《水電站電氣設備》課程教學改革實踐探索

曾勇紅

摘 要：《水電站電氣設備》課程內容龐雜，涉及電學、力學、熱學以及工程經濟學等學科的基本知識，學習難度較大。為全面推進教育部“卓越工程師教育培養計劃”，天津大學在新的一輪教學改革中，于2014年設立專項進行該課程的教學改革。項目從工、學、研一體化教學體系構建、教材建設、認識實習基地建設和教學手段創新等四個方面進行課程整體改進，較好地解決了課時較少與課程內容豐富之間的矛盾，使學生在有限的課時內掌握水電站電氣設備的基本理論知識，并能應用基本知識解決實際工程問題，為以后從事有關電氣設計、安裝、運行、維護及管理等工作奠定必要的基礎。文章總結了該課程教學改革中的一些成果和經驗。

關鍵詞：水電站電氣設備；教學改革；教學方法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）10-0094-03

Abstract： The course of electrical equipment of hydropower station is very complicated， involving the basic knowledge of electrical， mechanical， thermal and engineering economics. In order to comprehensively promote the "excellent engineer education and training program" of the Ministry of Education， Tianjin University set up a special teaching reform in the new round of teaching reform in 2014. The whole project improvement advances in four aspects from industry， academia and research of integrated teaching system construction， teaching material construction， practice base construction and teaching means innovation， solves the contradiction between less class time and rich curriculum content， which enable students to master the basic theoretical knowledge of hydropower station electrical equipment in the limited time， and apply these knowledge to solve practical engineering problems. The improvement lays the necessary foundation for students in the relevant electrical design， installation， operation， maintenance and management work in the future. This paper summarizes some experience in the teaching reform of the course.

Keywords： Electric equipment of hydropower station； teaching reform； teaching method

《水電站電氣設備》是水利水電工程專業的專業核心必修課，也是一門理論與實踐緊密結合的課程。為適應水利事業的發展，培養水利工程師，在天津大學水利水電工程專業教學計劃中，目前該課程總學時數定為24個課時，共計1.5個學分。通過本課程的學習，使學生初步掌握水電廠、變電站電氣主系統的設計與計算方法，使學生具備本專業高素質勞動者所必需的基本知識和基本技能，樹立學生理論聯系實際的觀點，培養實踐能力、創新意識和創新能力，為以后從事有關電氣設計、安裝、運行、維護及管理等工作奠定必要的基礎。

《水電站電氣設備》課程內容涉及電力系統短路計算、電力系統可靠性計算和電力設備的運行維護等方面的先修知識，要想學好該門課程，必須具有電學、力學、熱學以及高級微觀經濟學等學科的基本知識儲備。由于以往我國的水利工程專業教育偏重于水工結構建設，學生普遍缺乏這些知識的深入了解，要想在24個課時內達到課程目標，對教師和學生都是極大的挑戰。隨著水電站機電一體化工作的全面推進，為了更好地適應水利工程建設、生產、服務和管理第一線的需要，全面推進教育部“卓越工程師教育培養計劃”，天津大學在新的一輪教學改革中，于2014年設立專項研究《水電站電氣設備》的課程教學改革。項目從工、學、研一體化教學體系構建、教材建設、認識實習基地建設和教學手段創新等四個方面進行了課程整體改進，讓學生在有限的課時內積極參與課程教學和學習。不僅獲得了電氣方面的理論知識和實踐經驗，而且還能把所學的知識應用到工程設計中，提高專業知識、技能水平和綜合素質，得到全面綜合的培養，成為一個可持續性發展的人才。文章總結了該課程教學改革中的一些成果和經驗。

一、課堂教授與實踐相結合，構建工、學、研一體化教學體系

工程教育的靈魂是知識的靈活運用。許多創新性思維和技術突破都是在邊學邊做中產生的。作為國內老牌工科強校，天津大學也是我國最早開辦水利工程專業教育的院校，一直秉承“厚基礎，強動手”的教學理念。在本次教學改革試驗中，本課程注重培養學生應用水電站電氣設備基本理論知識解決實際工程問題的能力，以工、學、研一體化教學體系為思路，將課堂基本知識應用到具體工程實例中并進行全面的具體分析，從而形成了“教師教知識、學生學知識、知識該如何應用”相結合即三位一體的教學新模式，加大與生產科研單位合作交流等三方面的實現突破。

在《水電站電氣設備》課程教學過程中，將科研中同本課程相關的最新研究動態和研究成果、新技術進行歸納整理，以活頁教材的形式在課堂上發給學生，以此將科研滲透到教學中，使學生了解該學科和技術發展的方向，引導和啟發學生進行探究式的課外延伸學習，培養學生研究的意識，調動和激發學生的興趣，為學生以后從事水電相關工作奠定基礎。

二、編寫合適的教材

學科建設的成果必須體現在課程教材里，教材是專業的載體。只有課程和教材不斷更新，學生才能接觸到最新的研究成果，才能了解社會對人才的培養需求，學生才能跟上社會的步伐，實現良好的就業[1]。發電廠電氣設備選擇是發電廠設計中的重要環節，因此在我國電力工程專業的課程中占比較重，各大電力高校也編寫了許多非常優秀的教材，有些甚至修訂到了第5版，有些也成為了電力工程專業的通用教材。但由于我國電力系統主要以火電為主，導致電氣與自動化工程學院開設的相關課程以及配套的教材（如《電能生產過程》）也基本以講述火電廠設備為主，與水利水電工程的電氣設備側重點并不完全相同。此外，由于電力工程專業和水利水電工程專業培養目標的不同，這類課程在教學課時和課程內容銜接上也存在著較大的差別。雖然也有一些專科或職業技術學院出版了水電站電氣設備（部分）的書籍，但多以小型水電站為主，從內容的深度和廣度上遠遠不能達到水利水電工程卓越工程師教育培養的要旨。因此本課程改革編寫了一本適合水利水電工程專業本科層次教學需要、緊跟時代發展需要，以分析水電站發電機組為核心的水電站電氣設備教材，并將教學改革成果歸納整理，與國內同行交流。在本教材編寫過程中，主要遵循以下三個原則。

（一）重點突出，精選內容，按照水電能生產過程組織內容

為實現學生對水力-機械-電能完整知識結構的溝通和運用，具有更加全面和全局的水電能源開發利用理論與實踐技能，教材編寫中，以水電站電氣設備程運行過程中涉及的相關工程技術知識點為參考，基礎知識部分，重點突出如水電動力系統的組成及水電發電廠的電能生產過程與運行方式；水電廠、變電站主接線基本形式；同步電機的基本結構和運行狀態；空載和負載時的同步發電機的磁場；凸極同步發電機的電壓方程和相量圖；水電站配電裝置設計的基本要求，及屋內配電裝置和屋外配電裝置的區別和聯系等相關知識。

（二）與時俱進，更新或增加在實踐中應用日益廣泛的內容

以當前國內外大型水電站電氣設備運行規程為參考，增加水輪發電機的功率方程和轉矩方程等相關內容，并以此分析發電機功率調節過程，進行水電廠的廠用電接線設計；對相關水電電氣設備的圖形符號和文字符號、工作原理及應用場合進行分析；同時在教材中附上最新的水電廠變電站運行操作的相關規程、規范，常用電氣設備使用的手冊，3～110kV水電廠變電站設計手冊等實際工作手冊，以便學生在后續學習、科研、工作中進行查閱。同時專門增加了工程案例解析，讓學生知道學的知識有什么用，該怎么用，提高學習興趣，有效提高了水電站電氣設備課程的教學效果，有力地促進了學生分析問題和解決問題能力的提升。

（三）體系完整，使教材有利于教學，充分有效地利用有限的教學課時數

按照基礎知識、理論分析、實踐應用三個模塊來整體設計教材、通過綜合教材設計，理順各知識模塊之間的聯系；同時在書后附上相關思考題，列出思考題解答參考書目及相關參考文獻和參考網站的鏈接，充分調動學生的課后學習參與度，使學生可以利用課下時間自主學習。

三、建立認識實習基地

固定的實習基地是開展實踐教學的基本前提[2]。天津大學是我國最早建設有水利工程試驗室的高校，素有中國第一水工試驗所之稱，目前建有水利工程仿真與安全國家重點實驗室、水利工程仿真與安全監測教育部工程研究中心以及水利工程實驗中心等國家及省部教學科研基地，這些科研設施無疑為學生學習提供了便利。但遺憾的是，由于歷史原因，我校目前的水利工程研究依然以傳統水利研究方向為主，側重水利水電工程建設，核心專業課以水力學和結構力學為主。雖然早期的實驗室建有水電站電能生產過程模型，但現在基本已經廢棄。從目前實驗室的條件來看，可用于模擬水力發電過程的物理模型幾乎沒有。這與本課程是一門理論知識與現場實踐緊密結合的特點不匹配，存在較大的缺陷。因此，本課程改革，除在已有教學計劃安排之列的認識實習中適當增加水電廠設備的認識比重，還加強了和電氣與自動化工程學院各實驗室的交流與聯系，并在學校周邊建立了認識實習基地。

從最近幾年水利水電工程專業本科畢業生的去向來看，除了有一些去水電廠從事生產管理和電力調度外，進入各級水利水電規劃設計院電氣室的也不乏其人。目前已與中國長江三峽集團公司、豐滿水電站、潘家口水電站、二灘水電開發有限責任公司、天津電力公司等保持長期的交流合作，為我校水電站電氣設備課程建設和水電站電氣設備教師的工程素養提供了基本保證，同時也有力地支援了國家大型工程的建設。在認識實習基地建設中，一方面通過聘請一批水電廠、水利水電規劃設計院有豐富實踐經驗的工程技術人員，擔任實踐課程指導教師；另一方面，建立與生產科研單位長期合作交流的機制。通過選派青年教師到工程一線鍛煉、現場學習以及與生產科研單位合作交流等環節，增加了青年教師的工程實踐經驗，讓他們知道具體工程一線需要什么樣的人才，同時也加深實習單位對我校教師和學生的了解，形成良性循環的長期合作交流的機制。校內教師同校外教師緊密聯系，通過“雙師”授課，使學生在課程學習中，在掌握理論知識的基礎上，對本課程涉及的實際工程活動有較深刻的理解。通過理論聯系實際，親身經歷或看到一些工程實際問題是如何有效解決的，使學生了解領會和鞏固理論知識，將課堂上學到的知識在實踐中的運用，激發學生對新知識學習的深厚興趣。同時完善課程的考核機制，將認識實習基地的學生過程納入到課程最終考核，使考核能夠體現學生的整體專業水平和專業綜合素質。以考促學，以此激勵學生實踐學習的主動性和積極性。

四、采用新的教學手段，充分發揮互聯網在教學中的作用

（一）充分利用現代教學和傳統教學的優點

利用多媒體設備和多媒體課件進行輔助教學，將難學的理論用媒體和圖片進行教學，配以課程設計、操作練習、配電設備生產實習和電站運行實習等，以動畫、三維彩圖、圖片和實物演示電氣設備結構和原理，中間穿插錄像教學片，在此基礎上不斷探索“黑板+粉筆”與“電腦+鼠標”、“課室+實驗室”相結合的教學方式。加強學生動手能力的培養，按水利行業崗位群的要求進行能力培養，全面提高學生專業綜合素質，從而使教師能充分利用課堂投入獲得良好的教學效果。

（二）以互聯網+技術為依托，豐富教學方法

隨著信息時代的到來，先進的信息技術逐漸融入各個領域的發展過程中，并起到了至關重要的作用[3]。傳統教育教學模式也受到了信息技術的影響而發生了巨大的改變，專業課程授課在互聯網+大背景下有了新的突破，以信息技術為依托的教學手段極大地提高了學生參與學習的主動性和積極性。在互聯網+教育視域下，豐富的網絡資源使得在線學習和移動學習成為課堂授課的有益補充，例如微課。本課程在授課過程中，可將部分章節，如“當前最新水輪發電機組中，對導體發熱、電動力計算方法在實踐中的運用”；“廠用電接線的設計原則和接線形式”等內容制成短小精悍的教學視頻，為學生提供多維度、多樣化的教學方式和課后預習復習的學習資源。同時創立課程學習微信平臺，在微信平臺里及時對學生進行課后學習答疑及分享一些與課程相關的最新科研成果，為學生創造一個可以互相交流學習本課程的學習平臺，使學生通過課堂與課后有指導性的延伸學習，使本課程的學習達到應有的教學深度和廣度。

通過本次課程改革，使得學生在整個教學過程中學習興趣濃厚，主動性和參與程度高，很好地提高了他們的專業能力，并引導學生積極參與各類科技創新大賽。教師也能充分利用課堂投入獲得良好的教學效果，而學生也通過課堂與課后有指導性的延伸學習，使對本課程的學習達到了應有的教學深度和廣度；從水能資源利用的人才需求上完善學科建設，實現學生對水力-機械-電能完整知識結構的溝通和運用，具有更加全面和全局的水電能源開發利用理論體系；加強了和國內外其它學校的交流和合作，開闊了學生的國際視野，從新能源開發利用的角度拓寬了學生的就業面。

當然，教學改革不是一蹴而就的，需要不斷改進和完善。在今后的實踐中，還需要在教學方法、教學手段和實踐環節等方面進一步加強和深化。

參考文獻

[1]張旭.教學研究型大學學科專業一體化建設路徑研究[D].沈陽：沈陽師范大學，2016.

[2]貴聰，康志強，左萍萍，等.地方高校卓越工程師“4+2”實踐培養模式的構建——以桂林理工大學資源勘查工程專業為例[J].中國地質教育，2016（4）：76-79.

[3]常亮.淺析互聯網教育視域下“微課圈”在計算機課程中的應用[J].中小企業管理與科技，2017（1）：109-110.