对工科院校开展“水电站”教学改革的思考与实践——以太原理工大学水力机械及水电站课程为例

张雷克 王雪妮 李永业

太原理工大学水利科学与工程学院 山西太原 030024

作为总量排名世界第二的经济体，我国经济持续平稳的发展需要大量能源作为保障，开发清洁可再生的水电可以有效缓解能源需求的严重不足[1]，同时应对日益加剧的气候变化影响，实现可持续发展目标。水电是清洁的可再生能源，是国家鼓励积极发展的重点行业。尽管近年来因经济增速放缓导致对电力的需求增长有所下降，但从长远来看能源结构调整的任务依然非常艰巨。新常态的出现，实际上是开展能源结构调整的有利时机。而作为能源结构调整的第一主力，国家对水电的政策支持是一贯的，未来加强水电开发的程度将成为必然趋势。水电站即为实现水力发电而修建的一系列水工建筑物及其所安装的水轮发电机组和附属设备的总体，是水工建筑物、水力机械及电气设备的综合体。因此，其相关内容一直以来都是从事水利工程勘测、规划、设计、施工和管理等方面工程技术人员不可或缺的知识。

水力机械及水电站课程是太原理工大学水利科学与工程学院水利水电工程专业的核心主干课之一，该课程内容繁多且复杂，同时与大部分基础课程及专业基础课程紧密相关。此外，在水利水电工程专业培养方案中，该课程是仅有的一门将水利与水电结合在一起的，涵盖水力、机械、电气、结构等理论知识同时又包含课程设计、实习等实践教学环节的综合性课程。在过去几年的理论和实践教学过程中发现，学生对于该门课程课堂教学知识点的理解和掌握程度不足，学习热情不高，在课程设计及实习等实践教学环节缺乏主动积极性。针对该课程在教学过程中存在的问题，依托山西省教育厅及太原理工大学于2015年设立的教改项目，课题组历经2年研究，对教学方法与手段、教学内容设置以及实践教学环节等进行了改革，并取得了较好的效果，有效地提升了课堂教学质量、激发了学生学习兴趣、增强了学生工程思维能力。

本文从该课程在理论及实践教学中所遇到的问题分析入手，就如何对教学内容、教学方法进行改革和创新提出了一些建议，以期各位同仁指正。

1 水力机械及水电站课程教学的问题与思考

1.1 教材方面

1.1.1 内容深度有余 广度略显不足

水电站是涉及水、机、电、结构的复杂综合体。仅从该课程涵盖的诸多知识面来看便足以开设专门的专业学习，但作为水利水电工程的一门课程，教师只能讲授一些水电站建设过程中的基本问题。而现有教材重建筑物介绍、轻机电内容提及的现状更是造成了机电环节与结构环节教学内容配比的偏颇，不利于学生综合素质能力的培养。

1.1.2 专业技术性突出 人文历史性匮乏

受传统工科思维和保守教学思想的影响，长期以来水电站教材都是以科教式或讲述式的方式对相关知识进行介绍，关于水电与全球能源危机和可持续发展问题的联系、水利水电事业的发展历程、相关专家学者的生平事迹等人文教科方面的内容却极少涉及，教材的鲜活性和趣味性未能得到体现。

1.1.3 文字叙述占比偏高 感性内容展示偏少

相比于文字，人们往往对色彩鲜明的事物更加感兴趣。现有教材对知识的介绍以文字为主，配套的图片基本采用二维黑白平面示意图，缺乏直观的感官和触动意识，不利于学生直接理解和学习，容易造成学生对书本学习兴趣的丧失。

1.1.4 教材内容版本陈旧 知识更新速度缓慢

受地域、时间、历史进程及有效更新机制等多方面因素所限，水电站教材内容尚未紧跟日新月异的水电建设步伐，整体略显陈旧，版式风格与当代大学生阅读心理存在一定的差距，学生很难通过教材了解和习得行业的最新发展情况。

1.2 实践教学方面

1.2.1 实习过程流于表面 学生自身思考感悟缺失

由于十余年数次课程调整的影响，专业课学时被逐步压缩，实习周期也相应被削减，在如今为期1～2周的实习周期内，学生对电站的印象多停留在感性阶段，参观完毕后的实习报告更像是流水账记录，缺乏带有思考性的见解和个人观点，几无可能通过实习环节了解到工程实际中存在的问题及解决方法。

1.2.2 课程设计重视程度不够 设计内容不规范

水力机械及水电站课程设计多安排在大四第一学期末，已完成大学课程且缺少考试压力的学生心情较为放松，在1.5周的课设时间内大部分学生都是在最后几天内仓促完成，普遍存在的问题包括图纸绘制不规范、水轮机选型不合理、厂区布置方案不完善，没有达到培养学生运用所学知识解决工程实际问题能力的目标。

2 水力机械及水电站课程教学的改革与实践

2.1 课堂教学改革

2.1.1 力求知识结构的完整性 降低教学难点的学习比重

水力机械及水电站课程由水、机、电、结构四部分知识块体构成。水利水电工程专业学生在以往学习过程中接触的知识多与水、结构有关，机、电知识的学习则极为有限。水电站教材中的机部分也仅介绍水轮机，对于调速器、油压装置等其他与机械密切相关的机设施以及发电机原理几乎不涉及。为了使课程体系更为完整，增加学生对机电设备的认识，课题组在有限的课时内抽出一定时间，专门为学生讲授凸极水轮发电机的构造、工作原理以及基本的水轮机液压调速器知识，并向大家推荐相关参考书目要求学生课下自学，通过随堂提问的方式考查学生对这些机电知识的学习和掌握程度，并将大家的回答情况作为平时成绩的重要参考。此外，对于学生普遍反映存在学习和理解困难的水电站调节保证稳定性分析及数值计算部分以及厂房地基稳定性和应力计算部分，则不对学生学习提出过高要求，掌握基本原理即可。该部分内容涉及知识点较多，对数学分析及计算机编程能力要求较高，太原理工大学虽为国家211工程建设大学，学生质量在山西省名列前茅，但需要承认的是现阶段大多数学生力学、数学功底和应用计算机解决问题的水平较为有限，上述内容更适合在研究生阶段开展和讨论。而对于基础较好且有意继续从事相关科学研究的学生，则通过课下辅导的方式为其学习诉求提供保障。

经过2年的尝试，学生反映对水电站机电部分有了较为清晰的认识，对水电站整体性的理解也得到了提高。特别是那些在国内外高校及科研院所继续深造的学生，在面对诸如水轮发电机组动力学、厂房结构动静分析以及水轮机调节保证计算等方面研究课题时觉得相对轻松，对问题的思考也更加全面。

2.1.2 增加人文内容和典型工程实例的介绍

作为一门兼具综合性和实践性的课程，水力机械及水电站不仅要求学生牢固掌握课本上的知识，同时还应了解水电建设事业对能源行业的影响及其对人类社会可持续发展的责任。对于那些在水电建设事业中做出杰出贡献的专家学者，其人生履历和奋斗事迹值得后辈铭记；而一座座矗立在大江大河中的雄伟水利工程，更是见证了中华民族依靠自身勤劳智慧一步步崛起的伟大历史。这些内容虽不在教学大纲的要求范围之内，但对开阔学生思路和眼界、激发学生学习兴趣、培养学生历史使命和社会责任感、树立正确人生观和价值观均具有十分重要的意义。为此，课题组搜集了大量水利水电杰出历史人物和重点工程的文字、图片和影像资料，并在教学过程中根据章节安排穿插为学生播放和讲授。通过观看两院院士潘家铮先生的纪录片，学生了解了这位著名水利水电工程专家的个人经历，其在新中国第一座自主建设的大型水电站—新安江水电站设计施工过程中所付出的努力，也看到了作为三峡总公司技术委员会主任的“潘总”在耄耋之年依然奋战在一线指挥工作的感人事迹。始终秉承科学、理性精神的清华大学水利系教授黄万里先生即便在面对打击和挫折也能毅然决然地坚定自己的信念，对人民负责，对工程负责，对祖国负责，怀揣赤诚中国心行走于长河孤旅。“大三峡”使学生得知三峡这一倾注了中国人对民族复兴不懈追求的民生工程、世纪工程、丰碑工程，从梦想到现实所经历的科学决策、开放合作、移民安放等种种艰辛与不易。“三门峡”则令学生充分理解了尊重科学的重要性和必要性，以及泥沙对水电工程效益和生态环境的重大影响。

近几年的水利人文和工程案例教学反馈结果表明，学生十分认可水利水电行业在国民经济发展及中华民族伟大复兴过程中所起的巨大作用，专业认同感和民族自豪感大幅提升，学习兴趣显著增加，十分有利于课堂教学工作的开展。

2.1.3 文字、图片、案例、动画多管齐下 发挥多媒体教学课件的优势

水力机械及水电站课程与实际工程密切相关，现有教材所提供的资源无法令学生对水电站机电设备的外形、厂区内外建筑物的组成和结构获取足够的感性认识，即便授课教师能够做到对具体事物的准确描述，其效果也不如实体图片或视频给学生的感受直接。为此，课题组从基本框架结构建立、素材选择和现代化多媒体手段运用入手，以学生对具体事物的感知获取和理解为出发点，在课程教学课件中增加了大量的工程图片、工程案例以及视频动画讲解。

例如，在讲述水轮机类型时，教材中对混流式水轮机的基本文字和图片描述为“水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮”(如图1所示)[2]。

图1 混流式水轮机示意图

该段文字用十分简洁的语言对混流式水轮机转轮区内水流相对主轴流动方向的特点予以说明。然而，对于此前从未接触过这个概念的学生而言，由于教材文字和所配图片缺乏直观映入性，学生在缺少感性认识的前提下很难想象水流是如何与转轮叶片进行接触的，及“混流”二字又是如何得来的。鉴于此，在该环节的授课过程中除基本文字、图片介绍外还增加了视频教学，其立体画面和说明如图2所示。这样，当授课教师讲解完基本理论概念后，再配以视频说明，便起到了加深学习印象的效果。

图2 混流式水轮机水流与叶片接触示意图

课题组通过平时的资料搜集在教学过程中为学生提供了除教材之外的实物或模型的再现，这些图片、视频资料不仅形象生动、效果直观，更为重要的是，其出现起到了启发学生感官意识、促进学生动脑思考的作用，有效地提升了教学效果。

2.1.4 紧跟行业发展动态与走向 及时更新教学内容

教材内容的一大缺憾便是忽略了对水电建设事业最新发展情况的介绍。例如，在2004年水电装机容量便已突破1亿千瓦，超越美国，成为世界第一水电建设大国[3，4]，但当时开发程度较低，仅为18.45%，远未达到发达国家60%的平均水平。经过10余年的飞速发展，截至2016年底，这一数据已攀升至3.332亿千瓦[5]，61.48%的技术开发比例也使我国跻身水电开发先进国家行列。而具有完全自主知识产权包含最新技术、最新工艺的世界最大单机容量100万千瓦时的巨型水电机组制造正在位于哈尔滨的哈电集团一步步成为现实[6]，建成后将在世界第二大白鹤滩水电站投入使用[7]。

此外，工程技术的持续进步也使得地下厂房、抽水蓄能电站等原本属于教材中的次要内容逐渐变成现在和未来的主要内容。随着溪洛渡、向家坝等常规超大型水电站的相继投产运行，以及江西洪屏二期、浙江缙云、湖南平江等巨型抽水蓄能电站的开工建设，对于这些电站基本知识的讲授已变得愈发必要。

上述在教材中没有被提及的、正在迅猛发展的水电实践，对学生综合了解水利水电建设事业发展情况、洞悉未来行业走向走势、规划个人发展目标具有极为重要的指导意义。因此，授课教师在对应章节适宜增添了行业最新思想、技术和工艺的前沿情况介绍，使学生对国内外水电行业的动态有了更为清晰的认识，开阔了眼界。学生也对这些内容的讲授十分感兴趣，将水电站最新工程建设情况和研究成果引入课堂教学也成为该课程的一大特点。

2.2 实践教学改革

2.2.1 强化实习过程中教师的引导和督促作用

工程实习是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和解决工程实际问题的重要平台，有利于学生素养的提高和正确价值观的形成。

在校外实习参观前，针对学生缺乏对实际工程了解这一情况，首先在课堂上放映拟参观电站的工程图片和影像资料，并提出一些问题让学生思考解决。在出发前为学生安排明确的实习任务，让学生带着任务一边参观一边思考。在水电站工程参观过程中，除由负责的水文、地质、机电、结构等专业教师和课程授课教师讲授外，还邀请实践经验丰富的工程师及电站技术人员一同为学生指导，并结合当天的参观和教学内容现场提问，对学生遇到的疑惑及时解答。实习结束后，则要求学生不但要说明工程的具体情况，还要在实习报告中加入思想感悟和心得体会。

通过上述举措，学生对实际工程项目的认知程度得到了加强，思考解决问题的能力获得了提高，而基于问答、师生互动的参观模式则活跃了实习教学氛围，学生校外学习的积极程度得以改善，实习报告也在融入学生个人见解后增加了深度，总体上达到了比原有实习模式更好的效果。

2.2.2 强调课程设计的意义 细化具体内容的安排

学生对课程设计的重视程度决定了其能否在规定时间内妥善地完成既定目标。为此，课题组在课程设计开始前组织学生参加动员会，强调课程设计的作用及其对今后科研和工作的重要性，要求学生不能在思想上放松，必须以积极主动的心态投入到课程设计任务中。而在为学生布置任务时，则尽量做到细致。首先，基于任务指导书对设计思路、方法和步骤予以明确规定和说明，要求学生必须严格按照任务书的目标完成课程设计。其次，对于以往在课程设计中出现的问题反复强调。例如，图纸绘制不规范是比较常见的现象，在学生绘图时为其提供正确的示例模板以提高图纸的设计品质。最后，规定了学生每天需要完成的具体内容和工作进度，并以10人为小组设置组长专门检查组员的完成情况，而组长则每两天向指导教师汇报小组成员的课设进度，对于未按照要求完成既定任务的学生，则根据实际情况减少课程设计平时成绩。此外，如果学生在设计过程中遇到问题，则可利用短信、微信或电话与教师沟通解决。

实践结果表明，上述举措的实施令学生对课程设计的重视程度显著提高，作业纪律性得到明显改善。更为重要的是，课程设计的图纸品质无论是正确性、规范性还是美观性均有了大幅提升，实现了提高课程设计教学质量这一目标。

3 结语

针对在理论教学和实践教学过程中遇到的问题，对水力机械及水电站课程的教学内容、教学方法与教学手段进行了探索和改革，初步形成了适用于当前太原理工大学水利水电工程专业该课程的教学模式和思路。然而，课程改革和优化建设是一项长期且艰巨的任务，结合近年来在教学过程中的一些经验对该门课程进行了改革探索，望各位同行、专家不吝赐教、批评指正。也期待经过不懈的努力，通过在不断的教学实践中发现问题、解决问题，及时总结经验教训，积极进行尝试和改进，从而激发学生的学习兴趣、有效调动学生学习积极性，加深学生对水电站专业的认知，最终实现提高水电站课堂教学与实践教学品质，培养出更多高水平、高素质水利水电工程人才的目标。