新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革

梅 林， 孫玲玲， 鐘嘉慶， 張 楠

（燕山大學a.電子實驗中心（國家級實驗教學示范中心）；b.電氣工程學院；c.機械工程學院，河北秦皇島066004）

0 引 言

隨著新一輪科技革命和產業變革的加速進行，全球范圍內主要發達國家都在制定相應的發展戰略，積極應對新機遇新挑戰，開拓競爭優勢提升綜合國力。高等教育對于應對國際挑戰、服務國家戰略、培養科技人才具有重要意義。因此，深化工程教育改革、提高工程教育質量、增強人才培養能力備受矚目［1-2］。

教育部依托“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，啟動并開展了新工科研究與實踐項目，全力探索工程教育新模式、積累本土化經驗、助力高等教育強國建設［3-4］。新工科建設是高等工程教育適應新經濟、新產業的重大決策，也成為當前工程教育領域的研究熱點。

電力系統和我國國民經濟息息相關，其專業工程背景較強。電力系統綜合實驗作為學校電氣工程及自動化專業學生需要完成的學時最長、項目內容最多、考查專業知識最廣、操作難度最高的綜合性實驗課程，在培養學生工程實踐、應用創新、團隊協作等綜合能力方面起著重要作用，是本科實踐教學的重要組成部分［5］。在我國經濟發展步入新常態、高等教育邁進新階段之際，電力系統綜合實驗教學主動與新工科教育理念相對接，依照新工科建設要求進行改革與創新，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 教學改革目標及主體思路

新工科背景下的電力系統綜合實驗教學改革，需要結合新工科實踐新要求，迎合專業升級新契機，貫徹落實新工科實踐新理念。進一步制定合理的課程目標和能力矩陣，挖掘復合的科教、產學、校企等多方面資源，更新豐富教學內容體系，探索教學模式改革，完善個性化人才培養模式，構建有效評價機制，利用多元信息化技術，建立實用型工程實踐體系和平臺［6-7］。

我校電氣工程及其自動化專業作為河北省“雙一流”建設學科且已通過工程教育專業認證，立足于已有經驗和可利用資源，針對新工科背景下電力系統綜合實驗教學的改革要求，提出構建多元化分層級混合式實驗教學體系，創建基于工程教育專業認證的教學新模式，架構并整合教學、管理、數據三大平臺資源。

2 教學改革方案實施

2.1 構建多元化分層級混合式實驗教學體系

新工科建設研究和實踐改革是在新經濟新形勢下提出的新要求。因此，新工科背景下的電力系統綜合實驗教學改革就要圍繞當今科技發展形勢和行業內動態及時調整教學內容，追蹤科學研究中新理論新技術，利用工程應用中新成果新方法，緊跟本領域行業內新需求新動態，及時更新豐富實驗項目［8］。秉承“以學生為中心”，挖掘培養學生多元化能力，滿足不同程度學生多層次能力需求，合理有效利用教學資源。新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革創新構建多元化分層級混合式實驗教學體系，形成橫、縱、立體式全方位架構。

（1）多元化實驗內容。新工科背景下電力系統綜合實驗教學體系通過豐富實驗模塊多元化實驗內容，對實驗教學體系進行了橫向延伸。

遵循新工科路線體現多元化，電力系統綜合實驗項目庫選題包含專業課程：如電力系統暫穩態分析、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基礎理論知識，并將科技研究成果、工程項目案例、行業需求導向融入其中，如配電網靜態模擬及微機保護、電網虛擬仿真等。現有實驗項目庫包含電力系統自動裝置綜合實驗、配電網靜態模擬及微機保護設計實驗、常規三相四線制系統設計及綜合監測實驗、數字動態實時仿真系統及閉環110 kV線路保護實驗、電網虛擬仿真綜合設計實驗和電力系統分析實驗六大主項目模塊。實驗內容既兼顧基礎性專業知識的鞏固又融入符合新工科特色具有科研性、工程化、行業動態的新內容，擴展學生專業知識的廣度，利于學生綜合能力的培養。

（2）分層級實驗類型。新工科背景下電力系統綜合實驗教學體系通過實驗類型分層級將實驗模塊按照難易程度進行分級梯度化，對實驗教學體系進行了縱向拓展。

依據分層級設計思路，實驗主項目模塊下還設置出具有不同難度類別的子實驗項目（包含基礎驗證型、專業設計型和綜合創新型）。基礎驗證型項目為低級別實驗項目，選題來源于課堂講授的專業理論知識，實驗資料給出明確的實驗要求、步驟及注意事項等，學生通過實驗了解實驗平臺功能、掌握其基本原理、熟悉基本操作；專業設計型項目為中級別實驗項目，選題基于實驗平臺結合工程實踐或技術研究中難度適中的內容，依據實驗要求學生需要以團隊形式討論、構思、設計實驗方案，完成實驗操作并進行數據分析；綜合創新型項目為高級別實驗項目，選題可利用科研平臺研究成果、企業合作項目或追蹤行業內新需求由學生導師把關進行設計，學生團隊協作完成方案設計、實施操作及答辯等一系列實驗環節。

實驗類型既包括基礎驗證型實驗又加入專業設計型和綜合創新型實驗，著眼學生能力的深度培養，考慮學生個體差異性，因材施教有益于學生個性化發展。

（3）混合式實驗形式。新工科背景下電力系統綜合實驗教學體系充分利用網絡信息化資源采用混合式實驗形式，對實驗教學體系進行了立體建構。

混合式實驗形式將課堂和網絡教學內容進行整合，教學資源優勢互補，提升教學效率和教學質量［9］。課堂教學負責指導把控實驗方案，解釋回答學生疑問，規范監督實驗操作，評定考核實驗過程。網絡教學利用線上與實驗項目相關的慕課和微課等資源，依托網絡管理平臺，使學生在共享優質教學資源的同時可以在線完成預習實驗內容、預約實驗時間、提交實驗資料、完成實驗互評等一系列操作。

混合式實驗形式實現線上線下教學資源互補和有效利用，有助于學生開闊視野、增強自主學習意識、提升深度學習體驗。

圖1所示為新工科背景下電力系統綜合實驗多元化分層級混合式教學體系的組成示意圖，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具體構成形式。多元化分層級混合式實驗教學體系適用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，與新工科理念有效融合，線上線下資源有效利用，是對學生綜合能力培養十分有益的探索和實踐。

圖1 電力系統綜合實驗多元化分層級混合式教學體系

2.2 基于工程教育專業認證的教學模式創新

新工科建設肩負著工程教育改革創新的任務，新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革探索基于工程教育專業認證教學模式創新，加強新工科人才培養體系建設，拓展工程教育新理念新思路。

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［10-11］。我校電氣工程及其自動化專業已于2018年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。新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革在汲取工程教育專業認證經驗基礎上，以工程教育OBE理念為教學導向，引入CDIO和翻轉課堂高效推進教學實施，建立多維立體化評估體系完善教學評價，創新構建基于工程教育專業認證的多類型融合式實驗教學新模式，如圖2所示。

圖2 基于工程教育專業認證的多類型融合式實驗教學模式

OBE教學理念“以學生為中心”，關注于學生學習產出，“定義預期學習產出-實現預期學習產出-評估學習產出”是其主線［4-6］。

（1）電力系統綜合實驗課程依據本專業在新工科背景下制定的培養目標、畢業要求和分解指標點，明確本課程所支撐的指標點及權重，建立本課程的能力矩陣，細化本課程的課程目標，完成“定義預期學習產出”，確定本課程對學生專業基礎知識、專業工程技能、工程綜合運用和工程素養等多方面工程綜合能力的培養目標。電力系統綜合實驗課程能力矩陣見表1，此處僅列到1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。

表1 電力系統綜合實驗課程與畢業要求1級指標點關聯度

（2）為保證高效“實現預期學習產出”，需要合理制定教學方案，高質量實施教學活動。新工科背景下電力系統綜合實驗教學將CDIO和翻轉課堂相結合，實現教學模式優勢互補，推進工程教育專業認證的范式遷移，助力學生綜合能力的全面培養。CDIO的核心四環節（構思、設計、實施和運行）貫穿應用于課程開展全過程，推動項目式教學和團隊訓練，拓展發現問題、提出問題和解決問題的實踐環境，提升學生自主創新和協作意識，有利于全面培養學生的專業技術、工程應用和工程素養等工程實踐綜合能力［12］；翻轉課堂共享信息化資源優勢，利用課堂外靈活時間彌補課堂內學時不足，實現師生角色轉換，教師成為實驗教學引導者和答疑者，充分調動學生自主學習積極性，有益于增強學生獨立思考意識和建立全面思維體系［13］。

（3）新工科背景下電力系統綜合實驗教學的“評估學習產出”是對學生專業基礎知識、專業工程技能、工程綜合運用和工程素養等多方面素質能力的全面考核，設計多元化考核內容和多樣化考核形式，建立多維立體化評估體系。依據實驗項目分類（基礎驗證型、專業設計型和綜合創新型），縱向維度考核不同實驗類型；基于工程教育專業認證，立足本實驗課程能力矩陣，橫向維度考核所支撐指標點的達成度；關注學生實驗完成度和參與度，深向維度在常規實驗成果考核基礎上加入實驗過程考核。多維立體化評估體系既可實現對實驗項目、課程支撐指標點、學生實驗完成情況等考核點的單一信息統計，實現對單一實驗項目、單一指標點和單個學生實驗情況的考核評估；也可以任意組合幾個考核點構成多維信息統計，建立起實驗項目庫、能力矩陣、全體學生實驗情況等本實驗課程綜合情況的評價機制。新工科背景下電力系統綜合實驗教學多維立體化評估體系的評價分析結果可有效指導課程的“持續改進”。

2.3 教學、管理、數據平臺資源構建及整合

在當今快速發展的云平臺大數據時代，將“互聯網＋”信息化優勢應用于實驗教學，并進行深度融合，是新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革的全新挑戰和有益嘗試［14-16］。

依托國家級實驗教學示范中心和河北省電力電子重點實驗室，將現有平臺資源和開放式網絡資源有機整合，促進優質教學資源綜合利用，有效提高實驗教學質量；采用先進教學管理軟件，提升學生實驗過程體驗，優化教師實驗教學效能；基于云平臺海量信息，構建智慧化實驗環境，實現信息共享和大數據分析，搭建交流溝通和信息傳輸通道。教學、管理、數據三大平臺資源的構建及整合，能高效提升新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革步伐，有效助力學生綜合能力全面培養。圖3為新工科背景下電力系統綜合實驗平臺資源整合構建圖。

圖3 新工科背景下電力系統綜合實驗平臺資源整合構建圖

（1）開放式混合型實驗教學平臺。選取線上優質教學資源并結合制作微課等搭建線上開放式網絡教學平臺，實驗設備及仿真軟件等構成虛實結合的線下混合型課堂教學平臺，開放電力系統綜合實驗所有項目庫信息，統一構建形成新工科背景下電力系統綜合實驗的開放式混合型實驗教學平臺。

線上網絡教學平臺包括實驗空間、國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺、中國大學MOOC（愛課程）、學堂在線、超星泛雅等優質校外教學平臺資源、校內自建慕課平臺資源和自行制作微課。教師將資源進行篩選甄別、高效匹配和有機整合，再補充制作輔導性微課，保證線上網絡教學平臺資源具有針對性和高效性。

線下課堂教學平臺提供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、電能綜合監測實驗臺、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系統等一系列實驗設備及虛擬仿真軟件，用以支撐實體操作型實驗項目和虛擬仿真實驗項目的有效開展。

（2）網絡化管理平臺。新工科背景下電力系統綜合實驗能提供更加豐富的實驗項目、多元化的教學資源、混合式的數據信息，網絡化實驗教學管理平臺可提供系列功能，幫助學生熟悉實驗流程高效完成實驗項目，協助教師調配教學資源提升教學管理。

學生登錄網絡化實驗教學管理平臺，在實驗前查詢實驗要求和項目庫信息，定制個性化實驗菜單，預約實驗時間，制定實驗進度表，提前預習實驗內容；實驗中，提交項目進度文檔，查詢資料深度學習；實驗后，上傳實驗電子報告，課后拓展性訓練，完成實驗評價。

教師使用網絡化實驗教學管理平臺利用網絡化優勢，科學高效管理實驗教學活動，促進實驗教學有序高質量完成。

（3）智慧化大數據信息平臺。將云平臺大量數據信息加以合理高效利用，構建智慧化實驗教學環境，助力新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革。

以往理論課教師和學生、實驗教師和學生之間信息溝通往往是單向的，建立智慧化大數據信息平臺搭建實驗教師、學生、理論課教師雙向互通渠道，將理論教學和實驗教學有效融合相互促進，利于學生知識及能力梯度螺旋式上升。

同時，智慧化大數據信息平臺打破原有實驗管理壁壘，將實驗信息大數據上傳至云平臺，相應職能部門可從云端共享信息，根據統計需求隨時獲取所需數據，便于開展課程評估考核、構建學生綜合能力評價、提供培養計劃調整依據。

3 結 語

電氣工程及其自動化專業繼通過工程教育專業認證和被評為河北省“雙一流”建設學科后，在新工科建設背景下對電力系統綜合實驗教學進行改革試點。基于2017～2020年4個學年的教學實踐探索，系統評估數據和課堂反饋顯示，對新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革非常支持和支持的學生占比高達66.34%和24.58%。實驗教學改革有效地調動了學生實驗積極性、提高了參與度、提升了學生工程實踐和創新能力、增強了學生自主學習和團隊意識。同時，科教產學融合的實驗項目激發了部分學有余力同學的科研興趣，部分同學以此為契機已加入相關課題組參與科研、企業項目的深度研究。

新工科背景下電力系統綜合實驗教學改革中，多元化分層級混合式實驗教學體系、基于工程教育專業認證的教學模式創新、各類平臺資源的構建整合等有益的實踐與嘗試，對于落實新工科理念、推動新工科建設、實現新工科培養目標發揮了積極作用。后續將總結經驗持續改進，發揮此改革試點的示范和輻射作用，進一步全面開展專業新工科建設，不斷完善符合新時代新要求復合型人才的培養機制。