應用創新與就業驅動下“發電廠電氣部分”課程實踐教學改革研究

李 維,詹習生,涂 建,韓 濤,高紅亮,楊青勝

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院,湖北 黃石 435002)

0 引言

黨的十九大報告中強調,創新是引領發展的第一動力,是建設現代化經濟體系的戰略支撐。習總書記在全國教育大會上指出要“推進產學研協同創新,積極投身實施創新驅動發展戰略,著重培養創新型、復合型、應用型人才”。在“新工科”大背景下,“發電廠電氣部分”作為電類工科專業的一門專業的核心課程,綜合性、理論實踐應用結合緊密,在培養電力行業應用創新復合型人才顯得尤為重要[1,2]。

1 電氣專業應用創新型人才培養的必要性

1.1 社會發展需求

有數據顯示,我國的工程教育規模已位居世界第一。2018年11月,教育部高等教育司司長吳巖[3]在“新工科:高等工程教育的未來——對高等教育未來的戰略思考”中指出,我國高等工程教育占整個本科教育在校生的的1/3,且工科專業畢業生占全世界總數1/3以上。整體來看,我國工程人才儲備量非常可觀,中國已形成了世界上最大的工程教育供給體系[4]。

在目前國際社會經濟形勢的驅動下,創新復合型人才對于國家發展起著至關重要的作用,而高等教育肩負著培養國家創新型、復合型、應用型人才的重任。目前傳統的高等教育模式已經不能滿足國際社會的人才需求,而鑒于我國工程教育的規模優勢,培養高等教育人才的模式亟待轉變。

1.2 學科教學現狀

對于地方高等院校(特別是師范類院校),容易受到教學實驗條件、學生態度及教學模式等因素的影響。目前,國內高校的教學模式多為傳統的授課模式,并且地方高校電氣專業的課程,如“發電廠電氣部分”這門課程的教學仍明顯存在以下問題:

1)教學模式單一。教學模式主要是傳統理論教學和設計,由于這門課程的特殊性對實驗設備及場地要求很高,大多數地方高校,特別是師范類高校存在實驗條件缺乏的問題,所以很多同學對相關內容缺乏感性認知,實踐環節開展不順利,造成學生對理論知識點無法形象地理解,學習的興趣不高、重視程度不夠等問題。

2)教學方式較落后。課堂多以“灌輸式”教學講授為主,大多存在教師“一言堂”現象,以傳統的PPT 進行講授,較少使用討論式,案例式,翻轉課堂等教學方式,學生只是被動接受,缺乏自主學習和創新思維能力。

3)課程思政孤立化。現有的課堂教學目標相對單一,課程思政的地位邊緣化;教學內容剖析不徹底,課程思政的切入孤立化;教學方法手段不豐富,課程思政的效果乏味化,導致學生缺乏興趣,工科人才缺乏家國情懷和開拓視野。

1.3 我校實際問題

湖北師范大學是我國一所以服務基礎教育為主體的省屬綜合性重點師范類本科院校,是培養教學型人才的重要基地之一。電氣工程與自動化學院原名“機電與控制工程學院”,為國家培養了一大批電氣類專業人才。但是在大環境影響下,我校電氣專業仍存在教學方式較落后、高壓設備實驗條件不足、自主創新能力訓練條件有限等諸多問題,如發電廠電氣部分實驗中的多以高壓設備場地、資金等方面要求高而無法建立實驗室。這些因素均會使學生的自主創新能力及應用實踐訓練等受到限制,因而很難滿足國家電力行業對電氣專業創新復合型人才的需求。

2 電氣專業創新型人才培養的教學改革舉措

2.1 引入虛擬仿真實驗教學

針對這門課程實驗條件要求高的特殊性及學校的實際情況,開發適合于本課程的虛擬仿真教學實驗平臺。虛擬的仿真平臺實驗教學可以解決大部分地方高校的實踐教學受限問題,比如因發電廠變電站實驗室高資金、占地面積大、學生操作危險系數大等建設難度大的相關限制因素。

為此,學校深入企業進行調研,合作開展發電廠變電站虛擬仿真實驗教學并建立了虛擬仿真實驗室,并將虛擬仿真資源引入教學課堂,借助虛擬仿真實驗教學系統資源,可以使學生直觀形象地理解理論知識中的重難點內容。研究理論與虛擬仿真實踐相結合的多種新穎教學方式,并組織學生到學校附近的發電廠及變電站參觀見習,增強學生的學習興趣,提高學生的工程實踐能力與創新能力。虛擬仿真教學與傳統的線下面對面授課形式相比較,更具靈活性、交互性、共享性、開放性等特點[5]。利用虛擬仿真教學系統,發電廠、變電站中進行倒閘操作及檢修時接地掛牌虛擬仿真教學系統如圖1所示。

圖1 發電廠、變電站接地掛牌虛擬仿真教學系統

該系統可以直觀地將發電廠、變電站中的高壓電氣設備倒閘操作,設備檢修維護操作前需要進行的接地掛牌操作等形象展現出,利用虛擬的3D模擬視圖場景、虛擬的各類高壓仿真實驗等形式,學生可以全方位地身臨其境學習體驗現場實操的場景,包括可全景體驗現場倒閘操作、故障診斷、檢修等。虛擬仿真實驗教學的引入,極大程度上激發了學生的學習興趣,鍛煉學生的實際動手操作及團隊協作能力,并可很好地解決地方高校因場地及資金問題帶來的高壓實驗室建設問題,同時也在很大程度上避免了學生因進行高壓實驗誤操作所帶來的安全隱患問題,幫助學生理解安全實驗操作的重要性以及清晰自己以后電力行業的職業目標。

2.2 構建混合理論教學模式

首先上好第一堂課,往往第一次課會給學生對這門課以及相關的任課老師形成一個總體印象,這一印象直接影響著學生接下來學習這門課的總體態度。因此,任課老師在第一門課上可以采取新穎的教學模式,對這門課程的總體框架做個簡單描述,把每部分內容間的聯系與相關的后續課程內容及培養方案聯系起來,并在相關的工程實例中、未來的就業中起到什么作用等為學生講解清楚,吸引同學的注意力,能夠增加課堂的活躍性,激發學生的興趣,培養學生理論聯系實際,制定清晰學習目標計劃的能力。

同時積極推動線上與線下教學相融合,并注重提升課堂話語傳播的有效性,采用多種教學方法相結合。大多數地方高校采取傳統的PPT講授教學方式,學生被動接受,這樣的教學特點無法發揮學生的主觀能動性。因此,教師可以借助學習通、慕課(MOOC)、智慧樹等網絡資源建立課堂,讓學生提前進入線上課堂,將發電廠電氣部分相關的網絡視頻教學資源發給學生先自主選擇時間學習,提前預習了解相關的學習內容,并跟老師進行線上互動,教師可以通過后臺的賬號平臺看到學生的學習情況并進行打分,還可集中回復學生問及的相關突出的問題,以學生相互討論為主,強調學習的互助性和計劃性。為打破傳統PPT課堂教學的沉悶氣氛,可在課堂上引入“學習通”線上資源如圖2所示。借助“學習通”投屏功能跟學生互動,還可用多種方式簽到學習等,多種方式融合可增加學生學習的樂趣,讓學生樂在其中。

圖2 發電廠電氣部分“學習通”線上資源引入課堂

課程后期還可采取“翻轉課堂”的形式,以學生為主導,同時引導學生對相關知識點進行自學和討論,激發學生的自主學習和創新思維能力,將主要知識點貫穿起來,強調學生自主學習的理解性與綜合性。比如,在講解電氣主接線中的重難點內容,無母線接線中的橋形接線時,可先向學生展示單母線分段接線與橋形接線的對比,從結構形式上來看區別,并給學生提出問題:橋形接線與單母線分段接線的區別?外橋接線與內橋接線的區別?橋形接線中的倒閘操作步驟?穿越功率對外橋和內橋接線的影響?先給根據之前給大家講解的有母線接線的思路,讓大家思考并進行引導講解,讓學生在已掌握理論知識基礎上進行理解補充,學生也會主動發言,這樣可以在教學中使課堂氛圍更加活躍,達到良好的教學效果。

2.3 項目驅動調整教學內容

本課程教學內容較多,包含發電、變電和輸電中的電氣部分、電氣主接線及廠用電接線的設計、導體和電氣設備的選型、配電裝置、發電機及變壓器的運行等內容,各部分內容相對較獨立,無法讓學生在自主學習中具備工程設計思想。為此,可與相關的工程設計類單位進行校企合作,在課堂教學中,引入一些工程代表性的實際的案例分析視頻,并舉例進行講解,以項目驅動教學,讓學生學會運用實際工程設計意識來主動學習,從而避免出現學生只是硬生生去背記其中的概念,但遇到實際的工程問題不知從何入手的情況。

在具體教學實施過程中,可以將本課程內容劃分為“電弧基本理論及短路電流計算預備知識、電氣主接線及廠用電接線設計、電氣設備選型及布置、防雷保護”等四大板塊內容。按照工程設計思路“原始資料分析及現場勘察——負荷及無功功率補償計算——主變壓器的選型——電氣主接線方案擬定——短路電流計算——電氣設備選擇與校驗——廠用電接線設計——二次接線部分設計——電氣設備布置——防雷保護與接地”的工程設計流程來進行調整授課順序并擴充講解工程設計內容,培養學生主動學習并靈活運用工程思維來解決工程項目中實際問題的能力。

2.4 巧妙融入課程思政教育

在專業課授課過程中,要學會巧妙融入思政到專業課程知識講授中,讓學生潛移默化中受到思政教育,避免孤立加入一些思政知識。為此,在授課中可靈活加入思政案例式教學,例如在講授我國電力工業的發展問題時,可重點引入我國建造的世界最大水電站——“三峽水電站”,幫助學生了解電力工業發展的艱難,培養學生創新求實的思想意識,激發學生國家榮譽感及自豪感;在介紹電氣主接線、廠用電接線時,可引入講解典型的因受新冠疫情影響建立的方艙醫院的主接線形式,促使學生關注國家的時事熱點,培養學生學習的熱情和興趣,激發學生的愛國之情。另外,在授課中可利用“學習通”將線上資源引入課堂,例如在講授滅弧原理及主要開關電器時,可將電弧的產生過程視頻通過線上“學習通”軟件投屏引入教學環節,讓學生對未知的電氣世界產生好奇,激發學生探索的意識;在講授主接線設計、導體和電氣設備選擇時,可通過“學習通”線上資源引入電氣特高壓電力工人現場施工案例的教學視頻,從而增強學生對電力行業職業的認知,并學會利用所學知識綜合分析解決復雜的工程實際問題,樹立學生的創新意識,建立初步的工匠精神。

3 取得的成效

目前本學院與校外企業聯合建立了電力系統虛擬仿真實驗室,設立多個電氣專業課程的綜合實驗項目,為電氣相關專業學生搭建了必要的高壓實驗操作平臺。這為我國培養工程應用創新型人才提供了有力保障,同時為國家能源電力行業,如國家電網、南方電網、電力設計院等單位輸送了大量人才。

本專業學生注重創新能力培養,積極參加專業相關的各類競賽及科研項目等創新實踐環節,并積極參與專業見習、社會實踐、企業實習等工程實踐環節,培養了學生的專業創新能力及工程實際應用能力。近幾年,我院電氣工程及其自動化專業畢業生一次性就業率在98%左右,考研過線率平均達30%,考取國家電網比例約達30%.學生參加多項高水平專業競賽,如全國大學生數學建模、“互聯網+”“挑戰杯”“西門子杯”中國智能制造挑戰賽、智能車競賽等并獲全國一等獎、二等獎、三等獎若干項,參與導師科研項目、發表論文和專利并結題多項,為以后進一步發展并為國家做貢獻奠定了良好的基礎。

4 結語

應用創新與就業驅動是國家培養應用型人才的一項發展戰略。本文以工程專業背景要求,結合湖北師范大學電氣工程及其自動化專業的實際情況,綜合分析目前地方高校關于“發電廠電氣部分”課程普遍存在的問題,并通過一系列教學方法、模式等改革后,增加了課堂的活躍性、激發了學生的學習興趣,培養了學生學習的主動性,樹立了學生的創新思維意識,達到了良好的教學和實踐效果。