新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革

梅 林， 孫玲玲， 鐘嘉慶， 張 楠

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

0 引 言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速進行，全球范圍內(nèi)主要發(fā)達國家都在制定相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略，積極應(yīng)對新機遇新挑戰(zhàn)，開拓競爭優(yōu)勢提升綜合國力。高等教育對于應(yīng)對國際挑戰(zhàn)、服務(wù)國家戰(zhàn)略、培養(yǎng)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(zhì)量、增強人才培養(yǎng)能力備受矚目［1-2］。

教育部依托“復(fù)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(jīng)驗、助力高等教育強國建設(shè)［3-4］。新工科建設(shè)是高等工程教育適應(yīng)新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)的重大決策，也成為當(dāng)前工程教育領(lǐng)域的研究熱點。

電力系統(tǒng)和我國國民經(jīng)濟息息相關(guān)，其專業(yè)工程背景較強。電力系統(tǒng)綜合實驗作為學(xué)校電氣工程及自動化專業(yè)學(xué)生需要完成的學(xué)時最長、項目內(nèi)容最多、考查專業(yè)知識最廣、操作難度最高的綜合性實驗課程，在培養(yǎng)學(xué)生工程實踐、應(yīng)用創(chuàng)新、團隊協(xié)作等綜合能力方面起著重要作用，是本科實踐教學(xué)的重要組成部分［5］。在我國經(jīng)濟發(fā)展步入新常態(tài)、高等教育邁進新階段之際，電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)主動與新工科教育理念相對接，依照新工科建設(shè)要求進行改革與創(chuàng)新，對于學(xué)生提升從全局角度系統(tǒng)認識理解電力系統(tǒng)的觀念、激發(fā)自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的意識、培養(yǎng)綜合運用專業(yè)知識解決工程問題的能力具有重要意義。

1 教學(xué)改革目標及主體思路

新工科背景下的電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革，需要結(jié)合新工科實踐新要求，迎合專業(yè)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(fù)合的科教、產(chǎn)學(xué)、校企等多方面資源，更新豐富教學(xué)內(nèi)容體系，探索教學(xué)模式改革，完善個性化人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建有效評價機制，利用多元信息化技術(shù)，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(yè)作為河北省“雙一流”建設(shè)學(xué)科且已通過工程教育專業(yè)認證，立足于已有經(jīng)驗和可利用資源，針對新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)的改革要求，提出構(gòu)建多元化分層級混合式實驗教學(xué)體系，創(chuàng)建基于工程教育專業(yè)認證的教學(xué)新模式，架構(gòu)并整合教學(xué)、管理、數(shù)據(jù)三大平臺資源。

2 教學(xué)改革方案實施

2.1 構(gòu)建多元化分層級混合式實驗教學(xué)體系

新工科建設(shè)研究和實踐改革是在新經(jīng)濟新形勢下提出的新要求。因此，新工科背景下的電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革就要圍繞當(dāng)今科技發(fā)展形勢和行業(yè)內(nèi)動態(tài)及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，追蹤科學(xué)研究中新理論新技術(shù)，利用工程應(yīng)用中新成果新方法，緊跟本領(lǐng)域行業(yè)內(nèi)新需求新動態(tài)，及時更新豐富實驗項目［8］。秉承“以學(xué)生為中心”，挖掘培養(yǎng)學(xué)生多元化能力，滿足不同程度學(xué)生多層次能力需求，合理有效利用教學(xué)資源。新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革創(chuàng)新構(gòu)建多元化分層級混合式實驗教學(xué)體系，形成橫、縱、立體式全方位架構(gòu)。

（1）多元化實驗內(nèi)容。新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)體系通過豐富實驗?zāi)K多元化實驗內(nèi)容，對實驗教學(xué)體系進行了橫向延伸。

遵循新工科路線體現(xiàn)多元化，電力系統(tǒng)綜合實驗項目庫選題包含專業(yè)課程：如電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)分析、電力系統(tǒng)繼電保護、電力系統(tǒng)自動裝置、變電站綜合自動化等基礎(chǔ)理論知識，并將科技研究成果、工程項目案例、行業(yè)需求導(dǎo)向融入其中，如配電網(wǎng)靜態(tài)模擬及微機保護、電網(wǎng)虛擬仿真等?，F(xiàn)有實驗項目庫包含電力系統(tǒng)自動裝置綜合實驗、配電網(wǎng)靜態(tài)模擬及微機保護設(shè)計實驗、常規(guī)三相四線制系統(tǒng)設(shè)計及綜合監(jiān)測實驗、數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)及閉環(huán)110 kV線路保護實驗、電網(wǎng)虛擬仿真綜合設(shè)計實驗和電力系統(tǒng)分析實驗六大主項目模塊。實驗內(nèi)容既兼顧基礎(chǔ)性專業(yè)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(yè)動態(tài)的新內(nèi)容，擴展學(xué)生專業(yè)知識的廣度，利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

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

依據(jù)分層級設(shè)計思路，實驗主項目模塊下還設(shè)置出具有不同難度類別的子實驗項目（包含基礎(chǔ)驗證型、專業(yè)設(shè)計型和綜合創(chuàng)新型）?；A(chǔ)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(yè)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(xué)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(yè)設(shè)計型項目為中級別實驗項目，選題基于實驗平臺結(jié)合工程實踐或技術(shù)研究中難度適中的內(nèi)容，依據(jù)實驗要求學(xué)生需要以團隊形式討論、構(gòu)思、設(shè)計實驗方案，完成實驗操作并進行數(shù)據(jù)分析；綜合創(chuàng)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(yè)合作項目或追蹤行業(yè)內(nèi)新需求由學(xué)生導(dǎo)師把關(guān)進行設(shè)計，學(xué)生團隊協(xié)作完成方案設(shè)計、實施操作及答辯等一系列實驗環(huán)節(jié)。

實驗類型既包括基礎(chǔ)驗證型實驗又加入專業(yè)設(shè)計型和綜合創(chuàng)新型實驗，著眼學(xué)生能力的深度培養(yǎng)，考慮學(xué)生個體差異性，因材施教有益于學(xué)生個性化發(fā)展。

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

混合式實驗形式將課堂和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容進行整合，教學(xué)資源優(yōu)勢互補，提升教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量［9］。課堂教學(xué)負責(zé)指導(dǎo)把控實驗方案，解釋回答學(xué)生疑問，規(guī)范監(jiān)督實驗操作，評定考核實驗過程。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)利用線上與實驗項目相關(guān)的慕課和微課等資源，依托網(wǎng)絡(luò)管理平臺，使學(xué)生在共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的同時可以在線完成預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容、預(yù)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(xiàn)線上線下教學(xué)資源互補和有效利用，有助于學(xué)生開闊視野、增強自主學(xué)習(xí)意識、提升深度學(xué)習(xí)體驗。

圖1所示為新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗多元化分層級混合式教學(xué)體系的組成示意圖，并以電力系統(tǒng)自動裝置綜合實驗主實驗項目模塊為例展開說明具體構(gòu)成形式。多元化分層級混合式實驗教學(xué)體系適用于電力系統(tǒng)綜合實驗課程的多學(xué)科知識交叉性、能力運用綜合性和工程訓(xùn)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(xué)生綜合能力培養(yǎng)十分有益的探索和實踐。

圖1 電力系統(tǒng)綜合實驗多元化分層級混合式教學(xué)體系

2.2 基于工程教育專業(yè)認證的教學(xué)模式創(chuàng)新

新工科建設(shè)肩負著工程教育改革創(chuàng)新的任務(wù)，新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革探索基于工程教育專業(yè)認證教學(xué)模式創(chuàng)新，加強新工科人才培養(yǎng)體系建設(shè)，拓展工程教育新理念新思路。

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)［10-11］。我校電氣工程及其自動化專業(yè)已于2018年通過教育部授權(quán)的中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會的工程教育專業(yè)認證。新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革在汲取工程教育專業(yè)認證經(jīng)驗基礎(chǔ)上，以工程教育OBE理念為教學(xué)導(dǎo)向，引入CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂高效推進教學(xué)實施，建立多維立體化評估體系完善教學(xué)評價，創(chuàng)新構(gòu)建基于工程教育專業(yè)認證的多類型融合式實驗教學(xué)新模式，如圖2所示。

圖2 基于工程教育專業(yè)認證的多類型融合式實驗教學(xué)模式

OBE教學(xué)理念“以學(xué)生為中心”，關(guān)注于學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出，“定義預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出-實現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出-評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出”是其主線［4-6］。

（1）電力系統(tǒng)綜合實驗課程依據(jù)本專業(yè)在新工科背景下制定的培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求和分解指標點，明確本課程所支撐的指標點及權(quán)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(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，確定本課程對學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識、專業(yè)工程技能、工程綜合運用和工程素養(yǎng)等多方面工程綜合能力的培養(yǎng)目標。電力系統(tǒng)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(shè)有2級指標點用以細化能力矩陣。

表1 電力系統(tǒng)綜合實驗課程與畢業(yè)要求1級指標點關(guān)聯(lián)度

（2）為保證高效“實現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，需要合理制定教學(xué)方案，高質(zhì)量實施教學(xué)活動。新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)將CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，實現(xiàn)教學(xué)模式優(yōu)勢互補，推進工程教育專業(yè)認證的范式遷移，助力學(xué)生綜合能力的全面培養(yǎng)。CDIO的核心四環(huán)節(jié)（構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行）貫穿應(yīng)用于課程開展全過程，推動項目式教學(xué)和團隊訓(xùn)練，拓展發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的實踐環(huán)境，提升學(xué)生自主創(chuàng)新和協(xié)作意識，有利于全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)、工程應(yīng)用和工程素養(yǎng)等工程實踐綜合能力［12］；翻轉(zhuǎn)課堂共享信息化資源優(yōu)勢，利用課堂外靈活時間彌補課堂內(nèi)學(xué)時不足，實現(xiàn)師生角色轉(zhuǎn)換，教師成為實驗教學(xué)引導(dǎo)者和答疑者，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，有益于增強學(xué)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(tǒng)綜合實驗教學(xué)的“評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出”是對學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識、專業(yè)工程技能、工程綜合運用和工程素養(yǎng)等多方面素質(zhì)能力的全面考核，設(shè)計多元化考核內(nèi)容和多樣化考核形式，建立多維立體化評估體系。依據(jù)實驗項目分類（基礎(chǔ)驗證型、專業(yè)設(shè)計型和綜合創(chuàng)新型），縱向維度考核不同實驗類型；基于工程教育專業(yè)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(guān)注學(xué)生實驗完成度和參與度，深向維度在常規(guī)實驗成果考核基礎(chǔ)上加入實驗過程考核。多維立體化評估體系既可實現(xiàn)對實驗項目、課程支撐指標點、學(xué)生實驗完成情況等考核點的單一信息統(tǒng)計，實現(xiàn)對單一實驗項目、單一指標點和單個學(xué)生實驗情況的考核評估；也可以任意組合幾個考核點構(gòu)成多維信息統(tǒng)計，建立起實驗項目庫、能力矩陣、全體學(xué)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(tǒng)綜合實驗教學(xué)多維立體化評估體系的評價分析結(jié)果可有效指導(dǎo)課程的“持續(xù)改進”。

2.3 教學(xué)、管理、數(shù)據(jù)平臺資源構(gòu)建及整合

在當(dāng)今快速發(fā)展的云平臺大數(shù)據(jù)時代，將“互聯(lián)網(wǎng)＋”信息化優(yōu)勢應(yīng)用于實驗教學(xué)，并進行深度融合，是新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革的全新挑戰(zhàn)和有益嘗試［14-16］。

依托國家級實驗教學(xué)示范中心和河北省電力電子重點實驗室，將現(xiàn)有平臺資源和開放式網(wǎng)絡(luò)資源有機整合，促進優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源綜合利用，有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量；采用先進教學(xué)管理軟件，提升學(xué)生實驗過程體驗，優(yōu)化教師實驗教學(xué)效能；基于云平臺海量信息，構(gòu)建智慧化實驗環(huán)境，實現(xiàn)信息共享和大數(shù)據(jù)分析，搭建交流溝通和信息傳輸通道。教學(xué)、管理、數(shù)據(jù)三大平臺資源的構(gòu)建及整合，能高效提升新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革步伐，有效助力學(xué)生綜合能力全面培養(yǎng)。圖3為新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗平臺資源整合構(gòu)建圖。

圖3 新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗平臺資源整合構(gòu)建圖

（1）開放式混合型實驗教學(xué)平臺。選取線上優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源并結(jié)合制作微課等搭建線上開放式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，實驗設(shè)備及仿真軟件等構(gòu)成虛實結(jié)合的線下混合型課堂教學(xué)平臺，開放電力系統(tǒng)綜合實驗所有項目庫信息，統(tǒng)一構(gòu)建形成新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗的開放式混合型實驗教學(xué)平臺。

線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺包括實驗空間、國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺、中國大學(xué)MOOC（愛課程）、學(xué)堂在線、超星泛雅等優(yōu)質(zhì)校外教學(xué)平臺資源、校內(nèi)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(dǎo)性微課，保證線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺資源具有針對性和高效性。

線下課堂教學(xué)平臺提供WDT-IIIC電力系統(tǒng)綜合自動化試驗臺、PS-7G型電力系統(tǒng)微機監(jiān)控試驗臺、配電網(wǎng)靜態(tài)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(tǒng)、電能綜合監(jiān)測實驗臺、變電站仿真實驗系統(tǒng)、電力系統(tǒng)動態(tài)實時仿真系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度虛擬仿真系統(tǒng)等一系列實驗設(shè)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(wǎng)絡(luò)化管理平臺。新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗?zāi)芴峁└迂S富的實驗項目、多元化的教學(xué)資源、混合式的數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)管理平臺可提供系列功能，幫助學(xué)生熟悉實驗流程高效完成實驗項目，協(xié)助教師調(diào)配教學(xué)資源提升教學(xué)管理。

學(xué)生登錄網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)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(yù)約實驗時間，制定實驗進度表，提前預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容；實驗中，提交項目進度文檔，查詢資料深度學(xué)習(xí)；實驗后，上傳實驗電子報告，課后拓展性訓(xùn)練，完成實驗評價。

教師使用網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)管理平臺利用網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)勢，科學(xué)高效管理實驗教學(xué)活動，促進實驗教學(xué)有序高質(zhì)量完成。

（3）智慧化大數(shù)據(jù)信息平臺。將云平臺大量數(shù)據(jù)信息加以合理高效利用，構(gòu)建智慧化實驗教學(xué)環(huán)境，助力新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革。

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

同時，智慧化大數(shù)據(jù)信息平臺打破原有實驗管理壁壘，將實驗信息大數(shù)據(jù)上傳至云平臺，相應(yīng)職能部門可從云端共享信息，根據(jù)統(tǒng)計需求隨時獲取所需數(shù)據(jù)，便于開展課程評估考核、構(gòu)建學(xué)生綜合能力評價、提供培養(yǎng)計劃調(diào)整依據(jù)。

3 結(jié) 語

電氣工程及其自動化專業(yè)繼通過工程教育專業(yè)認證和被評為河北省“雙一流”建設(shè)學(xué)科后，在新工科建設(shè)背景下對電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)進行改革試點。基于2017～2020年4個學(xué)年的教學(xué)實踐探索，系統(tǒng)評估數(shù)據(jù)和課堂反饋顯示，對新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革非常支持和支持的學(xué)生占比高達66.34%和24.58%。實驗教學(xué)改革有效地調(diào)動了學(xué)生實驗積極性、提高了參與度、提升了學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力、增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團隊意識。同時，科教產(chǎn)學(xué)融合的實驗項目激發(fā)了部分學(xué)有余力同學(xué)的科研興趣，部分同學(xué)以此為契機已加入相關(guān)課題組參與科研、企業(yè)項目的深度研究。

新工科背景下電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革中，多元化分層級混合式實驗教學(xué)體系、基于工程教育專業(yè)認證的教學(xué)模式創(chuàng)新、各類平臺資源的構(gòu)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(shè)、實現(xiàn)新工科培養(yǎng)目標發(fā)揮了積極作用。后續(xù)將總結(jié)經(jīng)驗持續(xù)改進，發(fā)揮此改革試點的示范和輻射作用，進一步全面開展專業(yè)新工科建設(shè)，不斷完善符合新時代新要求復(fù)合型人才的培養(yǎng)機制。