新工科背景下“電氣工程基礎”課程改革教學研究

劉廣敏 李小偉 解兆延 喬 昕

山東交通學院 山東濟南 250357

新工科(Emerging Engineering Education，3E)是中國為主動應對新一輪科技革命與產業變革，在新經濟、新起點的大背景下提出來的概念，目前在社會各界和高等教育領域引起普遍關注和巨大反響[1-2]。新工科建設將階段性推進，需要重點把握學與教、實踐與創新創業、本土化與國際化三個任務，關鍵在于實現立法保障、擴大辦學自主權、改革教育評價體系三個突破[3]。我國高等教育中的工科教育從規模上已經是世界第一，畢業生規模占世界工科畢業生總數比例為全球第一(38%)[4]。因此，正如吳巖指出的那樣，理解新工科建設的重要性和緊迫性，一是要站在實現中華民族偉大復興大局和世界百年未有之大變局這兩個“大局”的背景下，二是要站在“兩化重疊”的背景下認識“新工科”建設的迫切性[5-6]。

1 在新工科建設要求下本課程現狀

1.1 課程定位與內容分析

“電氣工程基礎”是本校軌道交通電氣與控制專業的專業基礎課，是后續電力系統分析、牽引供電、高電壓技術、微機運動監控技術、繼電保護原理、接觸網等專業必修課及專業選修課的重要基礎。本課程包含電力系統的組成、特點，電力網分析，電力系統的一次設備，電力系統的主接線形式、配電裝置，電力系統的短路分析，繼電保護基礎知識，電力系統二次回路，電力系統的接地與接零等發、輸、變電的基礎知識。本課程涉及的電力系統的知識面比較廣，很多概念比較抽象，電力系統的一次設備、二次設備都是行業專用設備，同時又涉及了很多電力系統的國家標準及輸變電的基礎操作規程，課程難度大。采用傳統的課堂講授式教學，學生學起來很吃力，學習效果不好。本文結合本課程多次授課的實際教學經驗，分析課程現狀及存在問題，探究課程教學改革措施，以提高學生對課程的興趣度，提升學生專業素質，打造優質課程。

1.2 學情分析

根據本課程的多次授課經驗，分析歷屆學生的學習情況，學情分析如下：

(1)本校為應用型本科大學，學生入學分數不高，學習習慣或基礎不是特別好；

(2)經過三個學期的學習，學生具備了一定的數學基礎、電路基礎、電子技術等基礎知識；

(3)本課程開在第四學期，大部分學生缺乏自主學習習慣，處于被動學習階段；

(4)本課程采用傳統“漫灌式”教學，學生接受度不好。

2 電氣工程基礎課程教學現狀及存在的問題

“電氣工程基礎”這門課程是本專業的重要專業基礎課，教學現狀如下：

2.1 課程知識面廣、原理抽象、理論推導性強

本課程涉及電力系統的各類基礎知識，如行業專有名詞、各類原理以及電力系統的各種設備、基于各種基礎知識和電路原理的理論推導及理論分析等，既有廣度又有深度。采用傳統的以講授為主的授課方式，學生處于被動接收狀態，大部分學生學習主動性差，學習效果不好。

2.2 授課課時少、學習質量差

在工程教育認證“厚基礎，寬口徑”的背景下，本專業人才培養方案調整，本課程僅有40學時，而本課程知識面廣、課程難度大，學生很難做到系統、全面地掌握電氣系統的基礎知識，很難達到能夠進行基本的理論推導及理論分析，無法很好地完成教學目標。

2.3 教學手段單一，方式傳統

課程雖然也采用了多媒體課件、雨課堂測試、雨課堂點名、雨課堂作業等改進措施，但是課程主要以授課教師講授為主，學生處于被動接受狀態，屬于“填鴨式”教學，教學手段比較單一，方式傳統，不能很好地支持該課程教學目標的達成。

2.4 考核方式不科學

課程主要采用傳統講授式授課方式，對應的考核方式也是傳統的以考試為主的考核方式。本課程平時成績占30%，主要包含出勤、作業、實驗成績等；期末成績占70%，以期末考試的方式進行。成績中，期末考試成績占比大，很容易造成學生平時不學習，期末靠背誦記憶、押題等臨時抱佛腳的模式以應付考試，很難調動學生平時的學習積極性。本課程需要改革考核方式，以調動同學們在整個課程期間的學習積極性。

3 電氣工程基礎課程改革措施

3.1 調整教學內容

隨著電力行業發展的經濟、高效、環保的新要求，電力行業不斷出現技術進步和產業升級，電網建設、資源配置呈現出新趨勢、新特點。本課程需要根據行業發展需求調整課程教學內容，對于每一部分的教學內容確定重點、難點及教學目標。

本課程采用教材為馮建勤主編的《電氣工程基礎》，電力出版社出版。電力工程的基本知識為課程基礎的教學內容，在此基礎上，電力網的基本知識，包括接線方式、結構、電力線路的參數與等效電路、變壓器的等效電路與參數計算、電力網的損耗等是本課程重點講授內容。變電站的一次設備，包括電弧的產生、高壓斷路器等一次設備、低壓電器等都是本課程的重點內容。電氣主接線的基本形式及適用范圍、主變壓器的選擇、限制短路電流的措施、配電網等這些電氣主接線與配電裝置是本課程的難點內容。電氣設備的發熱和動力計算、電氣設備選擇的一般性原則、高壓設備的選擇是本課程的難點內容。二次系統與裝置的相關內容是本課程重點內容。由于本專業后續還有電力系統分析課程、繼電保護原理課程、高電壓課程，因此，電力系統的短路分析這方面的知識、電力系統繼電保護方面的知識、接地與電氣安全知識、電力系統過電壓保護知識本課程不講授。

3.2 以學生為中心重新設計教學方案及考核方式

本課程難點在于需要融會貫通數學、電路知識，進行電力系統分析及計算，對于地方應用型大學的本科學生，想要按計劃完成教學目標還是有難度的。采用傳統的以教師講解為主的教學手段，教學效果不理想，學生學習主動性差，對于知識點的理解只有模糊印象。

對于電力工程的基本知識部分，以教師講授為主，輔助以翻轉課堂、競賽、小測試等考核方式，鞏固學生對于這些基礎知識的掌握。例如，在講授中性點接地方式時，教師只講授典型的中性點不接地方式，而采用翻轉課堂的方式，讓學生講授其他中性點接地方式，并加以討論。

電力網及其分析部分是在電力工程的基礎上對電力網進行初步的認識和分析。這部分知識既有概念，又有建模及數學、電路分析，綜合運用數學和電路原理進行分析計算部分占的比例很大，難度大。對于以概念為主的知識點，以講授為主，需要注意的是，可以通過擴展作業使學生擴展一下知識點，由A到B再到C，實現學生的自主學習及知識的擴展。對于數學、電路分析類知識，要求學生去預習相關知識點并進行考察，否則進行數學推導及電路分析時，學生很容易跟不上思路。由于課時限制，對于可以舉一反三的知識點，可以通過線上微視頻+小測試的方式讓學生自學。

變電站的一次設備這部分知識主要是對于電弧和一次設備的認識。對于電弧的認識，可以通過視頻、圖片等多種形式加深學生的印象。對于高壓斷路器等一次設備，需要結合實例進行講解，也可以采用翻轉課堂，讓學生來進行其他一次設備的講解。

電氣主接線與配電裝置這部分知識有很多行業基本規范，又有很多專有名詞和概念，學生學習起來很吃力。對于行業基本規范，應該讓學生知道規范出處，引導學生注重行業規范及國家標準，對于這些規范應該仔細講解，讓學生在理解的基礎上進行記憶，進一步實際應用。而對于名詞和概念，可以通過多次測試及競賽，讓學生加深印象和理解，進而逐漸掌握。對于配電裝置，僅講授行業用得最多的成套配電裝置，分散配電裝置采用自學+測試的方式完成。

電氣設備的選擇這部分知識有很多行業基本規范及數學分析，采用講授、線上討論、翻轉課堂等多種教學方式進行。

二次系統與自動裝置這部分涉及很多新的概念、功能定義及電路分析，其中電路分析是重點也是難點。對于電路分析這部分知識來說，可以采取動畫的形式，再錄制微課分享給學生，要求學生課下反復復習，再完成測試。

教學方案根據教學內容可以千變萬化，一定根據學情，充分調動學生的積極性，以學生為中心，對應的考核方式也很多。對于一些需要時間比較長、難度比較大的綜合運用性考核，可以通過擴展作業、不限時作業的形式來進行考察，使不同層次的學生得到不同程度的鍛煉。在設計考核方式的時候，更應該注重擴大平時成績的比重，可以把平時成績提到總成績的50%～60%。

3.3 融入思政元素

通過本專業的學生的學情分析可知，在整個學期中，學生的學習熱情會逐漸降低。在課程中融入思政元素，不僅能夠對學生進行愛國主義、職業素質等方面的教育，更重要的是通過這些元素激發學生的學習熱情，提升學習積極性，使學生在整個學習過程中都能夠處于比較飽滿的學習狀態。

思政元素可以選取電力系統的領軍人物、勞動模范、鐵道兵的獻身精神等，并形成思政元素素材庫，在合適的知識點進行融入。

3.4 線上線下有機融合

線上、線下教學要有機融合，線上教學作為線下教學有益的補充。線下教學重點講授階段性的新知識、重點內容、難點內容，把整個課程串聯起來，是課程的骨架和主要肌群。而對于一些可以舉一反三、需要課外延展、需要課外鞏固比較多的課程，我們采用線上完成，例如，錄制微課、組織討論、答疑、競賽、課外PPT展示等多種形式。線上教學靈活多樣，教師要注意引導學生的自主學習能力，教師給出一個點，學生引申出來一個面。線上教學成為線下教學有益的補充，也成為學生擴展課程知識體系的搖籃。

3.5 虛擬實驗加演示實驗相結合

本課程涉及很多電力系統的基礎設備及系統，在行業內，這些設備和系統都價值不菲，采用建設虛擬實驗室的方式來解決資金緊張及設備、系統更新問題。我們可以虛擬一次設備，采用3D動畫的形式來展示設備的構成、動作過程等，采用動畫來展示典型的二次回路的工作原理。進一步進行課程的行業規范、系統選型、系統配置、系統設計方面的虛擬仿真學習。

結語

“電氣工程基礎”是本專業重要的專業基礎課程，知識點多、難度大，采用傳統的以講授為主的教學方式很難達到很好的教學效果。結合新工科建設要求及地方性應用型大學的建設目標，可以從教學內容、教學方案、考核方式、線上線下結合、思政建設、虛擬實驗室建設等方面進行課程的改革，改變當前學生被動接收知識的方式，以學生為中心，充分調動學習積極性，加大平常考核力度，提高課業難度，最終改善課程的學習效果，為學生學習以后的專業課打下堅實的基礎。