案例教學(xué)在電氣工程控制系統(tǒng)仿真課程中的探索與實踐

摘" 要：隨著專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和國家對培養(yǎng)實踐創(chuàng)新型復(fù)合人才需求的變化，如何深化推進(jìn)培養(yǎng)模式改革和創(chuàng)新教學(xué)方法，提升研究生培養(yǎng)質(zhì)量成為目前高等教育的重要內(nèi)容。案例教學(xué)倡導(dǎo)以學(xué)生為主體，凸顯問題情境，激發(fā)學(xué)生探索欲和創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生綜合實踐能力，為專業(yè)學(xué)位研究生人才培養(yǎng)增加內(nèi)生驅(qū)動力。文章在電氣工程專業(yè)課程控制系統(tǒng)仿真課程中開展案例教學(xué)實踐，通過引入電氣工程領(lǐng)域真實案例，以開放、互動、啟發(fā)式的教學(xué)模式實現(xiàn)研究生實踐導(dǎo)向和強(qiáng)化能力培養(yǎng)的專業(yè)學(xué)位課程教學(xué)模式探索與實踐，旨在提高學(xué)生面對復(fù)雜系統(tǒng)工程問題的綜合實踐能力。

關(guān)鍵詞：專業(yè)學(xué)位研究生；案例教學(xué)；知識重建；綜合實踐能力；電氣工程

中圖分類號：G642" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）35-0118-04

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的深化改革，國家對高水平、復(fù)合型應(yīng)用人才的需求越來越大，高等教育中的研究生培養(yǎng)也逐步從學(xué)術(shù)型向?qū)I(yè)型轉(zhuǎn)變。作為目前研究生培養(yǎng)體系當(dāng)中重要的組成部分，專業(yè)學(xué)位研究生教育旨在培養(yǎng)具備扎實專業(yè)理論知識、較強(qiáng)解決實際工程問題，適應(yīng)不同專業(yè)領(lǐng)域或行業(yè)需求的應(yīng)用型專門高級人才。［1］結(jié)合當(dāng)前高校專業(yè)學(xué)位人才培養(yǎng)質(zhì)量的迫切要求，教育部就研究生培養(yǎng)出臺相關(guān)文件，明確指出專業(yè)學(xué)位研究生教育要從創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)入手，通過加強(qiáng)教學(xué)案例庫建設(shè)和案例教學(xué)實踐，切實推動高校人才培養(yǎng)在教學(xué)理念和方法的創(chuàng)新改革。［2］案例教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生通過真實案例問題情境的呈現(xiàn)進(jìn)行獨立思考，提高學(xué)生探索、分析、解決問題的自主能力，是研究生課程教學(xué)改革的重要嘗試。［3］

電氣控制系統(tǒng)仿真是電氣工程專業(yè)研究生的一門專業(yè)選修課，課程涉及多個學(xué)科內(nèi)容交叉，融合了控制理論、信息技術(shù)、電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)分析、電機(jī)傳動等多門課程內(nèi)容，借助數(shù)學(xué)方法和計算機(jī)仿真技術(shù)，研究各種控制策略、算法和技術(shù)在電氣工程實踐中的應(yīng)用。［4］課程具有很強(qiáng)的理論性、實踐性與工程性，需要教師具備較為豐富的工程知識。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師講授為主，教學(xué)過程中學(xué)生參與度不夠，主動學(xué)習(xí)和探索的求知欲受到限制，思維比較固化，在知識獲取和能力培養(yǎng)方面無法很好地銜接。文章針對案例教學(xué)在電氣控制系統(tǒng)仿真課程的作用，提出通過課程案例庫建設(shè)和案例教學(xué)實踐的設(shè)計，探索多學(xué)科融合背景下的課程案例設(shè)計和實施，不僅激發(fā)了學(xué)生積極自主探索問題的動力，而且有效鍛煉和提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合應(yīng)用實踐能力。

一、案例教學(xué)的意義

案例教學(xué)法自提出以來越來越受歡迎，成為目前高等教育推動系列人才培養(yǎng)模式改革，實現(xiàn)理論到實踐應(yīng)用的有效途徑。電氣工程控制系統(tǒng)的仿真內(nèi)容包括電氣系統(tǒng)的建模與分析、仿真與實驗的驗證，軟硬件的設(shè)計，科學(xué)的分析與優(yōu)化等，既需要學(xué)生掌握電氣控制學(xué)科的理論知識，又需要應(yīng)用相關(guān)理論解決電氣工程實際控制問題的能力。隨著專業(yè)學(xué)位研究生實踐能力培養(yǎng)越來越受到重視，在課程教學(xué)中授課教師已經(jīng)開始有意識地嘗試通過科研項目驅(qū)動、工程案例探討的教學(xué)方法，積極開發(fā)教學(xué)案例融入課程教學(xué)實踐，通過實踐證明案例教學(xué)在電氣控制系統(tǒng)仿真課程中的開展有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，能更好地實現(xiàn)從專業(yè)知識到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

（一）改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生綜合實踐能力

單一、“灌輸式”的傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師側(cè)重于理論講授，學(xué)生只是被動地接受專業(yè)知識，缺乏靈活、全面互動的交流，缺乏工程實踐中的相關(guān)知識，跨學(xué)科知識的綜合運用能力相對薄弱。

電氣工程專業(yè)課程內(nèi)容相對抽象、晦澀難懂，研究生雖然具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識和綜合學(xué)習(xí)的能力，由于理論知識學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用之間沒能做到有效的融合，缺乏深入探索深層知識的積極性，遇到實際問題就會顯得手足無措。在案例教學(xué)中，工程應(yīng)用和生產(chǎn)實踐的電氣控制工程實踐問題以真實案例的形式呈現(xiàn)，通過對真實案例進(jìn)行具體分析，激發(fā)學(xué)生主動探索、挖掘案例蘊(yùn)含的理論知識和技術(shù)應(yīng)用，有助于拓寬學(xué)生的知識面和工程視野，進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，為其未來的發(fā)展創(chuàng)造更多的機(jī)會和空間。

（二）采編高質(zhì)量教學(xué)案例，提升教師教學(xué)水平

案例質(zhì)量是影響案例教學(xué)的關(guān)鍵因素，收集、開發(fā)、編寫優(yōu)質(zhì)的案例是進(jìn)行案例教學(xué)的前提。案例教學(xué)過程中不僅要融入新的教育理念，更要將新的研究成果和技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)在課堂教學(xué)中，這對教師提出了新的挑戰(zhàn)，需要不斷積累教學(xué)經(jīng)驗和提升案例教學(xué)實踐能力，增強(qiáng)案例教學(xué)的目的性和有效性。

在日常的課堂教學(xué)中，教師所舉的電氣應(yīng)用實例通常比較零散、相關(guān)知識不夠系統(tǒng)和完整，更多是取決于教師本身的知識面和教學(xué)科研經(jīng)歷，有的甚至都已經(jīng)被現(xiàn)場應(yīng)用所淘汰，脫離實踐。案例教學(xué)則要求任課教師要善于利用更加廣闊的渠道、多元的信息化手段擴(kuò)充教學(xué)案例資源，優(yōu)選最典型的電氣工程類教學(xué)案例來支撐教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)實踐中，一方面教師不僅須具有豐富的本專業(yè)及相關(guān)交叉學(xué)科領(lǐng)域的知識和工程應(yīng)用知識，還要具備豐富的教學(xué)經(jīng)驗，以組織課堂教學(xué)環(huán)節(jié)、掌控課堂節(jié)奏，從多角度、多層面調(diào)動學(xué)生對案例問題進(jìn)行探討、爭辯、總結(jié)；另一方面任課教師需要親自躬身實踐去企業(yè)實地調(diào)研、訪談、交流合作，結(jié)合電氣行業(yè)的應(yīng)用背景和相關(guān)資料積累貼合的案例資源，在更新豐富教學(xué)案例的同時促進(jìn)其不斷優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)能力。［5］

（三）支持知識重建，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

案例教學(xué)中的主體從教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程由之前的被動變?yōu)橹鲃?，教學(xué)情境的設(shè)定也為學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)提供了外部條件，拓展了其自主思考、自覺調(diào)動知識儲備和補(bǔ)充探索未知知識的學(xué)習(xí)空間。電氣工程控制系統(tǒng)仿真要運用包括基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識、軟件工具和跨學(xué)科專業(yè)知識等，相關(guān)的真實案例不是僅限于單個、局部知識點的理解和運用，更在于跨學(xué)科知識的深度理解和綜合運用。對于研究生來說雖然其已經(jīng)具備了自學(xué)的能力，但是靈活運用所學(xué)知識解決電氣工程控制的應(yīng)用問題仍然缺乏實踐經(jīng)驗和相關(guān)的訓(xùn)練。案例的科學(xué)分析與設(shè)計，拉近了理論到實踐的距離，把相對陌生的應(yīng)用場景變得生動、具象，學(xué)生易于從自己的知識架構(gòu)中關(guān)聯(lián)相關(guān)掌握的知識，并在教師的引導(dǎo)下有針對性地尋求探索案例蘊(yùn)含的新知識，進(jìn)行知識的重建和遷移。

二、案例庫的建設(shè)

高質(zhì)量的教學(xué)案例庫是有效開展案例教學(xué)的基礎(chǔ)和保證，建設(shè)過程更是一個需要不斷完善、更新的系統(tǒng)工程。［6］案例的遴選應(yīng)考慮工程應(yīng)用背景下案例的典型性、時效性、啟發(fā)性、實用性，并能服務(wù)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)目標(biāo)，提升學(xué)生對知識的探索能力、在實踐中解決復(fù)雜工程問題的能力，為將來適應(yīng)社會發(fā)展奠定扎實基礎(chǔ)。

（一）圍繞教學(xué)目標(biāo)建設(shè)模塊化、系統(tǒng)化的案例庫

案例選題是確保案例質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，依托電氣工程行業(yè)應(yīng)用背景，在滿足電力系統(tǒng)運行、控制、優(yōu)化過程中對研究生工程實踐能力和電氣工程領(lǐng)域和相關(guān)行業(yè)人才需求的前提下進(jìn)行選題、收集素材和開發(fā)編寫案例。電氣工程相關(guān)領(lǐng)域控制技術(shù)和仿真技術(shù)發(fā)展迅速，教材的內(nèi)容更新和案例庫的建設(shè)在一定程度上會滯后于實際現(xiàn)場技術(shù)的應(yīng)用，要把案例、教材和專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)結(jié)合成為相互支撐的有機(jī)整體。一方面對教學(xué)內(nèi)容應(yīng)采用系統(tǒng)化、模塊化的原則由淺入深、由易到難、循序漸進(jìn)地構(gòu)建基本型案例、鞏固型案例和拓展型案例。案例在層次性、功能性和綜合性上要有區(qū)分，特別是一些具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性、動態(tài)性的綜合案例更加能夠突出學(xué)生專業(yè)知識應(yīng)用、發(fā)散思維拓展、分析解決問題能力。另一方面需要深入現(xiàn)場進(jìn)行廣泛調(diào)研，了解和收集課程內(nèi)容在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用，確定典型的電氣工程問題、技術(shù)應(yīng)用難題，精選電氣工程行業(yè)前沿?zé)狳c問題，引入先進(jìn)的解決方案、技術(shù)手段，擴(kuò)寬學(xué)生視野，使其全面了解電氣控制學(xué)科的發(fā)展趨勢，激勵在電氣控制系統(tǒng)仿真建模中創(chuàng)新理論研究和方法，進(jìn)一步提高參與研究的興趣和開展科研的能力。［7］案例庫的構(gòu)建可以根據(jù)教學(xué)需要組合成功能不同的案例模塊，例如課程案例庫中新能源發(fā)電系統(tǒng)就是一個功能模塊，構(gòu)建不同能源形式（光伏、風(fēng)力、生物質(zhì)）的發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模，包括系統(tǒng)各個組成模塊的功能、系統(tǒng)的性能分析、新技術(shù)的利用等，既有專業(yè)知識的關(guān)聯(lián)性又體現(xiàn)不同的作用，不僅保證了案例教學(xué)資源庫內(nèi)容的系統(tǒng)性，增加了其應(yīng)用中的靈活性、豐富性。

（二）堅持問題驅(qū)動、產(chǎn)教融合的原則開發(fā)案例

校企合作、產(chǎn)教融合是目前專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力的有效途徑，雙方在共同發(fā)展、合作共贏的基礎(chǔ)上，在人才、技術(shù)、需求方面進(jìn)行交流、充分利用校企平臺和資源培養(yǎng)創(chuàng)新實踐型人才。很多高校和企業(yè)之間都建立了實踐教學(xué)基地和多方合作平臺，以及采用“雙師型”培養(yǎng)模式，都為研究生接觸實踐提供了更多的鍛煉機(jī)會。將企業(yè)在生產(chǎn)實踐中技術(shù)難題、需求和高校的研究成果進(jìn)行對接，實現(xiàn)電力行業(yè)現(xiàn)場新技術(shù)、新方法的迭代更新和高?？蒲谐晒D(zhuǎn)化，這都為案例的開發(fā)和更新提供了豐富的素材。案例庫建設(shè)應(yīng)該充分處理好知識學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用之間的關(guān)系，通過問題驅(qū)動將現(xiàn)場工程技術(shù)的改革方案、措施與學(xué)生構(gòu)建的知識體系建立聯(lián)系，改善理論學(xué)習(xí)與實踐的脫節(jié)。［8］在跨單位、院校、專業(yè)間進(jìn)行開發(fā)、編寫和應(yīng)用等方面展開共享與合作可以拓寬研究生學(xué)術(shù)視野，增進(jìn)互動，對于研究生后續(xù)的課題研究和將來從事相關(guān)領(lǐng)域工作都能起到很好的促進(jìn)作用。

三、案例教學(xué)實施

所謂“師者，傳道授業(yè)解惑也”，教學(xué)過程不僅是教師傳遞知識的過程，更重要的是對學(xué)生各種能力的培養(yǎng)以及綜合素質(zhì)的提升。特別是對于電氣工程相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容豐富、技術(shù)快速發(fā)展，應(yīng)用廣泛深入，借助于案例教學(xué)的開展使學(xué)生能夠大量學(xué)習(xí)積累相關(guān)專業(yè)知識，在增加知識儲備的同時，能夠讓其保持對求知的渴望、對于未解問題的敏銳性和好奇心，真正做到學(xué)以致用、融會貫通。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師針對課程特點，精心組織和設(shè)計案例教學(xué)實踐過程，通過真實案例情境的呈現(xiàn)實現(xiàn)研究生綜合能力的培養(yǎng)，如圖1所示。

結(jié)合案例教學(xué)的作用和仿真課程的特點，采用以“案例為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的思路設(shè)計以下教學(xué)過程。

（一）師生對案例教學(xué)的課前準(zhǔn)備工作

課前教師針對課程教學(xué)目標(biāo)精選典型的電氣工程實際應(yīng)用的教學(xué)案例，準(zhǔn)備所需課程的專業(yè)理論知識、討論的主題和拓展的問題。學(xué)生按教師提供的案例材料熟悉案例，提前查閱資料掌握工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀以及準(zhǔn)備討論的內(nèi)容提綱等，為課上小組進(jìn)行充分有效的交流、探討、爭辯及團(tuán)隊協(xié)作做準(zhǔn)備，以保證課堂教學(xué)效果。

（二）案例情境呈現(xiàn)及課堂討論組織

課上進(jìn)行案例相關(guān)核心知識的講授和引入案例工程問題討論的組織。首先介紹案例主題，引導(dǎo)學(xué)生了解電氣工程應(yīng)用專業(yè)知識和仿真技術(shù)結(jié)合所需要的知識，以文字、視頻、網(wǎng)絡(luò)資源呈現(xiàn)案例的問題情境，讓學(xué)生感悟?qū)嵺`當(dāng)中的問題和在實際應(yīng)用中存在的知識困惑，并通過小組學(xué)生間相互啟發(fā)、集思廣益、共同協(xié)作探究解決遇到的問題。

（三）教師引導(dǎo)課堂研討，引出深層次的問題

師生圍繞案例涉及的內(nèi)容在輕松、開放的氛圍中進(jìn)行充分的互動、交流，教師根據(jù)課堂研討的情況引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行更為全面的思考，鼓勵學(xué)生進(jìn)行理性的質(zhì)疑、爭辯，激發(fā)進(jìn)一步探索的興趣，完成新一輪的知識建構(gòu)和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

（四）反思案例教學(xué)效果，改進(jìn)完善教學(xué)過程

教師組織學(xué)生反饋對案例教學(xué)的認(rèn)識和看法，鼓勵學(xué)生真實表達(dá)對案例教學(xué)模式的感受和自身學(xué)習(xí)效能的影響，教師基于整個教學(xué)呈現(xiàn)過程，進(jìn)行多方面總結(jié)，并根據(jù)學(xué)生反饋改進(jìn)和完善案例教學(xué)設(shè)計。

教學(xué)團(tuán)隊根據(jù)上述案例設(shè)計過程針對光伏發(fā)電控制系統(tǒng)仿真進(jìn)行了案例教學(xué)實施，課前讓學(xué)生針對目前可再生能源利用、光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)材料做充分的查閱，對涉及的相關(guān)多學(xué)科專業(yè)知識進(jìn)行整理，尤其對案例存在的疑惑、工程應(yīng)用中的技術(shù)難題做好記錄和討論的準(zhǔn)備；課上教師首先介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)案例所用的知識體系，從系統(tǒng)的功能、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、采用的算法、控制策略、技術(shù)難題讓學(xué)生分組進(jìn)行討論，并結(jié)合光伏發(fā)電項目講解工程案例，引導(dǎo)學(xué)生對光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用過程中的電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定、優(yōu)化、故障診斷等一系列其他電氣學(xué)科的重要問題進(jìn)行深入的探究。最后讓學(xué)生綜合所學(xué)專業(yè)知識和工程應(yīng)用問題，通過構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型分析對比不同解決方案形成結(jié)論并完成總結(jié)報告。在整個案例教學(xué)過程中，明顯感受案例教學(xué)情境下的學(xué)生在運用所學(xué)知識解決實際問題的過程中更為積極主動、思維更加開闊，解決問題目標(biāo)更加明確。無論是在查閱文獻(xiàn)、仿真編程、論文寫作等專業(yè)素養(yǎng)方面還是語言表達(dá)、邏輯思維、團(tuán)隊協(xié)作等個人能力方面都得到了鍛煉和提升。

四、結(jié)語

案例教學(xué)是對學(xué)生知識、能力、素質(zhì)綜合訓(xùn)練和培養(yǎng)的一個過程，需要多方協(xié)同和更加專業(yè)的團(tuán)隊、更加完善的實踐教學(xué)評價體系為案例教學(xué)開展提供支撐。后續(xù)教學(xué)團(tuán)隊仍然會通過不懈努力，充分借助各種教學(xué)資源，利用現(xiàn)代化信息教學(xué)手段持續(xù)更新完善案例庫建設(shè)和深入案例教學(xué)實踐為案例教學(xué)的優(yōu)化和推廣積累經(jīng)驗。

電氣工程專業(yè)課程應(yīng)用性強(qiáng)，特別是隨著控制技術(shù)發(fā)展迅速，培養(yǎng)具有扎實理論和高素質(zhì)創(chuàng)新實踐能力強(qiáng)的人才是未來專業(yè)學(xué)位研究生發(fā)展的趨勢，深入推進(jìn)電氣工程專業(yè)學(xué)位研究生課程教學(xué)改革，以電氣工程控制系統(tǒng)應(yīng)用實踐為導(dǎo)向的案例庫建設(shè)和案例教學(xué)的開展，無疑更能對接行業(yè)和社會需求，使學(xué)生能夠在將來更好的融入社會勝任相關(guān)領(lǐng)域的工作。

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（責(zé)任編輯：陳華康）

基金項目：安徽省教育廳研究生專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例庫建設(shè)項目“電氣工程專業(yè)學(xué)位控制系統(tǒng)仿真教學(xué)案例”（項目編號：2022 zyxwjxalk095）；安徽省教育廳省級質(zhì)量工程教材建設(shè)項目“電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的MATLAB仿真”（項目編號：2022jcjs034）；2023年度安徽省教育廳教學(xué)案例庫項目“電氣工程專業(yè)學(xué)位－電力傳動控制系統(tǒng)教學(xué)案例庫”（項目編號：2023zyxwjxalk080）。

作者簡介：石曉艷（1980—），女，碩士，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授，研究方向為自動控制及計算機(jī)仿真的教學(xué)；顧軍（1978—），男，博士，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用；王賓（1979—），男，碩士，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授，研究方向為電力電子與電力傳動、檢測技術(shù)與自動化裝置。