課程思政背景下電力系統分析課程協作式教學改革研究

郭壯志，薛鵬，徐其興

(河南工程學院 電氣信息工程學院，鄭州 451191)

電力系統分析是電氣工程及其自動化專業強電方向的核心必修課程。2014年，為落實《河南省人民政府關于加快發展現代職業教育的意見》《河南省現代職業教育體系建設規劃(2014—2020 年)》的總體要求，河南省教育廳啟動開展本科學校轉型發展試點工作，河南工程學院成為應用技術型大學。為契合河南工程學院作為應用技術型大學培養具有夯實理論基礎和強工程應用能力的高層次應用技術型人才需求，2017 年課程組開始探索教學內容、實踐實訓模式和教學方法等多方面的改革[1]，并通過課堂實踐和學生閉環反饋的策略，循序漸進地進行教學模式逐步優化。經過4 年的課程教學改革與實踐，電力系統分析課程組已形成一套系統的“案例法教學+虛擬化實踐+實訓”的教學模式[2]，達成了理論教學和工程應用的有機融合，不僅提升了課程教學的整體效果，且增強了學生學以致用的能力，強化了人才綜合培養質量。為深入貫徹落實2019 年我國《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創新的若干意見》，2020 年教育部印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》，明確指出需將馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養融入工學類專業課程教學過程中，其給河南工程學院的電力系統分析課程教學過程提出了融入思政教育的新要求，新一輪的課程深化改革勢在必行。采用何種方式在課堂教學過程中把工程倫理教育與專業知識教育有機融合，從而擔負起學生專業素養提升和科技報國使命擔當的雙重任務，已成為思政教育背景下電力系統分析課程教學亟待解決的問題。

2020 年10 月課程組結合河南工程學院高層次應用技術型人才培養需求，深入探索思政背景下電力系統分析課程教學方法，基于馬克思主義協作理論和課程教學改革前期成果，提出了教學過程融入課程間協作、師生協作及理論應用協作的協作式教學方法并將其應用于課堂教學，提高了學生學習的積極主動性、理論學習效果和學以致用的能力，培養了學生的協作精神，有效地將價值觀引領、理論知識傳授和專業能力貫穿于電力系統分析課程教學全過程，實現了德育與專業知識教育的有機融合。

一 電力系統分析課程協作式教學的基本內涵

在同一生產過程中，或在不同的但互相聯系的生產過程中許多人集中在一起，有計劃地協同勞動，被馬克思稱為協作，并在《資本論》中通過深入論證得出：協作不僅提高了個人生產力，而且創造了集體力，可顯著提高工作效率。很顯然，在日常工作和生活中若能基于馬克思主義協作理論充分合理利用個體間的差異，通過個體之間協作實現優勢互補，可以極大地提高預定目標達成效率；同樣，若能在教學過程中合理地應用馬克思主義協作理論，將極大地提升教學效果。因此，國內學者很早已開始聚焦于基于馬克思主義協作理論的教學探索，并將其應用于各種類型課程的課堂教學[3-5]，形成了豐富的理論和實踐教學成果。

電力系統分析課程不僅是一門涉及物理、數學、電路、電力電子和電機等學科的多學科交叉課程，而且是理論和工程應用融合的課程。除了教師和學生間的協調會影響電力系統分析課程教學質量外，學科間的協調及理論與工程應用間的協調等都將直接關系到該課程教學目標的達成。然而，當前已有的協作教學方法主要是以教師和學生間的協作為切入點的互動式教學，即只考慮人與人之間的協作，對影響教學的其他關聯要素考慮并不充分，雖然其能為電力系統分析課程的協作式教學提供一定的理論借鑒，但是并不能直接應用，需要在其教學中進一步拓展馬克思主義協作理論中的協作要素，深入挖掘除人的因素外其他影響電力系統分析課程教學的關聯要素，并探究教學過程中關聯要素的有效協作方法。因此，本文所提出的電力系統分析課程協作式教學方法的基本內涵為盡可能利用一切影響教學目標達成的師生要素、課程要素和理論工程要素等，基于馬克思主義協作理論，有計劃地實現人的要素和非人要素間的互補協調融合，進而實現電力系統理論知識的化繁為簡，提高學生學習的積極主動性，增強學生學以致用的能力，培養學生的協作精神，為達成具備科學精神和夯實專業知識的應用技術型人才培養目標服務。

二 課程思政背景下電力系統分析課程教學面臨的問題

電力系統分析課程作為河南工程學院應用技術型本科轉型后電氣工程及其自動化專業的首批應用技術型示范專業課，為契合復合型高級應用人才的培養需求，課程組從2017 年至今已進行了多輪次的教學改革，圍繞著教學內容優化、教學方法變革、教學模式變革和理論與工程融合4 方面開展工作：①完善了教學內容。課程組修訂了電力系統分析課程理論教學大綱，理論教學總課時增加56 課時，覆蓋了穩態分析和暫態分析所涉及的核心知識點，教學內容得到極大優化，新的教學大綱已在2019 級以后的電氣工程及其自動化專業開始實施。②革新了教學方法。課堂教學中圍繞著工程應用主線，教學過程采用“啟發式教學、探究式教學、討論式教學”+“虛擬工程模擬教學”的“3+1”教學方法。③變革了教學模式。為提高理論課教學過程與工程應用的融合度，由傳統的“直接理論講授”為主的教師主動型教學模式轉變為借助于數值仿真技術的“案例法”教學模式。④轉變了理論與工程融合的模式。增加了面向數值仿真技術的電力系統課程設計環節，實踐實訓模式也由“校內實驗+校內實訓”的模式轉變為“校內虛擬實踐+校內外實訓”的混合型教學模式。至今，圍繞著理論與工程應用相融合的導向，課程組已構建了面向應用技術型大學且融入數字仿真技術的電力系統分析課程理論教學與工程應用教學體系，即理論教學過程力圖體現理論知識的工程價值，以工程應用為導向進行理論知識的教學；實踐教學過程力圖體現課程的理論價值，在實踐教學中進一步深化理論課相關知識的學習，深化了學生理論學習效果，提升了學生學以致用的工程應用能力。

通過上述論述可以看出，在思政背景下當前電力系統分析課程教學面臨的困境和主要問題是：當前教學的重點在于理論知識的傳授和學生專業應用能力的提升，目標致力于應用技術型大學理論和應用深度融合的高級應用型人才培養，而對于課程教學過程中的思政元素考慮不充分，無法深度體現馬克思主義立場觀點方法的教育和科學精神培養間的有機結合，與思政背景下工科類專業課程的教學過程要體現立德樹人和價值引領的要求缺乏強適應性。

三 課程思政背景下電力系統分析協作式教學改革

本文的電力系統分析協作式教學是在拓展馬克思主義協作理論基礎上，為有效解決課程教學過程中的理論學習、工程能力培養和思政教育之間的融合協調關系而提出的一種拓展性協作教學，其顯著特點為既突出夯實專業理論又注重工程應用和價值引領，契合于應用技術型大學的人才培養需求和思政教育新要求。課程組從2020 年開始，以教學關聯要素耦合作用關系為視角，從課程教學大綱革新、教學模式轉變、理論課教學方法優化和實踐課教學方案變革4 個方面探索電力系統分析課程的協作式教學改革。

（一）協作式教學下的教學大綱革新

近兩年，電力系統分析課程教學執行的是2019 版教學大綱，其是在應用技術型大學背景下為適應于高層次應用技術型人才培養需求而制訂，重在突出電力系統理論知識的系統性及與工程應用間的融合性，而對課程的思政要素缺乏考慮，課程組于2020 年7 月啟動新一輪教學大綱的修訂工作，以契合于思政背景下要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中的新要求。為提出切合實際的教學大綱革新方案，課程組一方面對已學過該課程的大三和大四學生采用問卷調查和座談會的形式，尋求學生視角下影響電力系統分析課程學習目標達成的關鍵因素；另一方面通過教師座談會的形式，集思廣益，力圖找出有效的將思政教育融入教學過程的方法。課程組對調研結果進行歸納、分析和總結，明確了電力系統分析課程的理論多學科交叉特性和理論工程融合特點是導致教師難教、學生難學及影響教學目標達成的深層次原因。因此，若將其他學科知識巧妙地融合于電力系統分析課程教學過程，通過多學科知識協作可起到將理論化繁為簡和提升學生應用能力的作用。2020 年10 月課程組完整地提出以馬克思主義協作理論為基礎的電力系統分析課程協作式教學方案，完成了教學大綱的革新，除了在課程目的、課程任務、課程要求等部分融入了思政元素外，還明確了教師教學過程中的教學方法必須要潛移默化地體現融入協作元素，對于學生的考核也增加了協作元素的量化標準。簡而言之，新的教學大綱充分考慮了教學過程中人的要素和非人要素的關聯耦合關系，強調協作在教學過程中的應用，在知識傳授的同時，可讓學生樹立協作意識，有利于學生把協作精神與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

（二）協作式教學下的教學模式轉變

自2016 年以來，電力系統分析課程雖然進行了多輪次的教學改革，但關注點主要是從教學內容和實踐方式方面開展，對于教學模式盡管也作出了適當調整，但本質上一直采用的是課內教學為主導的知識模塊化教學方式，其偏重于教學過程中教師的主體地位，對于影響教學達成的關聯因素考慮不充分。圍繞著提高學生學習參與度、協作意識和理論應用融合能力的目標，課程組依據新一輪教學大綱的協作式教學要求，采用逆向思維策略分析出教學目標達成所涉及的關聯要素，從而將課程教學轉變為融入協作因素的“課前+課內+課后”的3 階段教學模式，而在每個階段也同樣融入協作的元素。課前模式實施的主要目的是提高學生教學參與度并掌握課程關聯學科知識，且認識到學科知識協作在專業知識學習過程中的重要性；課內模式的實施主要目的是將學科關聯知識應用于課堂教學，深化學生理論學習效果，培養學生協作精神和教學課程參與度；課后模塊主要是通過理論和工程應用的融合，提升學生學習過程參與度和理論應用的融合能力。在課前階段通過課程學科關聯知識的學習，為后續課內講授內容做好知識準備，為確保學生課前的學習效果，該過程采用線上互動模塊，課程組依據教學內容將所需預備知識設計為“逐步解鎖”方式，學生將按照所設計的知識順序完成課前的預備知識學習和課內學習準備工作；課內教學依據預備知識引入、學習內容的協作式學習和課內分組討論的方式完成專業理論知識內容的學習；課后基于工程案例的方式引導學生了解理論知識的工程應用，該過程仍然采用線上互動“逐步解鎖”的方式。新的教學模式突出了協作在學習中的重要性，注重學生的參與性，重視學生學以致用能力和協作精神的培養。

（三）協作式教學模式下的理論課教學方法優化

2020 年電力系統分析課程教學引入基于工程實際的案例法教學模式，在一定程度上提升了學生理論和應用的融合能力，但是在理論講授上還是依賴于復雜數學公式的推導，盡管在教學過程引入了討論法、探究法、啟發式法等綜合教學方法，但因其前提還是以數學公式分析為前提進行，學生接受程度不高，影響了學生的學習積極性和教學效果的達成。課程組基于協作方式，以其他學科知識為基礎，通過學科知識合理融合，提出教學過程融入課程間協作、師生協作及理論應用協作的協作式教學方法。例如：針對同步發電機三相短路電流計算相關內容，在進行暫態電抗和次暫態電抗的講解時，常用方法是針對同步發電機的派克方程基于拉普拉斯變換的方法得出其數學表達式，但該推導過程非常復雜，學生普遍認為所涉及的數學方面知識多，內容抽象，不易接受。協作式教學模式下，課程組采取弱化公式推導和注重學科關聯知識應用的方案，利用學生比較熟悉的電路課程中的戴維南等值原理，方便地得出暫態電抗和次暫態電抗解析表達，進一步給出相應的等值電路，最后通過引入磁鏈守恒原理進一步討論暫態電抗和次暫態電抗潛在的物理過程、物理含義和工程意義。上述過程充分將電路課程知識輔助于電力系統分析課程教學，激發了學生學習時的自信心，并通過師生間的合作討論與理論應用協作深化了學生對所學知識的理解。新的教學方法突出了學科協作的重要性，注重學生的參與性和協作精神的培養。

（四）協作式教學模式下的實踐課教學方案變革

針對該課程，過去幾年在借鑒國內其他高校經驗的基礎上，通過以下2 種途徑開展實踐課教學：第一，建立學校與企業聯合的校外實踐基地；第二，建立基于硬件的電力系統模擬與仿真實驗室。近幾年的實踐教學效果統計分析表明，通過雙模式的實踐課教學方案，對于培養學生的工程應用能力確實有顯著促進作用。雖然通過校內實驗平臺，使學生對電力系統運行與控制有了一個初步了解，但是校內實驗平臺缺乏了工程中眾多的運行環節和控制環節，和實際之間仍然存在較大差異，僅能對所講授大部分內容理論上的正確性進行驗證；通過校外實踐基地，只能從宏觀上了解電力系統的基本結構和運行工況，但無法直接體現講授理論與工程應用的融合。隨著計算機技術的快速進步，基于數字仿真技術的教學方法的優勢越來越明顯：其僅需要通過開發或購置相應的教學軟件即可實現，建設周期短、建設成本相對較低；理論上可通過開發軟件程序，實現數值計算的可視化，系統運行的可視化；開發出學生具有可操作性的界面；依據工程實際構建相關模型；能夠直接課堂演示也可用于課程實踐教學等。因此，為進一步提升實踐課的達成效果，課程組瞄準數字仿真技術在教學中的優勢，2020 年將Power－World 電力系統數值仿真軟件引入到電力系統課程設計當中，PowerWorld 軟件龐大、靈活的功能和互動、細膩的三維可視化技術，利用人的圖形感知能力，用圖形表達電力系統信息，提高對電力系統運行狀態的理解。基于PowerWorld 電力系統數值仿真軟件，通過教師和學生間分工合作的形式開展學生角色轉換模式的分組教學，基于實際的工程案例，利用PowerWorld 實現工程問題的設計、理論教學問題的融入及理論問題與工程應用的融合。當前，原有的“校內實驗+校內實訓”為主的實踐教學模式已經轉變為“基于PowerWorld 和工程案例的校內虛擬實踐+校內外實訓”的混合型教學實踐模式，充分體現“教、學、做、用”的統一，進一步提升了學生的理論與工程應用的融合度，培養了學生的參與度、協作理念和團隊精神。

四 結束語

為契合河南工程學院高層次應用技術型人才的培養需求，并滿足思政背景下工科類專業課程教學要承擔立德樹人和價值引領任務的新要求，針對電氣工程及其自動化專業特點，通過教學過程融入馬克思主義協作理論，積極深入探索融合課程間協作、師生協作及理論應用協作的電力系統分析課程協作式教學新方法，并將其應用于課堂教學。實踐表明，通過將教學關聯要素間的協作合理地應用于教學全過程，激發了學生學習的積極主動性，深化了理論學習效果，進一步增強了學以致用的能力，而且讓學生意識到了協作的重要作用，培養了學生的協作理念和團隊協作精神，提升了人才的綜合培養質量，為思政背景下電氣工程類其他強電專業課程課堂教學改革提供了有益借鑒。