“新工科”背景下面向现代化新型电力系统实验教学改革研究

周雪松　许东辉　马幼捷　赵浛宇

摘要：电力行业中电力的生产过程、调度和管理正在向着创新型和现代化的方向发展，传统课程教学日渐不能满足行业发展对人才需要。为适应新工科建设的国家战略方针，响应“新工科”建设呼唤高等工程教育实验平台的改革创新的号召，提高培养学生的专业综合能力，教学改革研究秉持“一流定位、新工科发展和工程认证OBE机制”教育理念，建立科研反哺教学机制，将思政教育融于实践教学，形成“科研—教学—实践”一体化，相互渗透，相互促进，围绕面向现代化新型电力物理仿真教学进行创新发展，建设多项现代化、创新型实验室，完善闭环反馈教学体系，使学生们符合现代电气人才要求的同时，拥有较高的职业素养和分析问题、解决问题的创新实践能力。

关键词：电力物理仿真实验；新工科；教学改革；OBE理念；教学反馈；科研反哺教学

中图分类号：G642.0

相对传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。新工科建设为全国各高校提供了进一步发展的机会，根据自身专业优势，结合新工科专业建设要求，实现学科整体水平的提升［1］。

新工科的内涵表现在以下方面：以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。在电气工程领域中，新工科的主要体现在我国电力系统的现代化上，究其本质就是培养电力工程的实践性、创新型人才［2］。

与此同时，高素质、创新人才需要具有扎实的专业基础和宽广的跨界知识；审辩式思维和创造性思维；独立、开放、求异的思想；深入理解“过程化”的创新原则；对社会和职业的认知；海纳百川的胸怀和宽广的国际视野。而目前传统的高校教育主要存在以下问题：

（1）新工科教学理念落后，缺乏实质性的教学内涵，还停留在对教学环节进行质量监控的初级阶段，依然是注重理论分析、推导，缺少创新以及理论与实践相结合的教学理念，实验课程设置的随意性大，且没有贯穿整个人才培养过程的课程体系［3］。

（2）创新教育缺乏实践平台及教学资源和教学环境，以往的电力系统分析、电机学、继电保护等电气工程专业高电压、大电流物理课程并未安排实验环节，学生只在课堂上学习理论知识，未经过亲自动手操作、调试、验证，不能加深对理论知识的理解和记忆，与国际先进的创新教育水平有相当的差距，教育质量不高。

（3）创新教育与专业实践教学脱节，教学成效有限，教学和训练的系统性、连贯性较差，且学生所学专业知识与学生参加的竞赛和科训项目关联度低。

（4）人才教育与产业脱节，缺乏对社会和行业的认知，教学场景与真实世界相差甚远，学生缺乏对社会和行业的了解，适应性差，难以真正具备双创能力。

一个具有完善功能的教学管理体系应该具备“闭环”特征，即通过监督反馈功能发现教学偏差，分析产生偏差的原因，并通过调控功能进行改进完善。实验教学是高等教育的重要组成部分，是检验理论、增强实践不可或缺的重要一环，对于学生的综合素质和创新能力的培养，起着理论和其他教学环节不可替代的作用［4-5］。

一、改革研究内容

教学实验团队秉持“一流定位、新工科发展和工程认证OBE机制”的教育理念，明确创新实验在学生培养过程中的重要地位，潜心探索实验教育的发展规律，建立科研反哺教学机制，开展一系列“创新实验”建设，主动在教学实践中融入新工科内容，努力使实践教学环节更好地适应“新工科”建设要求，培养学生具备立意高远的独立思考和学术创新能力。创新实验的建设既满足了工程教育对于工程实践的要求，又强化学生工程实践能力，拓展学生视野，培养学生实验动手能力、创新意识、工程观念与交叉学科学习能力，提升学生的综合素质。

本文从实验装置升级建设、实验教学培养计划、创新实验课程建设等角度入手，探究我校电气工程专业物理实验教学改革策略，为提升电气工程专业实验教学质量和培养更多满足社会需求的工程技术人才提供参考。

（一）实验室建设

随着我国持续推进能源供给侧结构性改革，现代电力系统的不断发展，分布式新能源呈爆发式增长，电力系统运行模拟和对电网分析的难度显著提升。同时，电气工程专业高电压、大电流物理实验场景建设难是高校普遍存在的瓶颈问题。为此，在各教学团队科研成果应用辅助下建设多个现代化创新实验室。如针对分布式新能源系统建设的“智能物理仿真实验室”与“新能源利用与智能电网实验室”，以及面向“高电压、大电流”系统的“智能变电站运行与控制”“继电保护”虚拟仿真实验室等。其中，“新能源利用与智能电网”实验室荣获天津市重点实验室称号。

“新能源利用与智能电网”实验室是一个以风电和光伏发电为特色的集智能“发、变、输、配、用”为一体、集研究与应用为一体的前沿实验室，主要围绕“智能电网”“风电系统”“光伏系统”“电网运行安全与电能质量”等现代新型电力系统关键技术进行部署建设，针对电网的稳定可靠、抗攻击、电力用户、市场、分布式能源、资产、电能质量和信息系统等关键主体和应用进行部署。在此基础，可供学生开展与之相关的相关技术研究，如基于风光储柴的分布式发电技术等，并进行相关的前沿性、创新型实验。

以智能电网实验室为主体，全面整合与其相关的新能源和电力电子技术，开展特色研究，将强电与弱电相结合，兼顾演示性实验与创新性实验，科研与教学多重功能，解决安全性和造价高的棘手问题的同时，提高学生主动学习、自主创新的能力。本实验平台推广应用到相关专业，也取得了较好的效果，进一步促进了理论教学和实验教学的协调发展，助推学生综合能力的提高。

（二）实验教学培养计划建设

围绕专业特色建设电工理论、电能控制、电能变换、电能分配和电能利用五个实验教学团队，每月定期开展一次师生教研交流会。在学生的参与下，建立“科研—教学—实践”相互渗透、相互促进的反馈机制，分析解决教学过程与教学目标间的差异度，并在科研成果中提炼出包含新工科内容（如5G技术、人工智能等）的复杂电气工程系统，作为典型案例进行数学建模和深入分析，提高学生对科研的兴趣与对科技发展的关注，逐步涵養为创新而学习的理念，引导学生从应对变化、塑造未来的新工科高度理解学习重要性和具体抓手，培养学生把握未来专业发展趋势的能力，以适应现代电网发展和新世纪电力系统仿真实验要求为出发点，旨在培养具有综合思维能力和综合处理问题能力的应用型人才。

（1）聚焦成果培养，完善教学计划。以OBE机制为教学理念，在课程教学和组织实施方面，比如，“想让学生从实验学习中取得的成果是什么？”“为什么要让学生取得这样的学习成果？”“应如何设计实验教学体系有效地帮助学生取得这些学习成果？”“如何知道学生已经取得了这些学习成果？”“学生的综合实践能力评价与专业素养？”教学团队始终围绕以上问题展开交谈教学研讨，制定实验教学定位和教学计划。

（2）思政融于课堂，激发学习兴趣。新工科建设的内涵不仅在于人才培养能力提升上，同时着力培育胸怀科技报国理想，勇担民族复兴大任，共创人类美好未来的卓越工程人才。因此，电气实验教学以时事热点为切入点，将思政教学与课程教学融为一体［6］。

例如，在风电实验教学中，指导教师引用我国成功保障2022冬奥会比赛场馆100%绿电供应绿的例子，阐述张北的风电技术在其中发挥的重要作用。此外，在光伏实验教学中，以我国“空间站”采用“光伏+储能”的电力供应模式及相关前沿技术的例子为教学切入点，引发学生的共鸣感与认同感，并告诉大家这些成功的背后离不开科研人员在数百万次实验中务实创新、精益求精的努力与拼搏，以确保在应用实践中万无一失，为国争光。启迪同学们，作为祖国未来的希望，在工作和学习中，不仅要具有严谨求实的工匠精神，也要有大局意识，这样才能成为一名有社会责任感的优秀电气人才。

（3）科学分配学时，闭环反馈教学。在现有的实验平台基础上，设置与其相呼应的电气工程及其自动化专业必修课程，设置课程学分8学分，授课课时72学时。因实验平台的综合性较强，涉及的实验仪器较多，需要学生具备一定的专业知识储备，因此将36学时的基础实验设置在各学科开课学期，课程采用“雨课堂”和传统教学相结合，介绍实验的原理、操作规范及注意事项，辅助理论教学，巩固教学效果，培养激发学生独立思考和动手能力。综合实验36学时，设置在大三下学期相关专业课程学习完成后进行，建立、设计数学、物理模型，结合一些工程案例，更加考查学生对电力系统的整体把握，通过发电、输电、配电等环节，分析系统潮流分布、运行故障问题及新型电力系统前沿性实验等。

根据学生实验反馈，物理实验系统试验数据记录、“问卷星”等完善教学计划，形成闭环反馈机制。任课教师通过课程成绩评价结果对比分析、调查问卷评价结果对比分析以及这两种对比分析结果的吻合度，评估课程目标的达成情况，查找学生学习上存在的薄弱环节和教师教学中存在的问题，形成改进方案，并交给课程组负责人审查并批准实施，由教学督导组监督执行、改进。

（三）实验过程管理

实验教学的授课需要同时运行。因本科生的人数较多，实验设备的数量有限，为实验教学计划制订和实验过程管理造成一定的难度。因此，为确保所有学生在实验中均得到锻炼与提高，充分考虑每个学生的个体差异，在时间和资源上保障每个学生均有达成学习成果的机会［7］，避免“一人操作，剩余旁观”等现象的发生。教师团队通过合理优化实验过程和协调教学资源，设计采用团体小组多轮分工合作制。学生通过轮换模拟操作电力系统各环节的主要设备，分别记录电网状态信息，组内信息实时交互，保证实验全过程数据可追溯性与不可篡改性，方便教师团队根据实验结果反馈得出教学目标的完成度与改善点，较好地实现了教学闭环反馈机制。

二、新型物理实验改革成效

（1）相比于数字仿真实验，教改后的新型物理仿真实验更贴近实际物理系统，学生拥有了更加感性的认知。学生通过实际操作去控制实验设备、仪器，通过视觉、听觉、触觉来感受实验设备运行的所带来的反馈，进一步加深了对所学专业知识的深层次理解和强化。

（2）新型物理实验平台满足多学科、综合性实验的要求，学生们通过从发电端实物开始配置，人为调节发电机的转速与励磁控制电机的输出电压大小和功率值，对电力系统的并网方式、潮流分布等拥有了更深刻的理解和把握。同时对电压、励磁功率、输出功率间的物理关系的认识也变得更加深刻。

（3）相对传统实验教学模式，教改后的实验教学体系更加科学化、现代化、智能化。学生的实验目标不再局限于对课本知识的简单验证，而更加侧重于将实验理论与实践应用相衔接，将抽象的理论落实到装置的实际操作中，与我国现代电力系统的发展前沿相连接，更好地培养了学生们的专业素养以及创新意识和实践能力，为早日成为国家新型工科人才做准备。

结语

“新工科”理念的提出与建设实施是对我国高等院校人才培养的全面创新与战略思考，也是新一轮教学改革的重点方向，通过实验教改计划，结合“OBE理念”“科研反哺教学”等科学先进的教学理论，应用现代化的物理实验平台做辅助教学，更新加强专业实验内容，改进实验方法与手段，创建一套能进行专业课程和综合研究的实验装置，从而建立一个开放式、研究性、综合性、现代化的专业实验现代教学体系，实现“科研—教学—实践”相互渗透、相互促进的良性循环。这不仅有助于提高专业实验的教学质量和水平，更有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力，同时使得电气工程专业育人环境得到有效提高，专业素养显著提升，为社会培养了兼具理论知识、实践能力、创新能力、国际视野的复合型人才，以适应新形势下社会对工程专业人才的需求。

参考文献：

［1］林胜男，邹海燕，张欢.新工科背景下地方高校实验教学平台建设路径［J/OL］.实验技术与管理，2021（12）：235-238.

［2］谭帅，王彩虹，伍勇.“新工科”与“工程教育”背景下过程装备与控制工程专业创新实验建设［J］.当代教育实践与教学研究，2020（11）：167-169.

［3］樊艳芳.“电力系统分析”实验教学的改革与实践［J］.中国电力教育，2014（11）：190-191.

［4］堵俊，吴晓.改革实验教学，培养创新意识——电类基础实验课程的改革与实践［J］.南通工学院学报（社会科学版），2004（01）：77-79.

［5］王红艳．基于应用型人才培养的“电力系统分析”课程教学改革［J］．许昌学院学报，2018，37（06）：90-93.

［6］张晓红，赵兴勇，马列，等.应用型高校电力系统课程实践平台的建设［J］.信息化建设，2015（12）：163-164.

［7］陈晓艳，赵骥.新工科背景下学习过程追踪评价体系研究与实践［J］.中国轻工教育，2020，112（02）：47-50+66.

基金项目：国家自然科学基金项目（微电网动态谐波交互机理与控制方法研究，51877152）

作者简介：周雪松（1962—），男，汉族，江西南昌人，博士，教授，研究方向：電力系统；马幼捷（1962—），女，汉族，天津人，博士，教授，研究方向：电力系统；赵浛宇（1962—），女，汉族，江西南昌人，博士，教授，研究方向：电力系统。

通讯作者：许东辉（1997—），男，汉族，河北衡水人，硕士，研究方向：电力系统。