問題導向式教學在電氣工程專業培養中的應用與效果評價

湖南工學院電氣與信息工程學院 何 西 董 恒 劉柏伸 陳孟娜 陳汝佳 肖康松

工科專業培養的學生要能夠解決復雜問題，因此需要有很強的溝通和解決問題的技能，然而如今的工科畢業生缺乏這些技能，無法有效應用其本科階段學習到的基礎知識。其中一個重要的原因就在于傳統的“填鴨式”授課方式（教師在臺上講，學生在下面聽）使學習成為外在激勵而不是內在激勵，學生興趣不高，接受度不理想，即便是學生當時記住了這些知識點，由于沒有經過自己的思考和動手，時間一長很快就忘掉了。一般來說，工程教育的傳統授課方法是演繹式的，即從理論開始，向應用發展，但沒有討論為什么要建立數學模型或者對于數學模型的本質沒有清晰的認知，嚴格來講這種教學方法是不合格的，因為知識沒有建立在理解和實踐的基礎之上，而僅僅是對于知識點的背誦和記憶。這種傳統的學習環境過于抽象和枯燥，讓學生有一種無聊感和缺乏動力的感覺。因此，許多教育學專業提倡經驗與現實生活相結合，以現實生活中的問題為導向激勵和培養學生。

工程教育的主要目標之一是培養基礎廣、靈活的人才，培養學生綜合思考、解決問題的能力。在工程學中，基于問題的學習是一種自然的學習方式，因為它支持發展學生解決不明確問題的能力，增加批判性思維，并擴大學生的溝通技能。此外，基于問題的學習方式可以為學生提供終身學習所需要的技能，使得學生能夠有效并且有效率地獲得所需的新技能和新知識。

一、問題導向式學習在電氣工程專業教學中的應用

我們在2019年下半年對本校電氣工程專業16級專升本四個班進行了試驗，其中對1601和1602班共81名學生開展問題導向式教學，對1603和1604班共85名學生按照原來的講授式方法進行教學，在期末對學生的成績進行對比。本次試驗選擇的是電氣工程專業中應用和綜合性較強的“電力系統自動化”課程，此課程是電氣工程及其自動化專業非常重要的專業課程，是對前期基礎專業課程更深層次的延伸。在學習了“電路基礎”“電機學”“電力系統分析”和“自動控制原理”等相關理論基礎課之后，通過本課程的學習能夠使學生對整個電力系統網絡自動化部分有基礎的了解和全面的認識，并且對電力系統穩定運行背后的一系列自動調節系統的功能和原理有更進一步的理解，為學生以后從事電氣工程專業類工作奠定基礎。本課程重視基本概念、基本原理的講解，且與工程實際聯系緊密，通過實驗仿真訓練加深學生對電力系統自動化實現過程的了解。通過本課程學習，培養學生：（1）掌握電氣工程專業基礎知識，具有分析和解決復雜電氣工程問題的初步能力；（2）具備對分解后的復雜電氣工程問題進行表達和建模的能力；（3）具有終身學習的知識基礎，掌握自主學習的方法，了解拓展知識和能力的途徑。本課程教學內容大致可分為四個部分，基于問題啟發式教學模式設計如下。

（一）發電機的自動并列

此章節內容包括準同期并列的基本原理、線性整步電壓、恒定越前時間、滑差檢測、電壓差檢測、合閘信號控制邏輯、頻差控制方法、數字式并列裝置等。在基于問題啟發式教學模式中，我們提出一個實際的場景，即在發電機檢修之后需要并入電網，在實際的操作過程當中需要注意哪些電氣量？各個電氣量需要滿足什么條件？在章節講解結束之后，給學生布置任務：通過查閱相關資料并結合所學的單片機或PLC知識設計一個電路圖實現數字式并列裝置。此裝置需要能夠判斷電壓幅值、相角以及頻率，還需要對不滿足要求的值進行自動調節。

（二）同步發電機勵磁自動控制系統

此章節內容包括勵磁自動控制系統構成、同步發電機并聯穩定性、勵磁系統的基本要求、直流勵磁、交流勵磁系統組成，勵磁控制系統傳遞函數的建立、勵磁調節器與電力系統穩定的關系、勵磁控制系統的仿真等。在基于問題啟發式教學模式中，我們首先從勵磁控制系統的模仿開始，要求學生設計一個基于Matlab的電力系統穩定器（PSS），此PSS需要滿足一定的參數，學生在仿真模型搭建的過程中可以參考書本和網上的資料，教師逐步引導學生。通過仿真步驟的深入，逐步對原來書本上的各個知識點進行講解。

（三）電力系統頻率及有功功率的自動調節

此章節內容包括負荷的調節效應、發電機組的功頻特性、電力系統頻率特性、控制調頻器的信號分類、電力系統頻率和有功功率的自動調節、經濟負荷分配、系統頻率的事故限額、動態特性、低頻減載的原理、最佳斷開功率、功率頻率控制系統等。與第二章類似，在基于問題啟發式教學模式中，我們首先利用Simulink搭建自動發電控制系統（AGC），此AGC需要滿足一定的參數，學生在仿真模型搭建的過程中可以參考書本和網上的資料，教師逐步引導學生。通過仿真步驟的深入，逐步對原來書本上的各個知識點進行講解。

（四）電力系統電壓調整和無功功率控制技術

此章節內容包括電壓控制、無功平衡、無功功率電源分類、控制和調整負荷點的電壓控制方式、電壓綜合控制方法、無功功率電源最優控制方法。在基于問題啟發式教學模式中，我們首先提出問題：“什么是無功功率？”這個看似簡單的問題其實很多學生并不能夠清楚地回答，我們通過視頻和PPT對無功功率的本質進行解釋。接著提出問題：“無功平衡與電壓的關系？國標允許各類用戶的電壓偏移？控制變壓器變比調壓要注意什么事項？怎樣結合不同電壓控制措施達到綜合控制？布局合理無功功率電源最優控制方法？變壓器分接頭的選擇方法？”通過問題導向，循循善誘，激發學生的興趣，引導學生由淺入深地理解問題的本質。

二、效果評價

由于此門課為考查課程，評價等級分為“優秀”“良好”“中等”“及格”和“不及格”。在學期末的考查中發現基于問題導向式教學模式的學生得到“優秀”和“良好”等級的比例要遠高于傳統的基于講授式教學模式的學生，但是對于學習積極性不高的學生來說效果并不明顯，兩種模式不及格率相當，獲得“及格”的人數也相當。由此可見，問題導向式教學方法可以將部分原本“中等”的學生提升至“良好”，將部分“良好”的學生提升至“優秀”。值得注意的是，我們對學生的成績評定方式并不以閉卷考試成績為主，而是采取項目設計的考查方式，要求學生在規定的時間內設計出一個系統，重點考查學生解決問題的能力。

傳統的教學模式過于抽象和單調，讓學生覺得枯燥無聊且缺乏學習動力，基于問題的教學模式可以培養學生解決不明確問題的能力，增加批判性思維，并擴大學生的溝通技能。此外，基于問題的學習方式可以為學生提供終身學習所需要的技能，使得學生能夠有效并且有效率地獲得所需的新技能和新知識。