面向工程教育專業認證的電力系統綜合實驗教學改革

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，工程教育專業認證旨在通過專業認證機構針對高等教育機構開設的工程類專業教育進行專門性評估。工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1-2]。2016年6月，我國成為第18個《華盛頓協議》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威性的體系。全國高校積極開展工程教育專業認證，推進工程教育改革，提高工程教育質量，增強工程教育人才培養能力，以促進我國工程教育國際互認，提升競爭力[3]。

電力系統綜合實驗是電氣工程及其自動化專業學生需要完成的學時最長、項目內容最多、考察專業知識最全面、操作難度最高的綜合性實驗課程，是本專業最為重要的實踐環節之一[4-6]。在電力系統綜合實驗課程中，學生需要利用實驗室資源，綜合運用電力系統穩態分析、電力系統暫態分析、電力系統繼電保護、電力系統自動裝置、發電廠主系統、變電站綜合自動化等專業課程知識，通過物理模擬、數字仿真、虛擬技術等多種實驗手段，最終完成實驗項目，更加直觀和深入的理解電力系統。在進行工程教育專業認證的背景下，以全新的工程教育標準對電力系統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認識理解電力系統的觀念、激發自主學習和創新的意識、培養綜合運用專業知識解決工程問題的能力具有重要意義。

1 電力系統綜合實驗教學現狀

我校自2000年開設電力系統綜合實驗課程以來，電力系統綜合實驗作為融合多門交叉學科知識、專業綜合能力要求較高的重要實踐環節，對學生專業知識應用能力的培養起到了非常積極的作用。但基于工程教育專業認證的標準和要求，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課堂教學理論基礎知識，沒有完全依據工程教育認證的標準，項目內容與工程實踐背景結合不夠緊密，不能充分培養和提升學生利用所學專業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+結果分析”的傳統實驗教學模式應用于原有實驗課程，不能充分調動學生實驗環節自主學習的積極性，不利于激發學生實驗環節獨立思考和創新性，難以完全滿足工程教育專業認證對學生綜合能力全面培養的需求。

(3) 實驗考核形式不夠全面有效。原來所采用的“實驗預習+實驗操作+實驗報告”的實驗項目考核形式，在傳統實驗教學評分中具有相對明確且易于操作的優勢，但面對工程教育專業認證對于過程考核、多點能力考核和區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。根據原有實驗項目內容的安排設置，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。同時，受到傳統規定式教學計劃的制約，會出現實驗平臺不同時間段或超負荷或空閑的突變使用，不利于實驗設備的有效利用和保養維護，也不利于教師的合理安排和協調。

2 教學改革思路及目標

工程教育專業認證要考察專業在學生、培養目標、畢業要求、課程體系、持續改進、師資隊伍、支持條件等方面的整體情況[7]。基于電氣工程及其自動化專業“電氣工程領域應用研究型高級工程技術人才”的本科人才培養定位，要求畢業生具備寬廣的自然科學基礎、扎實的電氣工程專業基礎和技能，能夠在電力系統、電能變換、工業控制等技術領域，從事系統分析、工程設計、技術試驗、產品開發、工程技術管理等工作；工程實踐能力強，能夠適應現代科技發展和經濟建設需要；具有良好的品德修養和人文素養，具有較強的人際交流、團隊合作和終身學習能力，富于創新精神。

結合工程教育專業認證的要求，課程系統中的每門課程均需完成畢業要求的一定指標點，以共同支撐畢業要求，從而完成培養目標[7]。根據電氣工程及其自動化專業2015最新修訂版畢業要求，表1列出電力系統綜合實驗課程能力矩陣(即本課程與畢業要求的關聯度矩陣)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，作為課程系統中極其重要的實踐環節，電力系統綜合實驗課程需從專業基礎知識、專業工程技能、工程綜合運用能力和工程素養等方面完成對學生的工程綜合能力培養。

表1 電力系統綜合實驗課程與畢業要求一級指標點關聯度

面向工程教育專業認證的電力系統綜合實驗教學改革緊扣“以學生為中心、成果為導向、持續改進”的思路[8-9]，立足畢業要求、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綜合實驗課程的學習，更加深入理解整個電力系統的組成及運行，學習檢索查閱手冊規范及技術資料的技能、掌握實驗平臺基本原理及相應設備或軟件的使用操作、通過團隊協作進行實驗方案的討論構思設計和實施，注重培養綜合運用電力專業理論知識解決實際工程問題的能力，提升自主學習和創新意識。

結合電力系統綜合實驗課程現狀及問題分析，構建模塊化-階梯型教學內容體系，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本課程對所對應畢業要求指標點的全覆蓋和有力支撐，從而進一步支撐專業培養目標，滿足工程教育專業認證的相應要求。

3 教學改革方案

3.1 構建模塊化-階梯型教學內容體系

基于電力系統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，融合工程教育專業認證理念，構建模塊化-階梯型教學內容體系[10-11]。

模塊化-階梯型教學內容體系打破了傳統的固定實驗項目形式，將實驗項目選題進行模塊化設計，同時根據難易度進行階梯型分類(基礎驗證型、專業設計型和綜合創新型)，構建出模塊化-階梯型電力系統綜合實驗項目庫。基礎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；專業設計型項目為進階級實驗項目，選題針對實驗平臺中結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、構思、設計實驗方案，并完成實驗操作；綜合創新型項目為高級別實驗項目，利用專業科研平臺研究成果或通過學生導師引導學生自行設計實驗項目選題，團隊協作完成實驗項目的題目設計、方案討論構思、實施操作及答辯。

基于現有實驗室平臺資源，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計的項目內容，還涵蓋通過方案設計解決實際工程問題的項目內容。依據電力系統綜合實驗課程教學大綱要求，充分考量課程對相應畢業要求指標點的支撐情況，實驗項目選題涉及電力系統的設計、規劃、調度、監控、運行、控制及二次設備調節、測量、保護的理論和技術，融合電力系統穩態分析、電力系統暫態分析、電力系統繼電保護、電力系統自動裝置、變電站綜合自動化等多門專業課的相關知識點。

現已構建完成的電力系統綜合實驗模塊化-階梯型教學內容體系主要包括5個主實驗項目模塊，分別為電力系統自動裝置綜合實驗項目模塊、配電網靜態模擬及微機保護設計實驗項目模塊、常規三相四線制系統設計及綜合監測實驗項目模塊、數字動態實時仿真系統及閉環110 kV線路保護實驗項目模塊和電網虛擬仿真綜合設計實驗項目模塊。依據階梯型設計思路，每個主實驗項目模塊下面還設置出具有不同類別的子實驗項目(包含基礎驗證型、專業設計型和綜合創新型)。圖1所示為電力系統綜合實驗模塊化-階梯型教學內容體系構成，并以電力系統自動裝置綜合實驗主實驗項目模塊為例展開說明模塊化-階梯型的具體構成形式。

圖1 電力系統綜合實驗模塊化-階梯型教學內容體系

電力系統綜合實驗模塊化-階梯型教學內容體系中，每個實驗項目均有明確詳細的實驗學時、實驗類別、實驗內容及實驗要求等說明，學生根據此課程所需實驗學時及實驗類別自行進行選擇。在充分利用現有實驗平臺資源、推進工程教育改革的工作上，電力系統綜合實驗模塊化-階梯型教學內容體系的構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合

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

同時，針對電力系統的特殊性，對于無法直接進行實體操作的部分，引進虛擬仿真技術，用于模擬電力系統實時運行及性能分析等環節，彌補缺乏實體操作型實驗的不足[12]。現有實驗平臺可提供變電站仿真實驗系統、電力系統動態實時仿真系統和電網調度虛擬仿真培訓系統軟件等一系列虛擬仿真實驗資源。

(2) 項目式教學形式。依據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，對于專業設計型和綜合創新型實驗項目，不再采用“教師講解+學生操作+結果分析”的傳統實驗形式，學生需要以團隊的形式完成“討論設計+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化為主動參與設計的角色，積極調動學生實驗的自主創新能力

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

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

網絡化輔助教學平臺提供實驗項目信息在線查閱、預約實驗時間和實驗平臺資源共享等功能。通過網絡化輔助教學平臺，學生可檢索電力系統綜合實驗的全部信息，根據實驗要求分組后在實驗項目庫中選擇實驗項目，在規定時間內自由選擇實驗時間，制定出實驗進度計劃，根據計劃提前查閱開放的實驗項目信息，做好實驗前預習工作；同時，實驗完成后也可根據平臺資源進行實驗課后練習或拓展性訓練。教師利用此網絡化輔助教學平臺，可有效調配師資和實驗設備資源，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

在工程教育專業認證的背景下，對學生的專業基礎知識、專業工程技能、工程綜合運用能力和工程素養等的考核已不能采用傳統“實驗預習+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]。

面向工程教育專業認證的電力系統綜合實驗考核機制，立足于本課程專業能力矩陣中指標點設置考核評分點，依據對各指標點支撐強度分配考核評分點占比(即貢獻度)，關注于考核規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基礎知識、專業工程技能、工程綜合運用能力和工程素養，在一定程度上激發學生的積極性和創造性，進一步培養和提高其解決實際工程問題的能力。

本實驗教學根據實驗項目分類(基礎驗證型、專業設計型和綜合創新型)，針對相應考核評分點，依據細化的評分標準對每個考核評分點進行分類打分，再結合評分點占比加權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指標點類別下面還設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 電力系統綜合實驗課程考核一級分類信息

工程教育專業認證關注于將“持續改進”貫穿始終[15-16]。因此，在電力系統綜合實驗教學改革中，構建反饋機制用以指導“持續改進”具有重要意義。構建完成的電力系統綜合實驗教學反饋機制中，用于分析的數據源基于每個學生此實驗課程的考核結果，通過對每個學生考核結果分項得分的加權匯總，可以得出每個班級乃至整個年級此實驗課程教學對應支撐各項指標點的定量達成度。同時，輔以學生問卷調查及后續課程反饋等方式增加反饋機制數據信息。在電力系統綜合實驗教學反饋機制中，通過對課程考核結果的定量統計和調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課程的改進措施，如調整實驗目標、實驗內容、實驗模式和實驗考核方式等，將“持續改進”真正落實到實驗教學的各個環節。

4 結 語

面向工程教育專業認證的電力系統綜合實驗教學改革已經實踐應用于2011至2013級電力系統及其自動化專業學生的教學，從課程考核和反饋機制的定量數據、學生課堂反響和測評結果的定性分析來看，一系列教改措施效果已經逐步顯現。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，有效調動了學生實驗的積極性和創新性，增強了學生的團隊協作意識，對于培養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教學中不斷改進和完善。

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