基于5E教学模式的“电力系统分析”课程教学改革探究

王雪杰，叶 鹏，赵 毅，刘 峰

（沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136）

5E教学模式是基于建构主义建立起来的探究性教学模式，该模式以学生为中心，重视学生知识和技能的自主学习和构建。设计该模式的重要环节分为：吸引（Engagemen）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）。因此，该模式又被简称为5E教学模式［1］。目前，5E教学模式成为国内外学者关注的热点之一，探究如何将5E教学模式引入电力系统分析课程体系是本文研究的重点。

一、基于5E教学模式的课程教学

“电力系统分析”课程是电气工程及其自动化专业的重要专业课程，起到承上启下的作用。该课程理论性较强，计算相对复杂，概念较为抽象，与工程实际联系紧密。电力系统分析分为电力系统的暂态分析和电力系统的稳态分析。电力系统暂态分析分为机电暂态和电磁暂态的两部分，分别研究运行稳态性分析和短路故障分析；电力系统稳态分析分为稳态运行基础和运行优化的两部分［2］，研究稳态建模及潮流计算、频率电压的调整和有功无功优化。针对电力系统运行中遇到的基本工程问题，大致解决步骤如下：首先，针对问题构建相应的数学模型；其次，选取合适的计算方法进行分析求解；最后，通过对计算结果分析，归纳出基本规律。

采用5E教学模式有利于课程教学。在传统教学到5E教学模式的转变过程中，教师的教学思维和教学方法都发生了巨大的改变。与此同时，学生的学习方式也发生了根本转变。教学方法由教师的单方面输出转变为教师引导学生主动参与教学过程。

二、基于5E教学模式的教学环节设计

本文将介绍5E教学模式在“电力系统分析”课程教学中的应用。教学内容是“基于PSASP的电力系统潮流计算和复杂系统的短路计算”。电力系统的潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。它可以通过潮流计算结果确定整个系统的功率分布及损耗等。工作人员可以通过最终数据预想事故的发生状况，并提前想出事故的解决方案。电力系统的短路计算是故障分析中的基础计算。工作人员可以通过短路计算的最终结果判断故障的程度和对系统的影响［3］。

随着计算机技术的发展，仿真实验在各种商业软件的电力系统设计和仿真中得到了广泛应用。为了更好地模拟整个系统，本次教学将使用PSASP软件进行电力系统潮流计算和复杂系统的短路计算。PSASP是专门应用于电力系统分析的综合程序，具有功能齐全、资源共享、使用便利的特点［4］。PSASP的体系结构分为三层，分别是公用数据和模型资源库、应用程序包、计算结果和分析工具（见图1）。

图1 PSASP的结构体系

（一）教学环节的准备

5E教学由吸引、探究、解释、迁移、评价五个环节构成。为了保证整个教学环节的完整性，教师需要仔细研究五个环节间的关系。在教学准备过程中，教师应该严格按照要求及学生的学习情况制定合理的教学计划，保证所有学生都能参与其中，更好地培养学生的思维能力。

（二）教学环节的实施

1.吸引。此环节是5E教学的起始环节，目的是教师能够通过设计教学问题或引起矛盾的方法吸引学生，促使学生将注意力集中在教学问题上，引出教学任务。激发学生对知识的渴望和兴趣［5］。使得学生能主动了解整个教学活动的知识结构，让学生带着疑问探寻其中的奥秘。要知道潮流计算是分析和控制电力系统稳态运行的基础。在本次的教学设计中，学生首先要知道潮流计算的本质是求解节点功率方程，采用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算。

2.探究。本环节是直接给学生提供探索教学问题的机会，教师不再是教学的领导者，而是引导者。在本次教学设计中，教师先给学生提供仿真的系统图和各个元件的基本参数［6］；接下来，学生通过教师给的条件在PSASP软件上进行系统图的绘制，写出仿真程序然后对其模拟的情况进行分析和探究；最后，教师可以适当引导学生进行本环节的总结。随着探索程度的增加，学生逐渐提出对仿真过程的新观点。学会举一反三，在现有仿真程序基础上进行修改，记录结果，得出结论。这一环节是学生新知识建立的重要环节，学生能够主动探究问题。此外，教师可以鼓励学生以归纳整理、逻辑推理、合作的方式进行探究，并帮助学生打开思路。

3.解释。本环节是在吸引和引导学生探究教学问题后，让学生用自己的理解对结果进行阐述。在此过程中，教师通过学生的阐述掌握其对知识的理解情况，及时发现问题、指出问题，引导学生朝着正确的方向理解。同时，教师向学生说明对教学问题的观点。然后，对此进行总结和比较，得出正确结论。此环节是五个环节中的关键环节，是学生自我思维构建的过程。学生通过前两个环节理解了等值电路中的各个元器件的基本概念，熟练掌握了各个公式的用法。在教学实践的过程中，教师需要将学生阐述的观点进行总结。

4.迁移。本环节是在学生得出正确结论后，将理论知识应用到实际的教学问题中，进行进一步的深入研究。在此过程中，教师需要带领学生逐步过渡到另外一个情景中并进行正确引导。从而使学生可以更快地达到教学目标［7］。在教学设计中，教师给学生提供短路计算的仿真系统图和各个元件的基本参数。学生在PSASP软件上进行系统图的绘制，将初始条件输入程序［8］。然后模拟三相短路、单相短路、两相接地短路三种情况，并求出短路点及各电源支路的短路电流。最后，可得出短路计算报表。在教学实践过程中，教师可以适当拓展延伸知识。

5.评价。一个科学合理的成绩评价体系，不仅需要真实地反映学生对待实验课程的态度和对实验内容的掌握程度，公正客观、真实有效地评价学生的实验能力，还需要能培养学生从事科学研究的基本素养［9］。本环节是教师对学生的整个教学过程知识掌握的综合评价，贯穿整个教学过程。学生通过教师评价对自己的分析过程进行反思和总结，完善自己对知识的理解。这个环节可以反映整个教学的效果，也是5E教学模式的最终体现。这一环节的评价方式有两种，一种是形成性评价方式，另一种是总结性评价方式。这两种评价方式可以了解学生在吸引、探究、解释、迁移等环节知识的形成情况和发展情况。在整个教学过程中，教师会随时发布任务和问题，随时随地掌握学生的了解状况。在本环节，教师针对各个环节采用了总结性评价方式，反思探究阶段的错误原因；考核学生在解释阶段潮流计算基本概念和其仿真结果的掌握情况；在迁移环节，教师根据学生对短路计算仿真程序的进一步探究情况，掌握学生的学习情况；最后，给学生提出开放性问题。在教学过程中，通过此环节可以了解学生是否达到了教学目标。教学评价的结果决定了5E教学模式是否有效。

（三）教学环节的重点

当教师提出问题情景后，引导学生思考：“为什么要进行潮流计算？”学生利用现有理论知识对教师提出的问题进行思考。同时，教师可以给学生提供一些不同的问题情景，吸引学生，增强兴趣。探究环节是整个教学设计的重点环节。学生通过教师提供的知识概念和自己原有的理论基础，能更好地为之后的理论形成奠定基础。在此环节中，教师需要帮助学生对潮流计算和短路计算的探究方法有更深层次的理解。在解释环节，教师鼓励和引导学生将潮流计算的仿真结果进行阐述。同时，学生的语言表达也更加规范。学生可以在课堂上阐述自己的观点，营造辩论的氛围。

三、实践效果与注意事项

（一）实践效果

与往年的教学效果相比，本年度教学成果主要体现在学生学习“电力系统分析”课程的主动性提高、对知识点的理解更加深入等方面。期末考试中很多考题是需要对课本知识进行凝练才能求解的，很多学生能够求解正确并给出完整的推导过程。因此，可以看出将5E教学模式应用在“电力系统分析”课程教学中，能大大提高学生的学习主动性和积极性。教师达到了教学目标，取得了预期的教学效果。与之前的教学模式相比，5E教学模式更能激发学生的学习兴趣。同时，在教师的正确引导下，学生的知识结构更加清晰，一步一步地达到教学目标。

（二）注意事项

“电力系统分析”是电气工程及其自动化专业的基础课之一，在整个专业课程体系中，具有承上启下的作用。由于课程的内容较多，存在课时不足的情况，限制了新型教学模式的开展。为了能够传授更多知识，教师需要在课程教学过程中采用传统讲授方式与新型教学模式相结合的方式，并不断更新教学方法，提升学生对课程的兴趣，将课程内容变得简单易懂。教师可以安排学生学习与电力系统相关的实验课程，提供一些实践机会。学生只有亲身探究和不断思考，才能更加扎实地学好专业课程。

与此同时，教师要预留出学生适应与接受这种教学模式的时间，让学生循序渐进地适应新的教学模式，切勿操之过急。在5E教学模式的设计和应用中，教师应当合理选择教学内容，更多地选择概念明确、推导方式多样化、结论具有概括性的知识点进行设计。在课程设计中，教师需注意不要停留在课程知识表面，要将知识点进行深入地衔接、延伸与拓展，将实际工程应用案例引入相关的理论知识点中，帮助学生构建较为全面的知识体系。

结语

随着教育的发展，涌现出越来越多新的教学模式，但5E教学模式无疑是教学效果最明显的。本文通过查阅其他领域的5E教学模式应用，找到其中可以借鉴的思路，将其与潮流计算和短路计算相结合，展开并实施了在5E教学模式下的“电力系统分析”课程教学。

在学生专业素养培养方面，5E教学模式具有积极作用。经过对5E教学模式的验证，可知学生对此教学模式的接受度较高。虽然在实践过程中，有很多需要注意的细节，但在构建知识体系方面，对学生的帮助是毋庸置疑的。5E教学模式可以较好地解决教师和学生在教学中遇到的问题，具有较强的实践意义。最重要的是这种教学模式可以大大增强学生对专业知识的兴趣，提高学习效率。因此，5E教学模式在“电力系统分析”课程教学中的应用，可以很大程度上解决教学中存在的问题，收到良好的教学效果。