新工科背景下專業課程的教學改革與實踐
——以“供配電技術”課程為例

張 春，金震妮，劉世林

（安徽工程大學 電氣工程學院， 安徽 蕪湖241000）

新工科建設是當前高等教育適應國家重大戰略需求、持續深化工程教育改革的舉措之一。新工科建設致力于多樣化、創新型卓越工程技術人才的培養，其建設的六大理念中對教學內容提出了“更新教學內容和課程體系，建成滿足行業發展需要的課程和教材資源”的新要求［1］。筆者認為，課程是人才培養過程中最基本的單元和最關鍵的元素之一，作為教學工作得以組織、教學內容得以實施的載體，這一新要求是落實新工科建設理念最基礎最核心的工作之一。不僅要通過課程體系的設計和課程內容的改革傳授學科知識，更要注重鍛煉學生提高社會責任、創新精神、創業意識和實踐能力，達到“立德樹人、德學兼修”的培養目的，可見課程改革在新工科建設中的重要地位。而課程改革是一項牽一發而動全身的工程。培養目標改變了，課程體系和課程內容就應做出相應改變，切忌出現課程改革僅停留在新的理念層面的做法。

近年來，很多學者對新工科背景下的課程建設進行了探討與實踐，提出了新形勢下課程改革的目標和舉措，但較多改革與新工科建設對課程改革的迫切要求相比還有一定的差距［2-6］。作為一門傳統專業課程，“供配電技術”課程的教學目標是使學生掌握供配電生產、建設、管理、服務等領域的基本理論與技能。為追求供配電系統設計的完整性和系統性，課程教學存在課程知識體系以傳統基本理論為主，反映當前電氣工程改革前沿內容少，發揮“課程思政”作用不夠，培養學生跨學科知識及跨界能力不足，對學生工程實踐能力培養不到位等問題； 授課方式以課堂講授為主，缺乏對學生進行整體知識構建及開展工程實踐能力培養的有力舉措，這些都未能適應新工科建設對課程教學改革的需要，應重新審視課程教學內容，改革教學模式。近年來關于該課程教學改革與實踐的文獻較少，為此，筆者針對當前該課程教學現狀，探討了新工科背景下改革課程教學內容及模式，培養學生系統與跨界思維能力，解決復雜工程問題能力的方法，以期能為新工科背景下專業課程的教學改革與實踐提供借鑒。

一、課程特點及存在問題

（一）教材內容難以反映電力行業新成果

為使學生掌握供配電系統設計的基本思路，保證供配電系統設計的完整性，傳統的教學內容均以教材為載體，傳統教學內容體系在用戶供配電系統的設計計算、主接線和二次接線設計、設備的選擇與校驗、繼電保護系統的設計整定等方面。而電力行業發展迅速，當代高新技術都與電能密切相關，教材中介紹的有些典型電氣設備大多是結構復雜、性能落后的淘汰設備，新設備、新技術介紹甚少，難以滿足創新性工程技術人才培養的需要， 急需教師對相關內容進行重新遴選、關聯和重構。

（二）知識傳遞難以內化為學生的能力

作為自動化、電氣工程及自動化等專業涉及強電的專業課程之一，“供配電技術”與計算機、通信和自動化等技術交叉融合，跨度較大，技術不斷創新，內容豐富。在教學中，主線明確，但知識點多而繁雜、計算量大、內容抽象，教好和學好這門課程，對教師和學生都有一定的難度［7］。學生需要根據供配電系統設計解決問題，在教師指導下完成學習任務，關鍵是根據教師布置的“供配電工程項目”解決實際問題和復雜工程問題，學生在學中做，在做中學，既提高了學習興趣，又鍛煉了他們解決實際問題的能力。傳統的教學方法課時不足，教師把大量的時間用在課堂講授上，學生一直徘徊在對內容低層次的簡單記憶和理解上，知識內化為“記住”所學的內容，沒有內涵，無法形成完整的知識體系。

（三）教學手段和方法難以調動學生學習積極性

“供配電技術”發展日新月異，該課程教學基本以課堂講授為主，盡管很多內容實現了多媒體教學，但將“照本宣科”變為“照屏宣科”的現象仍然存在。課程教學雖輔以課程設計、實驗及習題等，但總體上缺少實踐操作， 實踐教學環節更多的是流于形式，加之“強電”這一特點，難以滿足教師對案例教學、實物展示等教學環境的需要，限制了教師教學改革的積極性，結果使學生空有理論知識，對供配電系統的設計、操作缺乏直觀、感性的認識。

二、豐富課程內容，完善人才培養載體

課程教學內容的改革是課程改革的核心，直接影響著教學的實效。以新技術、新產業、新業態和新模式為特征的新經濟呼喚著新工科建設，作為傳統的專業課程，“供配電技術”教學內容的改革勢在必行。

（一）重構教學內容體系，適應工程技術人才核心能力培養要求

為適應高素質復合型新工科人才培養需要， 筆者根據課程教學目標將課程教學內容劃分為基礎理論、課程思政、工程項目實踐及工程素養3 部分，見圖1。

圖1 課程教學內容體系

基礎理論內容解決供配電系統設計必需的基礎理論和基本計算方法，是課程教學的基本內容。課程思政內容隱含在理論教學和工程項目實踐教學中，將思想政治教育融入“供配電技術”教學中，實現思想政治教育與知識體系教育的有機統一。工程項目實踐及工程素養強調學生工匠精神的培養，工程項目實踐主要采用項目驅動法進行教學，利用供配電系統設計的基本理論和知識，引入相關實際工程項目案例，從需求分析、方案設計到分項目設計與計算、結果反饋等多個方面進行過程把控。

（二）優化系統設計必需內容，反映電氣工程領域新成果

面對有限的學時，供配電系統設計的教學內容必須優化，要處理好基本內容和新技術的關系。首先，用戶供配電系統設計所需的負荷計算、線路結構與導線截面積的選擇、短路電流計算、電氣設備的選擇與校驗等基礎理論和基本計算方法以及主接線的設計、繼電保護系統的設計與整定等內容仍然是“供配電技術”課程教學的基本內容，但筆者認為，這些內容無需面面俱到，以夠用為主，有些內容可以以設問的形式讓學生自學。例如，負荷計算中關于單相設備負荷的計算、導線截面積計算中關于導線電壓損失的計算、電流互感器和電壓互感器的選擇與校驗等內容可引導學生自學，達到培養學生自學及分析解決實際問題的能力。其次，隨著供用電設備與技術的日新月異，在闡述基本內容的基礎上，應適當引入新知識、新技術、新前沿、新方向，如增加對分布式發電技術、微電網技術的探討，引領學生立足經典，探索新知，確保知識體系的及時更新。而對于二次回路的設計、繼電保護系統的設計等，應將傳統和現代內容相結合，特別是需要融入網絡化、智能化、數字化等內容。

（三）融入思想政治教育元素，發揮“課程思政”育人作用

推進以“課程思政”為目標的課堂教學改革、加強課堂教學設計是專業課程教學改革的核心內容之一，有利于以專業知識為載體加強學生的思想政治教育， 有助于將課堂主渠道功能發揮最大化，扭轉專業課程教學重智輕德現象。作為面向終端用戶的工程技術，供配電技術具有很強的應用性和實踐性，為適應新工科建設的需要，在課程教學過程中，要注重培養學生的人文社會科學素養和社會責任感，培養學生“精益求精、追求卓越”的工匠精神，讓學生能在供配電系統設計中理解安全、可靠、優質、經濟的基本要求，遵守規程和標準，遵守供配電系統工程設計的基本素養、工程倫理等，不僅要引導學生“誠實做人、踏實做事、扎實做學問”，而且要引導學生在供配電系統設計和運行乃至在工作和生活中注重節能降耗，履行改善氣候和人居環境等方面的社會責任。

（四）促進多學科交叉融合，培養跨界知識與相關能力

多學科交叉融合是新工科的基本特征之一。由于供配電技術自身的優勢，可結合的應用領域非常廣泛，筆者結合實際，一方面適應學生后續智能電網學習、設計的需要，在系統主接線設計部分補充了用戶供配電系統中的新興電力技術，包括分布式電源技術、微電網技術和直流供電技術等，融入電氣工程的新發展。另一方面，積極探索其他可融合的學科知識，如在講解電氣設備選擇與校驗時融入機械學科知識，引導學生利用ANSYS 軟件對斷路器建模并進行模態分析和諧響應分析，研究其振動性能，對變壓器建模進行熱分析；在介紹常規繼電保護基礎上補充微機繼電保護等知識，融入信息化、數字化、智能化知識，引導學生對“智能交通”“智慧城市”中智能電網建設的探索。這些跨學科知識在學期初即以課程設計項目形式進行布置，引導學生如何檢索與交叉融合內容相關的文獻，并把相關知識內容融入課程設計和實驗中。

（五）理論實踐結合，提高學生解決實際工程問題能力

理論指導實踐，實踐深化理論。“供配電技術”課程是一門實踐性很強的課程，圍繞工程問題及項目的實踐教學顯得尤為重要。實踐教學不僅關注學生基本認識問題，更注重培養學生綜合應用能力、系統集成能力和解決復雜工程問題能力。

“供配電技術”課程的實踐教學包括實驗、課程設計、工廠和校配變電所的實踐教學等3 部分。課內實驗是“供配電技術”課程教學的基礎環節，為培養學生的探索興趣，在使用成套實驗裝置實驗的基礎上，筆者利用時間繼電器、電流互感器等部分獨立實驗設備組成實驗裝置，讓學生直觀地了解常用設備的工作原理和基本特性，進一步提高課內綜合性和設計性實驗的比例，如階段式過電流保護實驗分為常規線路實驗和微機保護實驗兩部分，常規線路實驗完全交由學生設計和接線，并整定、調整相關參數，由學生觀測記錄實驗中的各種現象，學生由被動驗證變為主動探索，提升學生分析問題、解決問題的能力。在課程設計中采取項目制，盡量選擇一些實際供配電系統， 劃分成若干小的項目任務，供學生選擇，并以企業的實際要求為標準。為實施好課程設計項目，課前即組建設計小組，引導學生以小組為單位，自主思考、自主解決。從項目前期的用戶需求分析、負荷計算、系統主接線設計，再到后期電氣設備的選擇與校驗、二次回路設計、繼電保護設計、防雷設計等，均由小組成員分工獨立完成，借此真正做到用項目貫穿教學始終，達到強化教學內容的目的，著力提升學生解決實際問題的能力。為加快培養企業需要的實用人才，加強學生對供配電系統的直觀認識，筆者一方面組織學生到校變配電所進行現場教學，另一方面，組織學生到發電廠、相關企業參觀學習。

三、創新教學模式，優化人才培養途徑

教學模式決定了人才培養途徑［5］。“供配電技術”課程涉及學科多、內容廣、難度大，傳統的照本宣科、照屏宣科模式難以幫助學生建立系統概念，難以激發學生的學習興趣。切實提升教學質量和教學效果，提升學生的學習興趣是課程教學模式改革的關鍵。

（一）引入支架式教學模式，促進學生自主探究

支架式教學為學習者對知識的理解提供一種概念框架，建構主義者從維果斯基的“最鄰近發展區”理論出發，借用建筑行業中使用的“腳手架”進行形象化比喻，即通過“腳手架”的支撐作用（或“支架作用”） 逐步地把學生的智力從一個水平提高到另一個新的更高水平［8］。“供配電技術”課程內容重在供配電系統的設計，基本概念、系統設計、短路計算、繼電保護設計、保護接地與防雷等內容逐漸遞進，宜采用支架式教學模式，培養學生自主探究的興趣和意識。教學中，首先是搭建腳手架，課程開始即給學生布置設計課題“某中型機械制造企業供配電系統設計”（不同組別課題不同）， 幫助學生建立供配電系統架構， 對教學內容和流程進行整體設計，幫助學生建立起用戶供配電系統乃至電力系統的整體印象，見圖2。

圖2 供配電系統支架式教學模式的教學內容

其次，在教學中以加強方法傳授為重點，設計情境，引導學生思考和解決問題。例如，負荷計算、變壓器參數設計、導線參數設計、短路電流計算等方法，這些內容環環相扣。教師講授內容與課程單元的總體目標要相互關聯， 使學生明確學習目的，教學步驟緊湊，突出學習重點。在教師啟發相關理論及方法的基礎上設計相關項目，堅持以學生為中心，利用真實工程問題的解決，充分發揮學生及其團隊的積極性，讓學生自主分析、共同探討，幫助學生沿“概念框架”對問題逐步深入和理解，使學生實現供配電系統知識的自主構建，培養學生的創新意識、探索精神和解決問題能力。

（二）引入翻轉課堂模式，發揮學生主體作用

翻轉課堂重在對學生的學習過程進行重構，將學習的決定權從教師轉移給學生。在“供配電技術”課程教學過程引入翻轉課堂教學模式，不僅能實現學生自主學習，也增強了學生對實際工程項目學習的趣味性和參與性。在這種教學模式下，課前可引導學生學習基于課程內容和基于設備與系統運行的視頻，而課堂內的寶貴時間，可引導學生專注于基于供配電工程項目的學習，加深學生對項目更深層次的理解。教師無需利用課堂時間進行復雜理論的推導和講解，特別是公式的繁雜推導過程，應結合課程偏工程應用的特點去繁從簡。相關知識在課后由學生自主規劃學習。工程項目教學法中融入翻轉課堂教學法，既能培養學生的團隊設計與綜合應運能力，又能強化學生的專業實踐能力。每一階段教學內容結束后均組織學生課堂討論，將學生劃分為若干小組，采用“頭腦風暴法”的原理，由每組選派一個代表對本組的主要設計進行陳述，教師進行適當點評，對存在閃光點的做法予以充分肯定，并鼓勵學生針對自己的不足和疑問去收集資料，完善后續項目設計內容。在此過程中，學生感受到解決工程問題的樂趣，增強了工程學習的意識。例如，在電氣設備選擇與校驗部分可采取翻轉課堂教學模式。課前布置學生觀看供配電系統從正常運行到發生短路時斷路器與隔離開關動作情況的視頻， 然后提出相關問題引導學生對短路電流的力效應和熱效應的思考，包括：短路電流對電氣設備主要產生哪些影響，對不同的電氣設備應采取哪些校驗方法等。在前述工作基礎上，筆者在課堂上主要講解不同電氣設備力效應和熱效應校驗的方法，再列舉具體事例讓學生思考如何選擇主接線中的電氣設備，并分組讓學生進行討論，筆者再對不同的選擇方案（可有不同的選擇方案）進行點評。

四、探索考核模式，完善評價體系

課程考核是教學的最后環節，是檢驗學生學習成果和教學效果的重要指標，是衡量教學過程是否存在問題并進行改進的重要手段。傳統考核方式一般采用筆試，能在一定程度上檢驗學生對知識的掌握程度和學習效果，但考核方式較單一，題型和試題存在重復，考核的全面性與教師出題的傾向性關聯較大，難以考查學生的綜合能力。因此，課程考核可引入多元化的模式。筆者將課程考核分成理論考核、工程項目實踐考核、平時考核等3 部分。其中理論考核采取期末開卷考核方式；工程項目實踐考核由課內實驗考核和課程設計匯報答辯及設計報告評分組成；平時考核由出勤、課堂參與度、查閱外文資料及作業等環節組成。整個課程最終評價由以上3 部分加權組成。

五、結語

在新工科人才觀下，筆者對“供配電技術”課程進行系列教學改革，主要涉及到教學內容的優化重組及對應教學內容的教學模式、學業評價體系改革等。近年來的實踐結果表明，學生對供配電系統的理解及應用、工程意識和解決供配電系統復雜問題的能力都有了很大的提升，部分本科生主動探索供配電技術知識的《基于RBF 網絡監督的電池用雙向DC/DC 變換器控制策略》《20 kV 配電網實施的關鍵問題探討》《基于最優加權組合法的電力負荷預測研究》等多篇論文已公開發表。