基于混合式教學的電力系統過電壓課程實踐

韓永森 程嵩

摘? 要：混合式教學能夠充分發(fā)揮課堂教學和網絡教學優(yōu)勢。文章建設了電力系統過電壓課程的網絡教學平臺，然后將混合式教學方式應用到課程教學中，實現以學生為中心的工程教育理念，培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力，提高教學質量。

關鍵詞：混合式教學;電力系統過電壓;學生為中心;網絡教學平臺

Abstract： Blended teaching method can make full use of the advantages of classroom teaching and network teaching. In this paper， the network teaching platform for the power system overvoltage course is firstly built. The blended teaching method is then applied to the course teaching， realizing the student-centered engineering education concept. It also develops students' ability to solve complex problems and improves the teaching quality.

Keywords： blended teaching; power system overvoltage; student-centered; network teaching platform

“電力系統過電壓”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)課之一。該課程主要從電磁暫態(tài)基礎、雷電過電壓和內部過電壓三個方面分析過電壓的形成機理及保護措施，確立過電壓保護措施和方法，涵蓋數學、電磁學、電路和電力工程基礎等多學科知識的交叉和綜合，不僅理論性強，還與工程實踐密切相關。然而，該課程也存在著概念抽象，理論推導繁瑣，缺少必要的工程實踐環(huán)節(jié)等不足。傳統的課堂教學已經難以吸引學生注意力，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，也不利于鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。

以互聯網技術、信息技術和教育教學為依托的網絡教學平臺是一種教學資源共享性和互動性均較強的教學輔助工具。網絡教學方式能夠奉行“以學生為中心”的工程教育理念，有益于增加教師和學生以及學生和學生之間的知識互動，而且?guī)缀醪皇軙r間和空間限制，只要在有網絡和計算機（或者移動設備）的條件下就能夠實現課程教學的目的。網絡教學平臺為本課程的教學改革提供了重要的工具。

混合式教學是一種實用性強的教學方式，是課堂教學和網絡教學的有機結合，能夠充分發(fā)揮二者的教學優(yōu)勢，能夠激發(fā)學生的學習興趣，有助于提高課程教學質量。基于此，本文建設了“電力系統過電壓”課程的網絡教學平臺，并且采用“課堂+網絡”的混合式教學方式開展了教學工作，取得了較好的教學效果。

一、網絡教學平臺的建設

超星泛雅平臺及其學習通APP為教師和學生提供了一個課程管理、資源共享和在線直播等功能集成于一體的虛擬教學課堂，有助于發(fā)揮學生的學習自主性。教師可以通過超星泛雅平臺發(fā)布課程資源和管理虛擬課堂，還可以通過超星泛雅平臺的學習通APP，在移動設備終端上跟蹤學生的學習情況，回答學生的知識疑惑等。學生可以通過學習通APP隨時隨地地查看課程內容，回答問題和提交作業(yè)等。結合超星泛雅平臺及其學習通APP的功能和哈爾濱理工大學“電力系統過電壓”的課程特點，我們建設了該課程的網絡教學平臺。首先，在網絡教學平臺的首頁上公布本課程的基本信息，包括學分、學時、課程介紹、教師團隊、參考教材和課程章節(jié)等。此外，還需要認真、合理地構建課程的主要資源。

（一）課件資源的建設

課件是網絡教學平臺的重要組成部分，是學生在互聯網上學習課程的重要依據。與傳統課堂教學內部同步的教學課件，是提高學生學習效率的關鍵。根據我校教學大綱的規(guī)定，“電力系統過電壓”課程的教學內容主要包括電磁暫態(tài)基礎（分為集中參數電路、長輸電線路和變壓器的暫態(tài)過程三章）、雷電過電壓（分為雷電參數及其防雷措施和輸電線路的防雷保護兩章）和內部過電壓（分為工頻過電壓、諧振過電壓和操作過電壓三章）三大部分。以課堂教學內容為主要依據，同時本著源于課堂且又高于課堂的原則制作網絡教學課件。例如，在分析并聯電抗器對長輸電線路電容效應引起的工頻過電壓影響規(guī)律時，課堂教學主要是圍繞著輸電線路末端并聯電抗器的情況展開的，而且市面上的教材也是從這個角度出發(fā)的。因為這種情況最簡單，也容易讓學生理解工頻過電壓的形成機理。然而，事實卻證明學生對于輸電線路上任意位置處并聯電抗器情況下工頻過電壓的分析卻存在著困難。教學經驗表明：僅有不到3%的學生能夠準確地分析出任意位置處并聯電抗器對工頻過電壓的作用規(guī)律。在制作課件時，任課教師不僅需要將課堂或教材中的工頻過電壓內容整理成為課件內容，同時還在課件中提供分析長輸電線路任意位置處并聯電抗器對工頻過電壓作用的分析方法，使學生全面、深入地掌握課程知識。

該課程是大三年級的一門專業(yè)課，其前導課程包括高等數學、電路、電磁場和電力工程基礎等。熟練地掌握前導課程的知識有助于幫助學生理解本課程的過電壓知識。例如，一階集中參數電路的暫態(tài)過程可以通過“高等數學”課程中的一階微分方程或者“電路”課程中的一階電路的全響應公式進行分析。由于前導課程和本課程的知識側重點的不同，本課程教材只是一筆帶過了暫態(tài)函數表達式的求解過程，而直接給出了具體的表達式，這讓許多學生感覺到困惑，也很難讓學生將之與所學過的知識聯系到一起去。為了提高課程教學效率，需要在課件中適當地引入前導課程知識，諸如簡要的描述一階電路的全響應函數的求解方法。

該課程涉及到很多抽象的概念，而且教材中還缺少必要的示意圖。例如，一階集中參數電路暫態(tài)過程的教材內容僅包含暫態(tài)函數表達式和文字描述，而沒有典型的暫態(tài)波形。繁瑣的公式和單調的文字描述，容易讓學生失去看教材和認真聽課的興趣。為此，任課教師應該通過圖形處理工具或者仿真軟件，制作生動、形象地演示案例或仿真案例，并且將案例以靜態(tài)或動態(tài)圖片的形式展示在課件中，進而將抽象的概念或空洞的教材內容形象化，易于吸引學生的學習興趣，提高學生參與課程教學的主動性。

（二）作業(yè)庫的建設

根據每一章的教學內容，將本章的重要知識點整理成課后作業(yè)，以便于學生掌握課程的重點知識，達到加深知識的理解和靈活運用知識的目的。這種課后作業(yè)由名詞解釋、填空、單選題、簡答和計算題中的四種或者五種題型構成，從不同的角度考察學生的知識掌握和應用情況。每章的作業(yè)題都配有完整的答案，以便于學生核對作業(yè)完成情況。此外，因為本課程知識在電氣工程及其自動化專業(yè)本科生的就業(yè)和研究生入學考試中占有一定重要的比例，所以任課教師在設計課后作業(yè)時，有必要參考電網考試試題和研究生入學考試試題。例如，彼德遜法則是長線路中暫態(tài)過程的重要教學內容，也是歷年就業(yè)和研究生入學考試中重要考點，在課后作業(yè)中加入考試真題，不僅能夠拓寬學生的視野，還能夠直接將課程知識與就業(yè)和考研聯系到一起，吸引學生的注意力。

除了課后作業(yè)之外，作業(yè)庫中還包括隨堂作業(yè)。通常情況下，任課教師在傳統課堂教學過程中會適當地布置課堂作業(yè)，以檢查學生的課堂學習情況。任課教師可以將隨堂作業(yè)整理之后融入到網絡教學平臺的作業(yè)庫之中，以備不時之需。

（三）共享資料庫的建設

由于教學大綱和學時的限定，在傳統課堂教學中，任課教師采用理論解析法分析過電壓的形成機理，這種方法僅僅適合于簡單的等效電路情況，易于讓學生理解過電壓的具體分析方法，但是對于復雜等效電路情況卻幾乎無能為力。數值分析法是分析復雜等效電路情況下過電壓變化規(guī)律的重要方法，其圖形可視化結果也更容易讓學生理解抽象的概念。為此，任課教師將數值分析軟件（本課程以Matlab為主要數值分析軟件）基礎知識、使用方法和相關演示程序匯總在一起形成共享資料庫，有利于學生掌握數值分析軟件的使用方法，增加就業(yè)優(yōu)勢，還有益于學生對課程知識的深入理解。例如，任課教師將一階集中參數電路課件中的演示案例源程序做好注釋，然后將該程序代碼分享到共享資料庫，學生能夠自由下載源程序。類似的源程序還有二階集中參數電路的暫態(tài)過程、直角波電壓作用下變壓器繞組的波過程和工頻過電壓等教學內容的源程序。

課程設計是本課程的重要組成部分，是學生運用知識解決工程問題的主要途徑。本課程設計通過微課題的形式進行。微課題源于課程教學內容，同時又具有一定的工程實踐特點。在課堂教學中，任課教師將微課題題目發(fā)布給學生，讓學生自行收集和整理資料。為了幫助學生合理地利用網絡資源查找資料和開展微課題研究，避免走入誤區(qū)，任課教師將科技資料的收集和整理方法形成文件，同時為每個微課題題目提供若干個參考資料。然后，將該文件、參考資料和微課題題目信息等打包成組上傳到共享資料庫中，學生能夠隨時了解微課題的題目，設計要求和提交規(guī)范等，進而有目的地、高效率地完成課程設計內容。

（四）討論話題的構建

首先，由任課教師從實際生活角度出發(fā)組織討論話題，用實際的過電壓問題引起學生的學習興趣。比如，我們身邊是否出現過過電壓現象呢？普遍學生反映：在打雷的天氣里，遇到過變壓器爆炸而導致停電的情況，或者是電視、電腦被瞬間燒壞了的情況。然后，任課教師再根據學生的回答提出一個或者多個問題。例如，有沒有聽說過富蘭克林的風箏實驗？打雷一定會引發(fā)過電壓現象嗎？是什么原因導致變壓器爆炸的呢？讓學生根據所學知識自由討論，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和解決實際問題的能力。

討論話題還應該圍繞課程教學內容展開，進而引起學生的學習共鳴，鍛煉學生的邏輯思維能力。例如，長輸電線路上的波過程是與行波（電壓波或者電流波）的傳播速度密切相關的，那么這個傳播速度是電荷的傳播速度，還是電磁場的傳播速度呢？當學生在討論區(qū)各抒己見的時候，任課教師應當正確引導學生的討論方向，避免學生偏離主題的無效討論。討論結束后，任課教師對本次討論話題進行總結，加深學生對討論話題的思考，同時也促進任課教師對教學過程的反思。討論話題也可以由學生發(fā)起，但任課教師應該給予足夠的重視和幫助，以形成教師和學生、學生和學生互動討論的良好氛圍，有助于促進學生對課程知識的理解和應用。

二、混合式教學的實踐

本課程的課堂教學以板書教學方式為主，聲情并茂的講授方式易于吸引學生的注意力，條理清晰、層次分明的板書便于學生記錄和記憶過電壓知識。但是，板書教學方式難以生動、形象地描述抽象的概念或現象，比如輸電線路上的行波折反射和雷電的形成過程等。在講解到這些抽象的概念時，教師允許學生通過網絡教學平臺上的課件瀏覽和學習形象化和具體化的過電壓概念或現象。通過這種方式，學生能夠相對容易地接受過電壓知識。因此，“課堂+網絡”的混合式教學有利于提高課程教學效率。

網絡教學課件和課堂教學內容的同步使得學生能夠進行有效地預習或復習課程知識，易于讓學生對課程的重點和難點知識做到心中有數，跟得上課堂教學中教師的講課思路;也能夠及時發(fā)現自身的知識漏洞，有助于鍛煉獨立學習和邏輯思考的能力。學生可以將預習或復習中遇到的問題在網絡教學平臺上咨詢教師，也可以在課堂教學中與教師討論，教師要認真、耐心地解釋學生的疑難問題。在課堂教學中，教師以網絡教學課件內容為主線，同時堅持“學生為中心”的工程教育理念，密切關注學生的學習狀態(tài)，注意營造良好的課堂氣氛，通過啟發(fā)式提問、教學案例和邏輯推理等教學方法、強化過電壓的重點和難點知識。當課堂教學涉及到微課題相關內容時，教師應當結合具體的仿真案例和教學案例，站在學生的角度將相關內容的分析和解決方法詳細地講解出來。與此同時，教師還應當引導學生正確使用網絡平臺上共享資料庫，潛移默化地培養(yǎng)學生分析和解決過電壓實際問題的能力。

在講授完每章課堂教學內容之后，教師及時從網絡教學平臺的作業(yè)庫中調取課后作業(yè)并發(fā)布給學生，并通知學生在限定的時間之內完成。學生可以直接將選擇題和文字描述題的答案輸入到作業(yè)界面。對于作圖題和計算題，學生需要在簽名的草紙上作答并且拍照，然后將照片上傳到作業(yè)界面。當到達指定期限之后，網絡平臺將自動公布答案，學生可以自行核對作業(yè)答案并將有疑問的答案通過網絡平臺與教師進行溝通。教師要認真地統計易錯題和難題，并且在課堂或網絡平臺上對本次作業(yè)完成情況進行點評，還需要對作業(yè)庫進行必要的維護和更新。

混合式教學促進了“電力系統過電壓”課程教學從單一的課堂講授逐漸地過渡到課堂講授與網絡平臺上的多媒體課件、作業(yè)、共享資源和討論話題等教學資源有機結合的授課階段，豐富了課程的教學內容，易于引起學生的興趣。混合式教學實現了“學生為中心”的工程教育理念，鍛煉學生的邏輯思維能力、創(chuàng)新能力和解決復雜工程問題的能力，適應學生的個性學習需求，充分發(fā)揮學生的自主學習能力。同時，學生可以隨時隨地地學習課程內容，并且能夠及時地與教師或其他同學進行知識交流，加深對課程知識的理解。

三、結束語

電力系統過電壓課程是理論性和工程實踐性比較強的一門專業(yè)課程。通過建設資源豐富的網絡教學平臺，為混合式教學提供了重要保障。采用“課堂+網絡”的混合式教學不僅豐富了該課程的教學內容，吸引了學生的學習注意力，提高了教學質量;還實現了“學生為中心”的工程教育理念，充分發(fā)揮學生的學習主動性和積極性，使學生更好地掌握和運用課程知識。

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