新工科背景下电气工程《电力新技术概论》课程教学研究

2021-06-18苏盛王力肖辉唐欣

高教学刊 2021年2期

苏盛王力肖辉唐欣

摘要：新技术创新和新产业发展为工科专业带来了新机遇、新挑战、新要素，对工科专业人才能力培养提出了新要求。文章先对新工科定位下的电气工程教学进行深度剖析，指出了教学过程中在教学内容设置、教学课堂形式、课程考核方式方面存在的问题;将翻转课堂、项目式教学思维、多方面考核应用于《电力新技术概论》课程体系建设，探寻新工科理念下电气工程新型人才能力培养模式。旨在提高学生围绕实际生产需求提出问题的能力，面对实际生产状况分析问题和解决问题的能力。

关键词：电气工程;新工科;翻转课堂;项目式教学;工程教育

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）02-0091-05

Abstract： The innovation of new technologies and the development of new industries have brought new opportunities， new challenges， and new elements to engineering majors， and have put forward new requirements for the cultivation of talents in engineering majors. This paper firstly conducts an in-depth analysis of electrical engineering teaching under the new engineering orientation， and points out the problems in the teaching content setting， teaching form， and curriculum evaluation system during the teaching process; it will apply the flipped classroom， project-based teaching thinking， and open evaluation system. In the course system construction of "Introduction to New Technology of Electric Power"， explore the new talents training model of electrical engineering under the concept of new engineering. It aims to improve students' ability to ask questions around actual production needs， and to analyze and solve problems in the face of actual production conditions.

Keywords： electrical engineering; new engineering; flipped classroom; project-based teaching; engineering education

引言

世界范圍内加速进行科技革命和产业变革对工程教育的改革和发展提出了新挑战[1]。为支撑以新技术、新产业、新业态、新模式为特征的新经济高速稳步发展，提高国家综合竞争力，在未来全球生态系统中占据战略制高点，新工科理念下探索人才培养新模式是重中之重。传统人才培养模式注重学生知识体系的构建，虽一直在强调理论结合实践，但学生很少接触到实际工程研究。电气工程是新工科建设的重点学科，未来人类社会发展进步的基础性能源学科。为培养工程实践强、创新能力强、具有数字化思维和跨界整合能力的“新工科”电力专业人才，有必要将学科前沿研究和产业需求引入课堂教学，实现学生专业知识素养的培养和行业要求的无缝衔接，使得人才培养由学科导向转变为产业需求导向，强化学生的问题导向思维能力，促使学生形成紧密围绕问题需求、跨专业学习与融合知识解决问题的习惯，从而形成新工科的培养模式。

一、新工科定位下电气工程专业教学

电力作为我国经济发展和国民进行社会活动的关键性基础能源，其技术现状更是衡量国家综合竞争力的重要指标。近年来，大数据、云计算、无人机等一系列新技术的不断涌向，加快推进建设泛在电力物联网被提上日程，旨在未来形成全面感知、数据共享、自愈型智能电网。智能电网的建设对现代电气工程专业人才的知识、综合素质、创新创造能力、跨界整合能力提出了新要求。

教育是推动科学技术发展的内在推动力，电气工程人才培养重在电气工程专业教学。随着新一轮科技革命和产业变革的到来，知识更新和知识转化速度不断加快，传统单一教学方式局限性逐渐凸显。为支撑服务创新驱动等一系列战略，培养我国经济转型需要的高素质复合型人才，教育部于2017年正式推出“新工科”人才培养计划。实践创新能力是培养新工科人才的首要要求，教学内容应该紧贴实际生产，知识来源于书本但不限于书本，给学生留下独立思考的空间，培养学生发现问题、解决问题、分析问题的能力，激发学生动手实践验证书本知识的欲望;电力系统是一个多学科融合的复杂系统，单一学科无法有效解决实际生产问题，对新工科人才的学科跨界整合运用能力要求极高，课堂教学就书本知识点结合学科前沿穿插不同学科知识，训练学生跨学科解决问题思维;交流合作是新工科人才的必备素质，智能电网建设是一个大工程，靠一己之力不可为，教学过程以学生为主体，依托项目化教学设计，有利于增加师生互动性，培养学生团队协作能力。

二、當下电气工程专业教学存在的问题

（一）教学内容重理论轻实践

工程教育强调实践与理论知识有机结合，旨在培养学生的实践动手能力。而本科教育教学阶段涉及到的都是书本知识，很少和实际生产生活需求挂钩，导致绝大部分学生对所学专业的把握局限于书本知识。而且这些知识大多来源于一些老师的教学经验整理成册，随着科学技术的不断进步，在解决实际问题过程中难免出现部分知识点与先进技术脱节的情况，使得学生毕业后运用理论知识解决实际生产问题突显出滞后性。国内部分高校由于经费原因而不愿意将教育资源投入到电气工程专业建设，电气工程学生往往和其他专业学生共用一个实训基地，加之缺乏专业的实践课程教师，使得学生在实践教学过程中学到的知识很少，对学生的综合能力提升有限，学生动手能力得不到有效改善。

虽有部分卓越班学生自主选择导师，跟随导师课题组做部分的项目或参加学科竞赛，但大多主导权在课题组研究生身上，本科生属于附属部分，真正在项目或比赛中占主导作用的比例非常小。从本科毕业设计来看，大多数学生依然停留在被动学习阶段，在查阅资料、提交论文大纲、创新点意识等方面存在明显的不足，在自主解决遇到的实际工程问题的能力尚缺，较为依赖教师提供方案后被动式解决问题。

（二）课堂教学缺乏互动性

人才培养是高校最根本的职能，而人才培养主要靠教学，教学方式的好坏直接影响到人才培养质量的高低[2-3]。当前大部分高校都采用传统“一言堂”教学方式，学生长期处于被动接受状态，一门课“满堂灌、堂堂灌”现象普遍[4]。老师作为教学主体过于注重传授理论知识，缺乏师生之间有效的互动交流，缺乏对学生灵感的启发和学习积极性的激励，缺乏提高学生动手能力和创新能力的有效手段，无法有效发挥课堂教学的作用。老师给的结论很多，但是为学生抛出的问题却很少，导致学生更多的是继承知识，认为只要自己的理解和老师的讲解一致就是读懂了教材，掌握了某个点，考核时也只是一种知识的搬运，学生对课堂依赖性强，自我独立思考创新不足，兴趣性钻研驱动力不足。无论是在实践教学还是课堂教学过程中，学生运用所学知识解决实际问题时，难免会遇到一些新问题，教师作为传道解惑的主体可以通过有效互动帮助学生解决问题，加深学生对知识的理解，然而老套的教学方式成为老师与学生之间有效互动的“绊脚石”。

（三）单一化考核

课程考核作为人才培养的关键环节，对学生所学起着检验性作用，考核方式往往注重形式和结果。部分学生平时不努力，期末复习好就能考出好成绩;一些学生依靠瞬时记忆，在末考前临阵磨枪记下知识点，并未真正掌握所学内容[5]。学生通过参加考试或提交结课论文来获得相应学分和成绩的传统单一的教学考核方式，学生往往是为了分数而去行动，本质上还是被动学习，还是“唯分数”论学习，缺乏开放性、创新性和和综合性。原有教师作为评成绩的唯一主体，学生不参与评定的传统考核形式，往往学生得到的成绩或多或少参杂一定的个人情感，不能反应学生的真实水平，不利于构建老师与学生之间进行有效互动的大环境，不利于学生之间进行经验分享学习，互相帮助学习，互相总结监督学习。这种方式培养出来的人才，难以体现现代教育的精髓，难以适应新工科建设的发展和素质教育的要求[6]。

三、《电力新技术概论》课程教学改革探索

世界范围内愈演愈烈的经济转型和产业变革对工程专业人才培养提出了更高要求和挑战，加快工程教育改革创新已成为“政产学研”各界的共识[7]。专业选修课作为大学课程体系中帮助学生开阔视野，提高学生综合能力和增强思维导向能力重要课程，是培养学生创新、创业、创造能力的重要途经。然而往往面对专业选修课时，学生和任课老师都出现重视度严重偏移现象。《电力新技术概论》课程旨在帮助学生了解行业新动向、新技术、新发展，鼓励学生打破常规思维，多角度、多思维、多学科去思考电力系统难题。目前教材的关注点主要集中于分布式能源并网、超高压交直流输电等新型发输电技术，在知识层面弥补了传统电气工程专科课程设置的空白。电气工程专业是新工科建设的重点学科，有必要将当下大数据、互联网+、云计算、云服务、无人机等新技术和产业要求引入课堂教学，实现产教深度融合，提高学生分析问题、解决问题乃至提出问题的能力。为培养新工科要求的跨学科复合型、创新创造型、综合型卓越电气工程师人才，对《电力新技术概论》课程教学内容设置、教学方式、课程评价体系做出如下探索性调整。

（一）课程内容设置项目专题化

面对产业革命和技术更新的浪潮，着眼于知识学习和简单应用的传统课程内容设置方式不适合新工科人才的培养[3，6]。以学生为主体，强调理论结合实践，立足于学生能力培养的项目式教学对新工科专业教学方法的探索具有重要指导作用。为响应国家战略需求，培养新工科要求应用型、创新型、交叉学科整合的复合型人才，有必要围绕电气工程专业的新方向、新动态、新领域结合电力系统的实际需求与前沿研究，将《电力新技术概论》课程内容总结为如下六个项目专题。

1. 基于大数据技术的配电自动化终端设备状态检修

配电自动化系统为供电企业把握设备状态，电网故障的快速抓取和恢复提供了高效可靠途径[8]。数量庞大的配电终端广泛分布于恶劣的环境，人工巡查难度大且效率低下，企业不能实时准确的掌握设备状态。国内企业制定“到期必修”制度由于应修设备漏修率高，影响供电可靠性，不适合当下电力系统复杂的工况。近年来出现的基于大数据的在线监测技术可以实时抓取终端设备状态信息汇集于变电站并反馈给供电企业，而海量状态信息传递必定会导致相关节点的效率低下，可靠性降低。如何基于大数据技术深度挖掘设备状态信息是企业掌握设备状态，降低事故率，提高设备可靠性的关键技术问题。

2. 基于大数据技术的配电网节能降耗运行分析

配电网与用户直接关联，覆盖面积大，负荷种类和接线方式繁多复杂，其运行经济性不仅直接关系到广大用户和电力企业的经济效益，也是社会效益和能耗状况的重要体现[8]。配电网的节能降耗运行分析对平衡负荷快速增长与配电网投资建设滞后之间的矛盾有着重要意义。大数据技术提高了配电网全面感知能力，但如何对各类信息系统和智能表计采集的巨量数据进行深度挖掘为用户提供个性化的服务;针对系统产生的非技术性网损，如何利用大数据技术提高电力企业窃电检测能力，都是大数据应用于配电网需要解决的技术点。

3. 基于用電负荷大数据的用电客户增值价值创造

智能表计和先进计量自动化系统的投入使用为供电企业获得不同时间间隔准确而详细的负荷消费数据提供了途径。供电企业对消费数据进行深度挖掘分析，寻求同行业、同类别用户用电特征，再运用分类和聚类算法即可完成用户负荷模式提取，对改善电力系统稳定运行、节约电力资源、提高企业效益有重要意义[10]。随电网规模扩大而来的电力用户数据量激增使得传统聚类分类算法效率低下的固有缺陷愈发明显，迫切需要优化传统算法或者引入开发新手段来满足未来电力系统的扩张。

4. 基于雷电气象大数据的组合分析

雷电是引起线路跳闸事故发生的主要原因，雷电数据对于线路防雷设计起着决定性作用。由于雷电高密度、高精度数据匮乏，传统防雷设计靠经验公式和经验数据，对于雷电的预测具有随机性。随着学者对线路雷击事件的不断深入分析研究和雷电定位系统的应用，积累了海量多维度雷电数据，使得线路防雷设计和耐雷水平上了一个台阶。但当前的防雷设计只是专注于对雷电数据本身的深度挖掘，较少考虑气象条件因素组合对电网雷害的影响[11]。

5. 基于气象大数据的气候变化对电力系统的影响风险分析

随着“西电东送”等能源战略的实施与深化，我国电网呈现出区域互联、跨度大、覆盖范围广的更高一级的骨干结构。虽然这种结构能够实现电能快速区域支援，提高电能利用的灵活性，但如气象条件对电网安全的威胁也得到放大。电网规划初期会考虑海拔、湿度、温度等气象因素，对气象变化有一定的冗余度，但是随着电网规模的扩大，需要采集和处理的气象数据指数型增加，如何将海量多源异构的气象数据和电网自身特点和需求深度融合挖掘分析，成为当前利用气象数据分析气候变化对电力系统影响风险的关键技术难题[12]。

6. 电力系统输配电线路无人机巡线创新应用方法

随着电网规模不断扩大，输电线路巡检工作量爆炸式增加，传统人工通过肉眼或手持设备的低效率、高误报率的巡检方式已经不能适应现代电网高效运维的需求。无人机易携带、易操作、载荷丰富、不受地形及巡线环境限制的特点成为提高电力系统巡线质量和效率的契机，南方电网公司和国家电网公司都制定了机巡为主、人巡为辅的协同巡线机制。然而目前巡线无人机都为民用消费级，没有结合电力领域的特殊需求进行无人机信息安全防护，这也是未来无人机大规模多元化应用于输电线巡检亟待解决的问题。

上述六个专题均属于新工科范畴，所有专题既是电力行业普遍存在而又亟待解决的实际需求，又是国内外学术界正在开展研究的重点课题。学生可以自主选择六个专题中的任意一个专题，老师只进行项目分解示范，然后由学生组成讨论组对各自的项目进行分工协作、探究讨论，最后通过各个小组汇报项目完成情况来进行评定成绩。项目内容只涉及一般性统计学分析计算方法和编程应用，不存在高深的技术壁垒。以专题任务为驱动，学生为主体的项目式教学实现课程教学与实际生产实践和行业前沿研究紧密贴合，利于学生开阔眼界，了解行业发展动态，提高学生思辨能力、团队协作能力、自我构建知识体系的能力。

（二）课堂教学翻转化

以往的本科教学方式，学生被灌输性的接受知识，主要是老师讲学生听的方式，往往会出现“教”大于“学”和有“教”无“学”的现象，即老师传授的知识无法完全被学生吸收。片面强调理论知识讲解和教学任务进度，忽略学生的主动性、能动性、主体性，造成师生负荷过重，课堂教学效率得不到提高。在面对实际生产工程应用问题时，存在实践能力不足、创新能力欠缺、理论知识薄弱、前沿意识匮乏、人文素养缺乏以及创业比例较低等问题，难以适应“新工科”建设对工科毕业生的要求[13]。针对此类问题，为了使学生能够适应实际生产生活的需要，自主查阅资料、总结相关领域的研究成果、培养创新意识和养成主动学习的良好习惯，借鉴国内外已有的翻转课堂经验，转变师生角色，让学生成为课堂教学的主体。

随着世界教育改革不断深化，翻转课堂教育理念已成为教育改革的新思潮，越来越多的教育工作者对其进行了研究[14，15]。翻转课堂通过对知识传授和知识内化的颠倒安排，改变了传统教学中的师生角色并对课堂时间的使用进行了重新规划，实现了对传统教学模式的革新[16，17]。将教师与学生之间的关系进行翻转，由学生提出问题、探索解决办法、讨论演绎、解决问题，着重开发学生的自主学习能力与创新精神，提高学生分析问题、解决问题的能力。在这种教学模式下，教师为引导作用，学生是发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的主体，能够随时与教师进行线上讨论;学生是讲的主体，讲课题的了解程度、工程中的问题探索、现状分析、解决问题的思路和方案;教师是听的主体，听学生的汇报和思路，进行答疑解惑。教师只在启发和支持学生自主学习方面发挥重要导向作用。通过这种方式，教师能够更加深入了解学生的学习状况、思想状况、分析问题的特点，在教育过程中更加具有针对性。在这个过程中，不仅学生的参与度、和老师之间的互动性能够得到保障，而且又可以培养学生独立分析思考问题和创新创造的能力。

（三）多方面考核

人才培养是应用型本科高校发展的核心，而课程考核形式又是影响高水平应用型人才培养的关键因素[18]。在传统教学理念中，大多数高校都是继承传统的学生写试卷和提交结课论文来获得学分的考核方式，存在学生要求老师考前勾重点和“考前突击，考完就忘”现象，学生对知识的贮备转化率低，更不必谈运用所学知识解决实际难题。鉴于应试考核的消极影响，锻炼学生的真本领，开放化考核将所有权完全交予学生，由学生定期主动向教师汇报总结，对于六个专题的解决思路并不存在限定性的答案，由学生提供可行方案，再由学生进行推演计算证明，最后由学生得出最优化的解决方案，这四个过程均由学生进行汇报总结，教师听取报告，并提出建设性的意见和思路。考核由原本单一性的考试方式改变为“汇报答辩部分、操作证明部分、材料收集整理能力、提取关键信息能力、小组合作沟通能力和创新思维能力”六个方面进行考核，提高学生自主学习、自主分析解决问题的能力。通过开放化的考核方式，学生将自己所学展现出来，使得学生的参与教学的参与度更高，学习过程中逐步发现自己的学习策略，反思和调试自己的学习过程，监视学习进展情况，自我评估，为自己的学习负责。

四、结束语

当前我国正在实施创新驱动人才强国战略，新工科、翻转课堂、项目式教学思维的结合，为当前教学工作提供新的思路。项目化教学内容设置实现从书本传统理论知识到新技术新知识的跨越，产学研结合，提高学生自主学习能力、创新思维能力、实际项目问题的解决能力和对新生事物/技术的敏感能力;在项目化教学内容设置基础上实施翻转课堂教学模式，反转师生角色，增强师生之间的交流互动，使得学生对教学有了参与度，有利于开发学生自主学习智能，提高学生综合应用能力、独立思考分析解决实际工程应用问题的能力;多方面的课程考核方式杜绝以往重形式、重结果的不良影响，消除应试教育的影响，有效保障了教学质量，符合现代化教育的要求。

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