節(jié)逐個講解知識點，為適應CDIO教育模式下的項目教學方法，本次改革轉變課程章節(jié)順序，根據教學項目的需求進行模塊化教學。理論教學內容的作用轉變?yōu)轫椖拷虒W提供必備的先導知識，而不是系統(tǒng)、詳細地講解課程內容。

以輸電系統(tǒng)仿真為例，教師在理論教學中為學生講解輸電線路等效模型的基本原理、參數調節(jié)的方法、仿真調試的技巧和相關模塊的簡單使用方法等基本知識，方便學生較快地進行項目構思、設計、實現和運行等后續(xù)環(huán)節(jié)的展開，避免項目難度過大而打擊學生學習的自信心。

(二)項目教學內容

項目教學內容根據課程涉及的工程實踐環(huán)節(jié)進行劃分，整體分析課程的核心知識點，結合課程的重點和學生的能力水平，選取規(guī)模合適的項目。教師在實施過程中根據教學的效果和學生的反饋，調整和改進項目內容，進而將項目內容與教學目標和實踐需求緊密結合起來。因此，設計與課程緊密結合的項目是實施課程改革的重點。本次改革結合CDIO教育模式將課程劃分為五個教學項目，每個項目難度適中，滿足教學需求，通過學習通線上平臺開展實施。具體項目內容如下：

項目1：基于MATLAB的電力系統(tǒng)潮流計算。

項目2：基于MATLAB的電力系統(tǒng)故障分析。

項目3：基于MATLAB的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。

項目4：基于MATLAB的微機繼電保護應用。

項目5：基于MATLAB的高壓直流輸電及柔性輸電系統(tǒng)仿真。

(三)創(chuàng)新能力教學內容

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是CDIO教育模式教學的關鍵環(huán)節(jié)。理論教學和項目教學的內容由教師指導，學生主動參與自主學習，創(chuàng)新能力教學則由學生依靠完成每個項目的學習后掌握的知識和能力獨立展開，教師只進行引導和評價成績。創(chuàng)新能力教學不設置固定內容，鼓勵學生進行開放式的創(chuàng)新，能更直接地反映出學生項目學習成果，提高學生的創(chuàng)新能力和自主學習能力。

以輸電系統(tǒng)仿真為例，完成項目教學之后，教師引導學生思考目前輸電系統(tǒng)分析的方法和工具，找尋項目學習過程中各個環(huán)節(jié)、分析手段和系統(tǒng)本身的不足，改進不足的過程就是創(chuàng)新的過程，創(chuàng)新能力教學的目的是提高解決工程實踐問題的能力。

五、教學評價改革

人才培養(yǎng)目標應以企業(yè)需求為向導，課程的考核方式也應隨之調整，激發(fā)學生的學習興趣，讓學生盡量接近實際情境設計教學環(huán)節(jié)。MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程要求學生掌握基本的電力系統(tǒng)分析方法，能根據實際情況搭建合理的系統(tǒng)模型，因此，評價學生學習效果時應將項目實施過程與項目成果結合起來，根據企業(yè)需求設定考核目標。事實上，學生較難接觸到的企業(yè)具體工程項目，參與學科競賽就成為最好的實踐方式，而且競賽需要學生組隊參與，小組內的分工協(xié)作與企業(yè)的工作方式類似，將學科競賽列為課程考核的一項指標有助于激發(fā)學生的學習積極性和主動性。

本次改革形成了相對成熟和完整的評價體系，CDIO教育模式擴大了學生自主學習的空間，為學生提供了實驗室和實踐活動，學生學習形式更加靈活，由此帶來的評價體系改革更加側重于學生在自主學習過程中的工作量的考核。除了平時在課堂學習上的表現，學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和動手能力也成為評價的重要組成部分，在總成績中的比重也更加突出。

學生的課程成績由學科競賽(40%)、項目實施過程(40%)、項目社會需求評價(10%)和個人平時表現(10%)四部分組成。其中，項目實施過程和學科競賽是主要考核內容，旨在激勵學生設計符合社會需求項目目標，注重個人能力培養(yǎng)，以此更為全面地考核學生的綜合能力。四個考核部分的具體內容如表1所示。

表1 課程評價標準

六、CDIO教育模式下MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程教師素質提升

相比傳統(tǒng)的填鴨式教學，基于CDIO教育模式，教師按照教學大綱和課本逐個講解知識點，能更好地激發(fā)學生的內驅力。教師的綜合素質和實踐能力是檢驗其教學能力的重要指標，在組織課堂、教學手段、課堂教學和課后引導學生預習復習等環(huán)節(jié)都會影響學生對課程的理解和應用。在CDIO教育模式下，教師除要具備扎實的理論基礎外，更重要的是要具備依據課程教學重點設計實踐教學環(huán)節(jié)的能力。教師必須在結合大綱的基礎上，以項目和工程的形式發(fā)布課程任務，不僅需要思考課程的知識重點、教學目的、學生能力，還需要在工程實踐過程中加入素質教育，提高學生的團隊精神、組織能力和自學能力。在構建教學項目的過程中，教師的教學手段要足夠豐富，利用社會實踐、調查報告、文獻總結等形式豐富的任務幫助學生全面提升實踐和創(chuàng)新能力。可見，設計一個內容豐富、難易適中、結構合理的教學項目是教師教學的重要任務，項目的完成結果則是教師教學完成度的檢驗標準。學生通過完成教學項目的過程中進行的調查研究、知識點總結、實踐能力的提升和創(chuàng)新能力的提升，是衡量教學效果的必要指標。

為增強課程的吸引力，通過建立學習通課程，本次改革加入了名師精品課程整理優(yōu)秀教學資源，設置任務節(jié)點將復雜的項目劃分成小模塊利用螺旋上升的教學方法幫助學生克服困難建立自信心和自律性。

七、結語

隨著計算機技術的發(fā)展，MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程對電氣工程專業(yè)學生的重要性越來越顯著。工程實踐教育是高校為企業(yè)培養(yǎng)人才的主要方式，將CDIO工程教育理念融入MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程，將教學內容分成不同項目模塊，并將每一個項目拆分成不同層次步驟，有利于更加系統(tǒng)地培養(yǎng)學生工程實踐能力。在整個項目實施過程中，學生從被動變?yōu)橹鲃樱云髽I(yè)需求為任務導向，能夠切實滿足電氣工程行業(yè)對專業(yè)人才的迫切需求。

CDIO教育模式在工科類教學中的優(yōu)越性得到越來越多的關注和肯定。本次改革圍繞CDIO教育理念融入MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課程開展，不僅符合教學大綱要求，而且滿足課程與人才培養(yǎng)方案的支撐度要求。以學生為中心的課程改革符合社會創(chuàng)新企業(yè)的新需求，讓學生能夠通過更多渠道獲取新知識和新能力，保證學生基礎知識和實踐能力的雙重需求。從實踐成果來看，本次改革大大提高了學生自主學習能力、團隊能力和實踐能力，取得較好的教學效果。但是，本次改革也存在一些值得思考和改進的問題：一方面，由于項目任務相比學生具備的基礎能力難度較大，學生想要較好地完成項目需要投入較多時間先學習查找資料、社會調查等，從而讓學生有較多負擔，這就要求教學改革不能只針對一門課，而應在學生入校之初就開始系統(tǒng)地培養(yǎng)；另一方面，目前的實踐教學主要依靠教師個人或教學團隊教師的能力建立，能夠進行的實踐環(huán)節(jié)有限，想要更加全面貫徹CDIO教學理念，還應增加校外實踐環(huán)節(jié)，與企業(yè)緊密聯系。