新工科背景下“电气工程基础”课程改革教学研究

刘广敏 李小伟 解兆延 乔 昕

山东交通学院 山东济南 250357

新工科(Emerging Engineering Education，3E)是中国为主动应对新一轮科技革命与产业变革，在新经济、新起点的大背景下提出来的概念，目前在社会各界和高等教育领域引起普遍关注和巨大反响[1-2]。新工科建设将阶段性推进，需要重点把握学与教、实践与创新创业、本土化与国际化三个任务，关键在于实现立法保障、扩大办学自主权、改革教育评价体系三个突破[3]。我国高等教育中的工科教育从规模上已经是世界第一，毕业生规模占世界工科毕业生总数比例为全球第一(38%)[4]。因此，正如吴岩指出的那样，理解新工科建设的重要性和紧迫性，一是要站在实现中华民族伟大复兴大局和世界百年未有之大变局这两个“大局”的背景下，二是要站在“两化重叠”的背景下认识“新工科”建设的迫切性[5-6]。

1 在新工科建设要求下本课程现状

1.1 课程定位与内容分析

“电气工程基础”是本校轨道交通电气与控制专业的专业基础课，是后续电力系统分析、牵引供电、高电压技术、微机运动监控技术、继电保护原理、接触网等专业必修课及专业选修课的重要基础。本课程包含电力系统的组成、特点，电力网分析，电力系统的一次设备，电力系统的主接线形式、配电装置，电力系统的短路分析，继电保护基础知识，电力系统二次回路，电力系统的接地与接零等发、输、变电的基础知识。本课程涉及的电力系统的知识面比较广，很多概念比较抽象，电力系统的一次设备、二次设备都是行业专用设备，同时又涉及了很多电力系统的国家标准及输变电的基础操作规程，课程难度大。采用传统的课堂讲授式教学，学生学起来很吃力，学习效果不好。本文结合本课程多次授课的实际教学经验，分析课程现状及存在问题，探究课程教学改革措施，以提高学生对课程的兴趣度，提升学生专业素质，打造优质课程。

1.2 学情分析

根据本课程的多次授课经验，分析历届学生的学习情况，学情分析如下：

(1)本校为应用型本科大学，学生入学分数不高，学习习惯或基础不是特别好；

(2)经过三个学期的学习，学生具备了一定的数学基础、电路基础、电子技术等基础知识；

(3)本课程开在第四学期，大部分学生缺乏自主学习习惯，处于被动学习阶段；

(4)本课程采用传统“漫灌式”教学，学生接受度不好。

2 电气工程基础课程教学现状及存在的问题

“电气工程基础”这门课程是本专业的重要专业基础课，教学现状如下：

2.1 课程知识面广、原理抽象、理论推导性强

本课程涉及电力系统的各类基础知识，如行业专有名词、各类原理以及电力系统的各种设备、基于各种基础知识和电路原理的理论推导及理论分析等，既有广度又有深度。采用传统的以讲授为主的授课方式，学生处于被动接收状态，大部分学生学习主动性差，学习效果不好。

2.2 授课课时少、学习质量差

在工程教育认证“厚基础，宽口径”的背景下，本专业人才培养方案调整，本课程仅有40学时，而本课程知识面广、课程难度大，学生很难做到系统、全面地掌握电气系统的基础知识，很难达到能够进行基本的理论推导及理论分析，无法很好地完成教学目标。

2.3 教学手段单一，方式传统

课程虽然也采用了多媒体课件、雨课堂测试、雨课堂点名、雨课堂作业等改进措施，但是课程主要以授课教师讲授为主，学生处于被动接受状态，属于“填鸭式”教学，教学手段比较单一，方式传统，不能很好地支持该课程教学目标的达成。

2.4 考核方式不科学

课程主要采用传统讲授式授课方式，对应的考核方式也是传统的以考试为主的考核方式。本课程平时成绩占30%，主要包含出勤、作业、实验成绩等；期末成绩占70%，以期末考试的方式进行。成绩中，期末考试成绩占比大，很容易造成学生平时不学习，期末靠背诵记忆、押题等临时抱佛脚的模式以应付考试，很难调动学生平时的学习积极性。本课程需要改革考核方式，以调动同学们在整个课程期间的学习积极性。

3 电气工程基础课程改革措施

3.1 调整教学内容

随着电力行业发展的经济、高效、环保的新要求，电力行业不断出现技术进步和产业升级，电网建设、资源配置呈现出新趋势、新特点。本课程需要根据行业发展需求调整课程教学内容，对于每一部分的教学内容确定重点、难点及教学目标。

本课程采用教材为冯建勤主编的《电气工程基础》，电力出版社出版。电力工程的基本知识为课程基础的教学内容，在此基础上，电力网的基本知识，包括接线方式、结构、电力线路的参数与等效电路、变压器的等效电路与参数计算、电力网的损耗等是本课程重点讲授内容。变电站的一次设备，包括电弧的产生、高压断路器等一次设备、低压电器等都是本课程的重点内容。电气主接线的基本形式及适用范围、主变压器的选择、限制短路电流的措施、配电网等这些电气主接线与配电装置是本课程的难点内容。电气设备的发热和动力计算、电气设备选择的一般性原则、高压设备的选择是本课程的难点内容。二次系统与装置的相关内容是本课程重点内容。由于本专业后续还有电力系统分析课程、继电保护原理课程、高电压课程，因此，电力系统的短路分析这方面的知识、电力系统继电保护方面的知识、接地与电气安全知识、电力系统过电压保护知识本课程不讲授。

3.2 以学生为中心重新设计教学方案及考核方式

本课程难点在于需要融会贯通数学、电路知识，进行电力系统分析及计算，对于地方应用型大学的本科学生，想要按计划完成教学目标还是有难度的。采用传统的以教师讲解为主的教学手段，教学效果不理想，学生学习主动性差，对于知识点的理解只有模糊印象。

对于电力工程的基本知识部分，以教师讲授为主，辅助以翻转课堂、竞赛、小测试等考核方式，巩固学生对于这些基础知识的掌握。例如，在讲授中性点接地方式时，教师只讲授典型的中性点不接地方式，而采用翻转课堂的方式，让学生讲授其他中性点接地方式，并加以讨论。

电力网及其分析部分是在电力工程的基础上对电力网进行初步的认识和分析。这部分知识既有概念，又有建模及数学、电路分析，综合运用数学和电路原理进行分析计算部分占的比例很大，难度大。对于以概念为主的知识点，以讲授为主，需要注意的是，可以通过扩展作业使学生扩展一下知识点，由A到B再到C，实现学生的自主学习及知识的扩展。对于数学、电路分析类知识，要求学生去预习相关知识点并进行考察，否则进行数学推导及电路分析时，学生很容易跟不上思路。由于课时限制，对于可以举一反三的知识点，可以通过线上微视频+小测试的方式让学生自学。

变电站的一次设备这部分知识主要是对于电弧和一次设备的认识。对于电弧的认识，可以通过视频、图片等多种形式加深学生的印象。对于高压断路器等一次设备，需要结合实例进行讲解，也可以采用翻转课堂，让学生来进行其他一次设备的讲解。

电气主接线与配电装置这部分知识有很多行业基本规范，又有很多专有名词和概念，学生学习起来很吃力。对于行业基本规范，应该让学生知道规范出处，引导学生注重行业规范及国家标准，对于这些规范应该仔细讲解，让学生在理解的基础上进行记忆，进一步实际应用。而对于名词和概念，可以通过多次测试及竞赛，让学生加深印象和理解，进而逐渐掌握。对于配电装置，仅讲授行业用得最多的成套配电装置，分散配电装置采用自学+测试的方式完成。

电气设备的选择这部分知识有很多行业基本规范及数学分析，采用讲授、线上讨论、翻转课堂等多种教学方式进行。

二次系统与自动装置这部分涉及很多新的概念、功能定义及电路分析，其中电路分析是重点也是难点。对于电路分析这部分知识来说，可以采取动画的形式，再录制微课分享给学生，要求学生课下反复复习，再完成测试。

教学方案根据教学内容可以千变万化，一定根据学情，充分调动学生的积极性，以学生为中心，对应的考核方式也很多。对于一些需要时间比较长、难度比较大的综合运用性考核，可以通过扩展作业、不限时作业的形式来进行考察，使不同层次的学生得到不同程度的锻炼。在设计考核方式的时候，更应该注重扩大平时成绩的比重，可以把平时成绩提到总成绩的50%～60%。

3.3 融入思政元素

通过本专业的学生的学情分析可知，在整个学期中，学生的学习热情会逐渐降低。在课程中融入思政元素，不仅能够对学生进行爱国主义、职业素质等方面的教育，更重要的是通过这些元素激发学生的学习热情，提升学习积极性，使学生在整个学习过程中都能够处于比较饱满的学习状态。

思政元素可以选取电力系统的领军人物、劳动模范、铁道兵的献身精神等，并形成思政元素素材库，在合适的知识点进行融入。

3.4 线上线下有机融合

线上、线下教学要有机融合，线上教学作为线下教学有益的补充。线下教学重点讲授阶段性的新知识、重点内容、难点内容，把整个课程串联起来，是课程的骨架和主要肌群。而对于一些可以举一反三、需要课外延展、需要课外巩固比较多的课程，我们采用线上完成，例如，录制微课、组织讨论、答疑、竞赛、课外PPT展示等多种形式。线上教学灵活多样，教师要注意引导学生的自主学习能力，教师给出一个点，学生引申出来一个面。线上教学成为线下教学有益的补充，也成为学生扩展课程知识体系的摇篮。

3.5 虚拟实验加演示实验相结合

本课程涉及很多电力系统的基础设备及系统，在行业内，这些设备和系统都价值不菲，采用建设虚拟实验室的方式来解决资金紧张及设备、系统更新问题。我们可以虚拟一次设备，采用3D动画的形式来展示设备的构成、动作过程等，采用动画来展示典型的二次回路的工作原理。进一步进行课程的行业规范、系统选型、系统配置、系统设计方面的虚拟仿真学习。

结语

“电气工程基础”是本专业重要的专业基础课程，知识点多、难度大，采用传统的以讲授为主的教学方式很难达到很好的教学效果。结合新工科建设要求及地方性应用型大学的建设目标，可以从教学内容、教学方案、考核方式、线上线下结合、思政建设、虚拟实验室建设等方面进行课程的改革，改变当前学生被动接收知识的方式，以学生为中心，充分调动学习积极性，加大平常考核力度，提高课业难度，最终改善课程的学习效果，为学生学习以后的专业课打下坚实的基础。