新工科背景下電氣工程《電力新技術概論》課程教學研究

蘇盛 王力 肖輝 唐欣

摘? 要：新技術創新和新產業發展為工科專業帶來了新機遇、新挑戰、新要素，對工科專業人才能力培養提出了新要求。文章先對新工科定位下的電氣工程教學進行深度剖析，指出了教學過程中在教學內容設置、教學課堂形式、課程考核方式方面存在的問題;將翻轉課堂、項目式教學思維、多方面考核應用于《電力新技術概論》課程體系建設，探尋新工科理念下電氣工程新型人才能力培養模式。旨在提高學生圍繞實際生產需求提出問題的能力，面對實際生產狀況分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：電氣工程;新工科;翻轉課堂;項目式教學;工程教育

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）02-0091-05

Abstract： The innovation of new technologies and the development of new industries have brought new opportunities， new challenges， and new elements to engineering majors， and have put forward new requirements for the cultivation of talents in engineering majors. This paper firstly conducts an in-depth analysis of electrical engineering teaching under the new engineering orientation， and points out the problems in the teaching content setting， teaching form， and curriculum evaluation system during the teaching process; it will apply the flipped classroom， project-based teaching thinking， and open evaluation system. In the course system construction of "Introduction to New Technology of Electric Power"， explore the new talents training model of electrical engineering under the concept of new engineering. It aims to improve students' ability to ask questions around actual production needs， and to analyze and solve problems in the face of actual production conditions.

Keywords： electrical engineering; new engineering; flipped classroom; project-based teaching; engineering education

引言

世界范圍內加速進行科技革命和產業變革對工程教育的改革和發展提出了新挑戰[1]。為支撐以新技術、新產業、新業態、新模式為特征的新經濟高速穩步發展，提高國家綜合競爭力，在未來全球生態系統中占據戰略制高點，新工科理念下探索人才培養新模式是重中之重。傳統人才培養模式注重學生知識體系的構建，雖一直在強調理論結合實踐，但學生很少接觸到實際工程研究。電氣工程是新工科建設的重點學科，未來人類社會發展進步的基礎性能源學科。為培養工程實踐強、創新能力強、具有數字化思維和跨界整合能力的“新工科”電力專業人才，有必要將學科前沿研究和產業需求引入課堂教學，實現學生專業知識素養的培養和行業要求的無縫銜接，使得人才培養由學科導向轉變為產業需求導向，強化學生的問題導向思維能力，促使學生形成緊密圍繞問題需求、跨專業學習與融合知識解決問題的習慣，從而形成新工科的培養模式。

一、新工科定位下電氣工程專業教學

電力作為我國經濟發展和國民進行社會活動的關鍵性基礎能源，其技術現狀更是衡量國家綜合競爭力的重要指標。近年來，大數據、云計算、無人機等一系列新技術的不斷涌向，加快推進建設泛在電力物聯網被提上日程，旨在未來形成全面感知、數據共享、自愈型智能電網。智能電網的建設對現代電氣工程專業人才的知識、綜合素質、創新創造能力、跨界整合能力提出了新要求。

教育是推動科學技術發展的內在推動力，電氣工程人才培養重在電氣工程專業教學。隨著新一輪科技革命和產業變革的到來，知識更新和知識轉化速度不斷加快，傳統單一教學方式局限性逐漸凸顯。為支撐服務創新驅動等一系列戰略，培養我國經濟轉型需要的高素質復合型人才，教育部于2017年正式推出“新工科”人才培養計劃。實踐創新能力是培養新工科人才的首要要求，教學內容應該緊貼實際生產，知識來源于書本但不限于書本，給學生留下獨立思考的空間，培養學生發現問題、解決問題、分析問題的能力，激發學生動手實踐驗證書本知識的欲望;電力系統是一個多學科融合的復雜系統，單一學科無法有效解決實際生產問題，對新工科人才的學科跨界整合運用能力要求極高，課堂教學就書本知識點結合學科前沿穿插不同學科知識，訓練學生跨學科解決問題思維;交流合作是新工科人才的必備素質，智能電網建設是一個大工程，靠一己之力不可為，教學過程以學生為主體，依托項目化教學設計，有利于增加師生互動性，培養學生團隊協作能力。

二、當下電氣工程專業教學存在的問題

（一）教學內容重理論輕實踐

工程教育強調實踐與理論知識有機結合，旨在培養學生的實踐動手能力。而本科教育教學階段涉及到的都是書本知識，很少和實際生產生活需求掛鉤，導致絕大部分學生對所學專業的把握局限于書本知識。而且這些知識大多來源于一些老師的教學經驗整理成冊，隨著科學技術的不斷進步，在解決實際問題過程中難免出現部分知識點與先進技術脫節的情況，使得學生畢業后運用理論知識解決實際生產問題突顯出滯后性。國內部分高校由于經費原因而不愿意將教育資源投入到電氣工程專業建設，電氣工程學生往往和其他專業學生共用一個實訓基地，加之缺乏專業的實踐課程教師，使得學生在實踐教學過程中學到的知識很少，對學生的綜合能力提升有限，學生動手能力得不到有效改善。

雖有部分卓越班學生自主選擇導師，跟隨導師課題組做部分的項目或參加學科競賽，但大多主導權在課題組研究生身上，本科生屬于附屬部分，真正在項目或比賽中占主導作用的比例非常小。從本科畢業設計來看，大多數學生依然停留在被動學習階段，在查閱資料、提交論文大綱、創新點意識等方面存在明顯的不足，在自主解決遇到的實際工程問題的能力尚缺，較為依賴教師提供方案后被動式解決問題。

（二）課堂教學缺乏互動性

人才培養是高校最根本的職能，而人才培養主要靠教學，教學方式的好壞直接影響到人才培養質量的高低[2-3]。當前大部分高校都采用傳統“一言堂”教學方式，學生長期處于被動接受狀態，一門課“滿堂灌、堂堂灌”現象普遍[4]。老師作為教學主體過于注重傳授理論知識，缺乏師生之間有效的互動交流，缺乏對學生靈感的啟發和學習積極性的激勵，缺乏提高學生動手能力和創新能力的有效手段，無法有效發揮課堂教學的作用。老師給的結論很多，但是為學生拋出的問題卻很少，導致學生更多的是繼承知識，認為只要自己的理解和老師的講解一致就是讀懂了教材，掌握了某個點，考核時也只是一種知識的搬運，學生對課堂依賴性強，自我獨立思考創新不足，興趣性鉆研驅動力不足。無論是在實踐教學還是課堂教學過程中，學生運用所學知識解決實際問題時，難免會遇到一些新問題，教師作為傳道解惑的主體可以通過有效互動幫助學生解決問題，加深學生對知識的理解，然而老套的教學方式成為老師與學生之間有效互動的“絆腳石”。

（三）單一化考核

課程考核作為人才培養的關鍵環節，對學生所學起著檢驗性作用，考核方式往往注重形式和結果。部分學生平時不努力，期末復習好就能考出好成績;一些學生依靠瞬時記憶，在末考前臨陣磨槍記下知識點，并未真正掌握所學內容[5]。學生通過參加考試或提交結課論文來獲得相應學分和成績的傳統單一的教學考核方式，學生往往是為了分數而去行動，本質上還是被動學習，還是“唯分數”論學習，缺乏開放性、創新性和和綜合性。原有教師作為評成績的唯一主體，學生不參與評定的傳統考核形式，往往學生得到的成績或多或少參雜一定的個人情感，不能反應學生的真實水平，不利于構建老師與學生之間進行有效互動的大環境，不利于學生之間進行經驗分享學習，互相幫助學習，互相總結監督學習。這種方式培養出來的人才，難以體現現代教育的精髓，難以適應新工科建設的發展和素質教育的要求[6]。

三、《電力新技術概論》課程教學改革探索

世界范圍內愈演愈烈的經濟轉型和產業變革對工程專業人才培養提出了更高要求和挑戰，加快工程教育改革創新已成為“政產學研”各界的共識[7]。專業選修課作為大學課程體系中幫助學生開闊視野，提高學生綜合能力和增強思維導向能力重要課程，是培養學生創新、創業、創造能力的重要途經。然而往往面對專業選修課時，學生和任課老師都出現重視度嚴重偏移現象。《電力新技術概論》課程旨在幫助學生了解行業新動向、新技術、新發展，鼓勵學生打破常規思維，多角度、多思維、多學科去思考電力系統難題。目前教材的關注點主要集中于分布式能源并網、超高壓交直流輸電等新型發輸電技術，在知識層面彌補了傳統電氣工程專科課程設置的空白。電氣工程專業是新工科建設的重點學科，有必要將當下大數據、互聯網+、云計算、云服務、無人機等新技術和產業要求引入課堂教學，實現產教深度融合，提高學生分析問題、解決問題乃至提出問題的能力。為培養新工科要求的跨學科復合型、創新創造型、綜合型卓越電氣工程師人才，對《電力新技術概論》課程教學內容設置、教學方式、課程評價體系做出如下探索性調整。

（一）課程內容設置項目專題化

面對產業革命和技術更新的浪潮，著眼于知識學習和簡單應用的傳統課程內容設置方式不適合新工科人才的培養[3，6]。以學生為主體，強調理論結合實踐，立足于學生能力培養的項目式教學對新工科專業教學方法的探索具有重要指導作用。為響應國家戰略需求，培養新工科要求應用型、創新型、交叉學科整合的復合型人才，有必要圍繞電氣工程專業的新方向、新動態、新領域結合電力系統的實際需求與前沿研究，將《電力新技術概論》課程內容總結為如下六個項目專題。

1. 基于大數據技術的配電自動化終端設備狀態檢修

配電自動化系統為供電企業把握設備狀態，電網故障的快速抓取和恢復提供了高效可靠途徑[8]。數量龐大的配電終端廣泛分布于惡劣的環境，人工巡查難度大且效率低下，企業不能實時準確的掌握設備狀態。國內企業制定“到期必修”制度由于應修設備漏修率高，影響供電可靠性，不適合當下電力系統復雜的工況。近年來出現的基于大數據的在線監測技術可以實時抓取終端設備狀態信息匯集于變電站并反饋給供電企業，而海量狀態信息傳遞必定會導致相關節點的效率低下，可靠性降低。如何基于大數據技術深度挖掘設備狀態信息是企業掌握設備狀態，降低事故率，提高設備可靠性的關鍵技術問題。

2. 基于大數據技術的配電網節能降耗運行分析

配電網與用戶直接關聯，覆蓋面積大，負荷種類和接線方式繁多復雜，其運行經濟性不僅直接關系到廣大用戶和電力企業的經濟效益，也是社會效益和能耗狀況的重要體現[8]。配電網的節能降耗運行分析對平衡負荷快速增長與配電網投資建設滯后之間的矛盾有著重要意義。大數據技術提高了配電網全面感知能力，但如何對各類信息系統和智能表計采集的巨量數據進行深度挖掘為用戶提供個性化的服務;針對系統產生的非技術性網損，如何利用大數據技術提高電力企業竊電檢測能力，都是大數據應用于配電網需要解決的技術點。

3. 基于用電負荷大數據的用電客戶增值價值創造

智能表計和先進計量自動化系統的投入使用為供電企業獲得不同時間間隔準確而詳細的負荷消費數據提供了途徑。供電企業對消費數據進行深度挖掘分析，尋求同行業、同類別用戶用電特征，再運用分類和聚類算法即可完成用戶負荷模式提取，對改善電力系統穩定運行、節約電力資源、提高企業效益有重要意義[10]。隨電網規模擴大而來的電力用戶數據量激增使得傳統聚類分類算法效率低下的固有缺陷愈發明顯，迫切需要優化傳統算法或者引入開發新手段來滿足未來電力系統的擴張。

4. 基于雷電氣象大數據的組合分析

雷電是引起線路跳閘事故發生的主要原因，雷電數據對于線路防雷設計起著決定性作用。由于雷電高密度、高精度數據匱乏，傳統防雷設計靠經驗公式和經驗數據，對于雷電的預測具有隨機性。隨著學者對線路雷擊事件的不斷深入分析研究和雷電定位系統的應用，積累了海量多維度雷電數據，使得線路防雷設計和耐雷水平上了一個臺階。但當前的防雷設計只是專注于對雷電數據本身的深度挖掘，較少考慮氣象條件因素組合對電網雷害的影響[11]。

5. 基于氣象大數據的氣候變化對電力系統的影響風險分析

隨著“西電東送”等能源戰略的實施與深化，我國電網呈現出區域互聯、跨度大、覆蓋范圍廣的更高一級的骨干結構。雖然這種結構能夠實現電能快速區域支援，提高電能利用的靈活性，但如氣象條件對電網安全的威脅也得到放大。電網規劃初期會考慮海拔、濕度、溫度等氣象因素，對氣象變化有一定的冗余度，但是隨著電網規模的擴大，需要采集和處理的氣象數據指數型增加，如何將海量多源異構的氣象數據和電網自身特點和需求深度融合挖掘分析，成為當前利用氣象數據分析氣候變化對電力系統影響風險的關鍵技術難題[12]。

6. 電力系統輸配電線路無人機巡線創新應用方法

隨著電網規模不斷擴大，輸電線路巡檢工作量爆炸式增加，傳統人工通過肉眼或手持設備的低效率、高誤報率的巡檢方式已經不能適應現代電網高效運維的需求。無人機易攜帶、易操作、載荷豐富、不受地形及巡線環境限制的特點成為提高電力系統巡線質量和效率的契機，南方電網公司和國家電網公司都制定了機巡為主、人巡為輔的協同巡線機制。然而目前巡線無人機都為民用消費級，沒有結合電力領域的特殊需求進行無人機信息安全防護，這也是未來無人機大規模多元化應用于輸電線巡檢亟待解決的問題。

上述六個專題均屬于新工科范疇，所有專題既是電力行業普遍存在而又亟待解決的實際需求，又是國內外學術界正在開展研究的重點課題。學生可以自主選擇六個專題中的任意一個專題，老師只進行項目分解示范，然后由學生組成討論組對各自的項目進行分工協作、探究討論，最后通過各個小組匯報項目完成情況來進行評定成績。項目內容只涉及一般性統計學分析計算方法和編程應用，不存在高深的技術壁壘。以專題任務為驅動，學生為主體的項目式教學實現課程教學與實際生產實踐和行業前沿研究緊密貼合，利于學生開闊眼界，了解行業發展動態，提高學生思辨能力、團隊協作能力、自我構建知識體系的能力。

（二）課堂教學翻轉化

以往的本科教學方式，學生被灌輸性的接受知識，主要是老師講學生聽的方式，往往會出現“教”大于“學”和有“教”無“學”的現象，即老師傳授的知識無法完全被學生吸收。片面強調理論知識講解和教學任務進度，忽略學生的主動性、能動性、主體性，造成師生負荷過重，課堂教學效率得不到提高。在面對實際生產工程應用問題時，存在實踐能力不足、創新能力欠缺、理論知識薄弱、前沿意識匱乏、人文素養缺乏以及創業比例較低等問題，難以適應“新工科”建設對工科畢業生的要求[13]。針對此類問題，為了使學生能夠適應實際生產生活的需要，自主查閱資料、總結相關領域的研究成果、培養創新意識和養成主動學習的良好習慣，借鑒國內外已有的翻轉課堂經驗，轉變師生角色，讓學生成為課堂教學的主體。

隨著世界教育改革不斷深化，翻轉課堂教育理念已成為教育改革的新思潮，越來越多的教育工作者對其進行了研究[14，15]。翻轉課堂通過對知識傳授和知識內化的顛倒安排，改變了傳統教學中的師生角色并對課堂時間的使用進行了重新規劃，實現了對傳統教學模式的革新[16，17]。將教師與學生之間的關系進行翻轉，由學生提出問題、探索解決辦法、討論演繹、解決問題，著重開發學生的自主學習能力與創新精神，提高學生分析問題、解決問題的能力。在這種教學模式下，教師為引導作用，學生是發現問題、提出問題、分析問題、解決問題的主體，能夠隨時與教師進行線上討論;學生是講的主體，講課題的了解程度、工程中的問題探索、現狀分析、解決問題的思路和方案;教師是聽的主體，聽學生的匯報和思路，進行答疑解惑。教師只在啟發和支持學生自主學習方面發揮重要導向作用。通過這種方式，教師能夠更加深入了解學生的學習狀況、思想狀況、分析問題的特點，在教育過程中更加具有針對性。在這個過程中，不僅學生的參與度、和老師之間的互動性能夠得到保障，而且又可以培養學生獨立分析思考問題和創新創造的能力。

（三）多方面考核

人才培養是應用型本科高校發展的核心，而課程考核形式又是影響高水平應用型人才培養的關鍵因素[18]。在傳統教學理念中，大多數高校都是繼承傳統的學生寫試卷和提交結課論文來獲得學分的考核方式，存在學生要求老師考前勾重點和“考前突擊，考完就忘”現象，學生對知識的貯備轉化率低，更不必談運用所學知識解決實際難題。鑒于應試考核的消極影響，鍛煉學生的真本領，開放化考核將所有權完全交予學生，由學生定期主動向教師匯報總結，對于六個專題的解決思路并不存在限定性的答案，由學生提供可行方案，再由學生進行推演計算證明，最后由學生得出最優化的解決方案，這四個過程均由學生進行匯報總結，教師聽取報告，并提出建設性的意見和思路?？己擞稍締我恍缘目荚嚪绞礁淖優椤皡R報答辯部分、操作證明部分、材料收集整理能力、提取關鍵信息能力、小組合作溝通能力和創新思維能力”六個方面進行考核，提高學生自主學習、自主分析解決問題的能力。通過開放化的考核方式，學生將自己所學展現出來，使得學生的參與教學的參與度更高，學習過程中逐步發現自己的學習策略，反思和調試自己的學習過程，監視學習進展情況，自我評估，為自己的學習負責。

四、結束語

當前我國正在實施創新驅動人才強國戰略，新工科、翻轉課堂、項目式教學思維的結合，為當前教學工作提供新的思路。項目化教學內容設置實現從書本傳統理論知識到新技術新知識的跨越，產學研結合，提高學生自主學習能力、創新思維能力、實際項目問題的解決能力和對新生事物/技術的敏感能力;在項目化教學內容設置基礎上實施翻轉課堂教學模式，反轉師生角色，增強師生之間的交流互動，使得學生對教學有了參與度，有利于開發學生自主學習智能，提高學生綜合應用能力、獨立思考分析解決實際工程應用問題的能力;多方面的課程考核方式杜絕以往重形式、重結果的不良影響，消除應試教育的影響，有效保障了教學質量，符合現代化教育的要求。

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