基于CDIO模式的“高電壓技術(shù)”課程教學(xué)改革與探索

【摘要】高電壓技術(shù)是培養(yǎng)電氣工程及其自動(dòng)化專門人才的一門主要專業(yè)課程，對(duì)于學(xué)生的就業(yè)和未來(lái)發(fā)展起著舉足輕重的作用。本文將CDIO模式應(yīng)用在該課程教學(xué)之中，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。并通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明，基于CDIO的教學(xué)模式不僅為學(xué)生奠定了扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的CDIO能力，取得了很好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】高電壓技術(shù) CDIO模式 創(chuàng)新

【中圖分類號(hào)】C41【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1009-8585(2011)05-0-03

CDIO是國(guó)際創(chuàng)新型工程教育模式，它是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家理工學(xué)院等四所大學(xué)歷經(jīng)四年的研究成果。CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體 ，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO工程教育的理念是充分利用大學(xué)學(xué)科齊全、學(xué)習(xí)資源豐富的條件，以盡可能接近工程實(shí)際，涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、企業(yè)和社會(huì)的團(tuán)隊(duì)綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目為主要載體，以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[1]。

1 高電壓技術(shù)在電氣工程專業(yè)中的地位和作用

高電壓技術(shù)是在20世紀(jì)初為實(shí)現(xiàn)高壓輸電而形成的一個(gè)電氣工程分支學(xué)科，是培養(yǎng)電氣工程及其自動(dòng)化專門人才的一門主要專業(yè)課程。該課程以大學(xué)物理、電路分析、電力系統(tǒng)分析以及電磁場(chǎng)等課程為基礎(chǔ)背景，研究在高電壓、高磁場(chǎng)下絕緣問(wèn)題、高電壓實(shí)驗(yàn)問(wèn)題以及過(guò)電壓防護(hù)問(wèn)題。本課程的課程教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生具有電氣設(shè)備絕緣及其試驗(yàn)和電力系統(tǒng)過(guò)電壓及其防護(hù)兩個(gè)方面的基本概念和主要知識(shí)，使學(xué)生具有一定的從事絕緣、過(guò)電壓及高電壓產(chǎn)生和試驗(yàn)、測(cè)量等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、試驗(yàn)、研究工作的能力。高電壓技術(shù)學(xué)習(xí)關(guān)系到學(xué)生專業(yè)知識(shí)、專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)創(chuàng)新能力的形成和提高，對(duì)于學(xué)生將來(lái)的就業(yè)和未來(lái)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。

我國(guó)高等工科教育的迫切任務(wù)是盡快培養(yǎng)與國(guó)際接軌的中國(guó)工程師，然而我國(guó)工科的教育實(shí)踐中還存在不少問(wèn)題，如重理論輕實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、重視知識(shí)學(xué)習(xí)而輕視開(kāi)拓創(chuàng)新的培養(yǎng)等問(wèn)題。采用CDIO教育模式從理念到課程再到教學(xué)、評(píng)估進(jìn)行整體教育改革，改變傳統(tǒng)教育模式，可提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 CDIO模式下的教學(xué)改革措施

依據(jù)社會(huì)對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的人才需求，參考近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果—CDIO高等工程教育模式，組織高電壓技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容及改革措施，將CDIO模式應(yīng)用在該課程教學(xué)之中，以CDIO理念為根本出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)，可進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。第一，需要轉(zhuǎn)變教師原有的一些授課習(xí)慣、思想和觀念，要將CDIO精神靈活地貫穿在教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中。第二，要將新型的課程質(zhì)量觀傳遞給學(xué)生。第三，在課程質(zhì)量管理方面，還需要進(jìn)一步開(kāi)拓思路，尋求一種能引導(dǎo)和深化課程質(zhì)量的管理方法。

2.1 新型的授課模式

CDIO模式下“高電壓技術(shù)”課程新型授課模式分為三個(gè)層次[2]:

(1) 課堂授課。按照學(xué)校統(tǒng)一的教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃來(lái)授課。

(2) 課外討論。每個(gè)單元理論授課完后老師都布置一些課外討論題目，讓學(xué)生課外討論，教師依據(jù)學(xué)生的能力、知識(shí)、性別等相關(guān)因素，將學(xué)生5-6人分成若干小組。小組成員在小組中彼此相互合作，互相激勵(lì)，積極主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，從而完成整個(gè)小組的共同目標(biāo)。

(3) 自我實(shí)踐。通過(guò)課堂授課和課外討論，一部分學(xué)生完全可以自主學(xué)習(xí)，具備一定的自主分析、設(shè)計(jì)能力。此時(shí)可以由學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式自行選擇一些題目，在小組的合作、交流、討論中，明確任務(wù)、確定目標(biāo)，分析存在的問(wèn)題，進(jìn)而考慮解決問(wèn)題的辦法，最后完成自我實(shí)踐。通過(guò)自我實(shí)踐，讓學(xué)生在整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)作過(guò)程中發(fā)揮自己的作用，進(jìn)行有效的工程實(shí)踐。

教師可根據(jù)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、表現(xiàn)和成果及時(shí)地一一進(jìn)行分析點(diǎn)評(píng)，在點(diǎn)評(píng)分析過(guò)程中，既要肯定學(xué)生的表現(xiàn)和成績(jī)，也要針對(duì)其不足之處給予建議，以促進(jìn)學(xué)生獲得更大的提高。通過(guò)這樣一種“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—反饋”的過(guò)程，學(xué)生不僅可以更快、更深入地理解和掌握理論課程的內(nèi)容，而且極大地提高了學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.2 增加國(guó)內(nèi)、外學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，開(kāi)展學(xué)術(shù)活動(dòng)

高電壓技術(shù)發(fā)展十分迅速，最新研究成果不斷涌現(xiàn)，教學(xué)也必須緊跟技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，例如在講解電暈放電時(shí)，結(jié)合我國(guó)正在發(fā)展的特高壓和超高壓線路，說(shuō)明特高壓線路限制電暈問(wèn)題的重要性。同時(shí)結(jié)合本院老師的一些研究項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研探索。比如在講解電氣設(shè)備的絕緣預(yù)防試驗(yàn)時(shí)，介紹我們所從事的“絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)”方面的研究，在信號(hào)處理部分我們引入了粗糙集將大量的數(shù)據(jù)整理，去掉冗余信息，提取故障特征。以及由當(dāng)前正發(fā)展的數(shù)字化變電站引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注與高電壓技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題，讓他們關(guān)注學(xué)科前沿、熱點(diǎn)研究問(wèn)題，使得學(xué)有余力者可以課余開(kāi)展科研活動(dòng)等。

在授課過(guò)程中，還結(jié)合教學(xué)內(nèi)容將逐漸成熟的、應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大的最新技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r介紹給學(xué)生。例如在講防雷保護(hù)時(shí)，可以向?qū)W生介紹國(guó)內(nèi)外的防雷保護(hù)措施的差異及優(yōu)缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)的接地施工程序簡(jiǎn)單，成本低，但可靠性較差，檢測(cè)不太方便，耐腐蝕性也差，后增設(shè)備連接又麻煩。雖然國(guó)外接地施工的程序復(fù)雜，成本高，但運(yùn)行可靠性強(qiáng)、運(yùn)行周期長(zhǎng)，檢測(cè)方便，可方便查找接地?cái)帱c(diǎn)，便于維護(hù)，后增設(shè)備連接方便。從長(zhǎng)期運(yùn)行角度出發(fā)，運(yùn)行檢修成本將降低。

不僅如此，同時(shí)，在一學(xué)期的學(xué)習(xí)當(dāng)中，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查閱和本課程有關(guān)的最新學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)和國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，開(kāi)展3次以上專題講座。每次講座20分鐘，每個(gè)同學(xué)都可以發(fā)表演講，由學(xué)生來(lái)當(dāng)教師，教師作為學(xué)生，每個(gè)“學(xué)生”都可以發(fā)出提問(wèn)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)老師介紹的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)都很感興趣，而且課下都積極的查閱資料，主動(dòng)發(fā)表演講，受到了院系領(lǐng)導(dǎo)的一致表?yè)P(yáng)，改善了以往課堂教學(xué)枯燥、平庸的狀態(tài)，收到了良好的教學(xué)效果。

2.3 引入多媒體現(xiàn)代化的教學(xué)手段

高電壓技術(shù)課程很多內(nèi)容理論性較強(qiáng)，而且較抽象，利用多媒體課件中可插入現(xiàn)場(chǎng)圖片或視頻，提高課堂教學(xué)效率，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)有一個(gè)更加直觀的印象從而起到強(qiáng)化教學(xué)效果。在教學(xué)過(guò)程中，還可通過(guò)介紹用于高電壓技術(shù)研究的相關(guān)軟件(如EMTP、MATLAB仿真軟件等)將仿真軟件和高電壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。例如，我們?cè)谥v氣隙局部放電機(jī)理時(shí)，可以利用MATLAB/SIMULINK開(kāi)展絕緣材料局部放電的仿真，有助于了解局部放電的物理過(guò)程和破壞規(guī)律，深入認(rèn)識(shí)局部放電機(jī)理，降低了課程中一些內(nèi)容的抽象性，增強(qiáng)了直觀性。

選擇文獻(xiàn)[3]給出的環(huán)氧絕緣試樣的仿真實(shí)例，局部放電的仿真等效電路模型如圖1所示，

圖1 局部放電的仿真等效電路模型

假設(shè)氣隙放電是在瞬間完成的，氣隙電阻瞬間減小為其半導(dǎo)電化電阻，采用理想開(kāi)關(guān)控制，此時(shí)的仿真電路如圖2所示。

圖2 單氣隙放電仿真電路

仿真結(jié)果表明氣隙放電的仿真波形與真實(shí)的放電波形非常接近，如圖3。

圖3 氣隙貫穿放電過(guò)程的仿真波形

實(shí)際上，氣隙放電不可能瞬間完成，經(jīng)典的氣隙放電理論是電子崩理論，即電子雪崩反映了放電擊穿的物理本質(zhì)。依據(jù)電子雪崩放電理論進(jìn)行氣隙放電的動(dòng)態(tài)仿真由學(xué)生課后獨(dú)立完成。學(xué)生可以通過(guò)上網(wǎng)查閱文獻(xiàn)資料，并根據(jù)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行大膽的構(gòu)想。在此過(guò)程中，以滲透CDIO理念為根本出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)，貫穿理論聯(lián)系實(shí)際，提升學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，也為后續(xù)項(xiàng)目創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下了基礎(chǔ)。當(dāng)然，要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，教師要在多方面進(jìn)行激勵(lì)和引導(dǎo)，對(duì)某一問(wèn)題，要鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表不同的意見(jiàn)，允許學(xué)生有奇思異想，即使是不合理的，也要予以鼓勵(lì)。強(qiáng)調(diào)注重學(xué)生自己思考及設(shè)計(jì)的過(guò)程，不局限在出結(jié)果的環(huán)節(jié)，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、查找資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的能力。

2.4 融入雙語(yǔ)教學(xué)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與國(guó)際的技術(shù)融合，按照CDIO的教育理念，教育部明確提出要在高校積極推動(dòng)使用英語(yǔ)等外語(yǔ)進(jìn)行教學(xué)，其中“本科教育要?jiǎng)?chuàng)造條件使用英語(yǔ)等外語(yǔ)進(jìn)行公共課和專業(yè)課教學(xué)”，并且雙語(yǔ)教學(xué)也納入高校本科教學(xué)評(píng)估中。目前我校高電壓技術(shù)課程雙語(yǔ)教學(xué)的方式為:學(xué)生持有中文教材、英文講義;授課過(guò)程中，簡(jiǎn)單部分采用英文講授，復(fù)雜部分采用中文講授;課堂上，學(xué)生之間采用英文交流討論;實(shí)驗(yàn)課用英文講解;最終采用英語(yǔ)考試。由于本校高電壓技術(shù)課程雙語(yǔ)教學(xué)思路剛開(kāi)始進(jìn)行，還在摸索更新過(guò)程，還需從教材、授課方法、指導(dǎo)思想以及教學(xué)評(píng)估等諸多方面進(jìn)行研究和不斷完善。

2.5 加強(qiáng)實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

課程設(shè)計(jì)以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，以培養(yǎng)個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和系統(tǒng)調(diào)控能力為主要目標(biāo)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)將整個(gè)課程有機(jī)而系統(tǒng)地結(jié)合起來(lái)，所有需要學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容都圍繞項(xiàng)目設(shè)計(jì)這個(gè)核心，形成一個(gè)有機(jī)的整體。通過(guò)精心規(guī)劃一些項(xiàng)目，要求學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，對(duì)一個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目完整地展開(kāi)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行，系統(tǒng)地完成一個(gè)工程實(shí)踐經(jīng)歷，并初步掌握工程思維方法。本門課在理論教學(xué)之前，就給出一些高電壓技術(shù)課程設(shè)計(jì)的題目，學(xué)生按5-6人一組選擇一個(gè)題目。此時(shí)老師只是對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行要求，并不做具體提示，在學(xué)完本課程主要內(nèi)容之后，再次提出課程設(shè)計(jì)任務(wù)，要求學(xué)生按組討論，形成設(shè)計(jì)思路，并著手設(shè)計(jì)。每個(gè)小組要通力合作，設(shè)計(jì)成績(jī)以小組為單位打分。最后在整個(gè)理論課程都結(jié)束以后，各組提交設(shè)計(jì)初稿，在老師允許后，可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論。

為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)室平時(shí)對(duì)學(xué)生開(kāi)放，有專任的教師指導(dǎo)。在完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，指導(dǎo)教師只負(fù)責(zé)監(jiān)督和提供試驗(yàn)條件，而放手讓每組學(xué)生在組長(zhǎng)的帶領(lǐng)下，自己組織、自己動(dòng)手，教師只作后備保護(hù)。在整個(gè)課程實(shí)踐項(xiàng)目中，教師只起引導(dǎo)、啟發(fā)作用，通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)建、模型分析、算法比較、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、科學(xué)結(jié)論等形式啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維鍛煉團(tuán)隊(duì)意識(shí)。課程結(jié)束后，學(xué)生再利用畢業(yè)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)到發(fā)電廠和變電站進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)，讓學(xué)生把理論帶進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)踐。

2.6 建立課程反饋機(jī)制，改進(jìn)考核方式

整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，進(jìn)行過(guò)程管理，隨時(shí)反饋來(lái)自學(xué)校督導(dǎo)組、系督導(dǎo)組和學(xué)生的信息，從而可以及時(shí)監(jiān)控教學(xué)質(zhì)量和效果。應(yīng)重視課程形成性考核對(duì)學(xué)生一向以“重過(guò)程，輕結(jié)果”的方式進(jìn)行綜合考評(píng)，逐步模糊并淡化“最后一考(期末考)”的功能，把考核融合在平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中，期末筆試占總成績(jī)比例由原來(lái)的70%改為50%，實(shí)驗(yàn)仍然占20%，加大了平時(shí)成績(jī)的比例，由原來(lái)的10%改為30%，包括平時(shí)考勤、課堂作業(yè)、專題講座以及課程設(shè)計(jì)等。意在導(dǎo)向教學(xué)向新的教育體制下創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式的有效轉(zhuǎn)化，將學(xué)生從一個(gè)知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變成主動(dòng)的探索者， 激發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)生的潛能和學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生全面發(fā)展，培養(yǎng)他們獨(dú)立思考和綜合分析解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)及創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，對(duì)新形勢(shì)下培養(yǎng)高素質(zhì)工程應(yīng)用型本科生具有深遠(yuǎn)意義。

3 結(jié)語(yǔ)

將CDIO的教學(xué)理念作為“高電壓技術(shù)”的教學(xué)背景，在強(qiáng)調(diào)學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及大系統(tǒng)掌控能力。同時(shí)，通過(guò)基于CDIO的教學(xué)改革，將教師與學(xué)生的關(guān)系從教師單向的知識(shí)傳授擴(kuò)展至師生基于問(wèn)題解決的互動(dòng)學(xué)習(xí)，將學(xué)生以繼承知識(shí)為主的學(xué)習(xí)引導(dǎo)至對(duì)未知事物主動(dòng)探索的學(xué)習(xí)，達(dá)到了本課程的教學(xué)目標(biāo)，提高了學(xué)生的課程學(xué)習(xí)興趣，形成課內(nèi)理論教學(xué)和課外實(shí)踐活動(dòng)良性互動(dòng)。教學(xué)實(shí)踐表明，基于CDIO的教學(xué)模式不僅為學(xué)生奠定了扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的CDIO能力，取得了很好的教學(xué)效果，得到了同行專家的高度評(píng)價(jià)和學(xué)生的歡迎。

參考文獻(xiàn)

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