机械工程领域专业学位案例库建设

2024-07-05花广如张新春刘罡恺李娜王璋奇

大学教育 2024年10期

花广如张新春刘罡恺李娜王璋奇

［摘要］随着学科综合与多元化趋势的日益显著，“双一流”建设背景下，研究生教学应朝着课程多样化、信息化的方向发展。教学团队针对华北电力大学机械工程领域专业学位案例库建设缺乏统一性、教学素材质量参差不齐、教学案例与技术脱节等问题，结合“双一流”建设“大能源电力学科”的优势，组织和编写了以工程问题为导向的输电线路工程案例教学资源库，并开展输电线路工程教学改革。通过构建以工程问题为导向的输电线路工程案例教学体系，形成“知识→案例→实践→知识”的良性循环，促进学生自主学习，并培养其开放性思维，达到培养学生分析问题和解决工程问题能力的教学目标。

［关键词］机械工程；输电线路工程；教学改革；工程案例库建设

［中图分类号］G643［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）10-0023-05

2020年印发的《专业学位研究生教育发展方案（2020—2025）》[1]指出：“目前，我国在很多领域都有尚待突破的关键技术，成为制约我国创新发展的瓶颈，这些技术相当程度集中在科技应用和转化方面，需要大量创新型、复合型、应用型人才。”为了加速我国各行业的进步，各高校应优化全日制专业学位硕士研究生的培养方案，着力培养具有高专业水平、强业务能力的人才，着重提高人才的问题分析能力和问题解决能力，以推动各专业领域的发展。机械工程（输电线路工程）专业是一个多学科交叉的工程应用专业，涉及电气工程、机械工程、土木工程、计算机科学与技术、测量学、气象信息等基础理论知识，具有较强的工程属性。因此，华北电力大学（以下简称我校）在机械工程领域专业学位硕士研究生的培养过程中，引入开放式、互动式的教学模式，使学生直接与工程问题接触，理论教学与实际工程紧密结合，推动教学案例库的建设，实现课程案例化、实践化的目标[2]。

专业学位案例库建设是实现复合型教学的基本保障。工科课程理论知识深度大、涵盖面广、与工程实际结合难度大，在日常教学中，以授课教师为核心的教学模式容易使知识点浮于课程表面[3]，导致与实际脱轨。因此，推进教学案例库的建设是改善当前教学现状的必由之路[4]。

当前，为了打破传统的“填鸭式”教育模式，提高课堂教学质量，许多国内外高校纷纷选择建设教学案例库[4-5]。然而，各大院校的案例库建设仍处于探索阶段。尽管案例库资源丰富，但普遍缺乏整体系统的规划，导致部分案例内容单薄、碎片化严重、深度不足。部分案例在实际课堂教学中应用时，甚至会出现加剧学生碎片化记忆、破坏教学系统性的反作用[6]。

结合“双一流”建设“大能源电力学科”的优势，教学团队依托当前承担的横向项目，组织和编写以工程问题为导向的输电线路工程案例教学资源库，实现工程案例库的工程化、专业化和特色化，促进学生自主学习，并培养他们的开放性思维，为培养学生分析问题、解决工程实际问题能力打下坚实基础，提高“双一流”建设专业学位研究生的培养质量和水平。

一、输电线路工程案例教学资源库建设存在的问题

随着我国“双碳”目标的不断推进，全行业对电力供应的需求日益增长，在未来大力建设特高压输电线路是支撑发展清洁能源的大趋势[7]。特高压输电线路建设工艺并非一成不变，随着未来极端环境和复杂地质条件下输电线路建设工程的逐渐增多，新结构、新材料以及更高电压输电技术将不断涌现[8]，这对机械工程——输电线路工程领域的人才提出了更高的要求。因此，输电线路工程专业课程的教学质量及其考核标准应与市场需求相匹配。作为输电线路工程专业课程教学的核心，输电线路工程案例教学资源库的建设质量与课堂教学质量密切相关。通过输电线路工程专业课程的线下教学，教学团队对近三年学习该课程的学生进行问卷调查（结果见图1）。调查结果显示，学生认为工程案例库建设存在缺乏统一性、教学素材质量参差不齐、教学案例与技术脱节等问题。

（一）工程案例库建设缺乏统一性和规划性

现有的输电线路工程专业课程缺乏专门的教材，主要依赖教学团队基于其研究方向的成果制作的课件进行授课。在探讨工程类问题时，这些课件往往受限于任课教师的专业领域，容易忽略工程实际和现场技术等因素。在教学课件中，工程案例素材主要来源于其他专业课程教材以及以往的研究课题。然而，由于工程案例库建设的统一性和规划性不足，素材呈现出碎片化状态，这不利于学生全面理解和融合相应知识点。

（二）教学素材质量参差不齐

在实践教学方面，教学素材相当匮乏，任课教师主要从网站上寻找类似的视频进行课堂分享。然而，一些网络视频清晰度不佳，且其解说内容与课程内容存在出入，不利于课堂的系统化教学。此外，工程案例教学中的细节不胜枚举，仅仅依赖任课教师的解说显然是不够的。因此，需要引入专业技术人员来详细讲解施工技术的知识点，以帮助学生将理论知识与工程实际紧密结合。

（三）教学案例与技术脱节

经过对历年授课课件的分析与比对，发现历年课件中的案例变化程度较小，存在教学案例与主流技术水平脱节的问题[9]。作为一门专业性强的工程应用专业，其课程建设应与产业挂钩[10]，其主要目标应为服务现有产业并引领未来产业的转型发展。在教学过程中，任课教师应注重学生实践能力的培养，构建出科研、教学、就业一站式教学模式，将机械工程、电气工程、土木工程等学科知识进行深度融合，以适应新时代电力行业的进一步发展需求[11]，从而提高“双一流”建设背景下机械工程领域专业学位研究生的培养质量和水平。

二、输电线路工程案例教学资源库建设

教学团队结合“双一流”建设“大能源电力学科”的优势，依托当前承担的横向项目，组织和编写以工程问题为导向的输电线路工程案例教学资源库，并与多家电力公司合作，针对现场进行案例教学，从而形成“知识→案例→实践→知识”的良性循环（见图2）。此外，采用开放式、互动式的教学方式，灵活安排课堂活动，以优化教学质量。这种教学方式让学生有机会面对和解决工程问题，不仅激发了学生的学习兴趣和思维活力，还显著提高了他们分析问题和解决工程问题的能力。

（一）激发学生学习输电线路工程专业课程兴趣

输电线路工程专业课程中包含大量烦琐且抽象的工程知识。为了使学生深刻记忆并融会贯通这些知识，教师可以采用具象化的教学方法[12]，如通过建模或案例视频的方式将知识点具体标注。输电线路工程的案例在现实生活中十分常见，将知识融入实际的工程案例中，不仅可以增强学生对知识点的吸收和理解，还可以活跃课堂气氛，促进师生间的交流。例如，在铁塔基础部分的教学中，当讲解到独立基础的施工流程（抄平→垫层施工→钢筋工程→支模→混凝土工程→拆模）时，学生有时难以构建出相应的概念。为了帮助学生更好地理解这些专有名词，任课教师采用具象化的教学方式（见图3），详细展示每个知识点所对应的模型，并制作教学视频，以激发学生的学习兴趣。

（二）引入有限元分析软件，增强案例可视化

经过前面的理论知识讲解，对案例进行综合性分析是必要的。每个案例不能仅停留在表面，而应尽可能地提供具体数据，借助结构分析软件如ANSYS、ABAQUS等[13]，以更精确地分析案例。在课堂上，利用预先准备的模型，模拟事故发生时杆塔的受力情况，从数据中映射出实际原因，并通过这种方式串联各章节内容，从而增强学生知识网的紧密性。以输电线路结构设计与施工技术章节为例，为了深入研究输电杆塔结构设计的安全性，引入了淮南—上海1000kV输变电工程实例（见图4）[14]。在校核输电杆塔时，既要考虑其强度破坏条件，也要充分考虑其稳定性问题。通过这一案例的分析，可以直观、系统、科学地展示输电线路结构设计的要点，增强教学的可视化效果。

（三）校企合作，引入实际案例培养学生分析问题能力

根据课程安排，工程案例库内容分为输电线路结构设计与施工技术、输电线路监测与巡检技术、电力金具设计与生产管理三个板块，针对每个板块进行案例的收集与梳理，以完成案例库的建设。本案例库的资料主要来源于教学团队所承担的横向项目，以及多家电力公司在实际运行维护过程中的经典案例，与行业先进技术水平相吻合。

根据电力企业要求，目前架空输电线路张力架线施工故障率必须控制在10%以内，但现有故障率已达到15%，未能满足企业标准。为将故障率降至企业要求，教学团队选择降低架空输电线路张力架线施工故障率为研究课题，并制定解决问题的可行方案。经过调查，教学团队记录了施工现场存在的质量问题，并对这些问题进行了分类和研究，最终得出结论：牵引绳上扬和转角塔内角挂线滑车横向偏离是导致张力架线施工故障的主要症结。

在教学过程中，引导学生对问题进行原因分析是提高他们互动积极性的有效方法。例如，引导学生运用头脑风暴法对牵引绳上扬和转角塔内角挂线滑车横向偏离这两个症结进行原因分析，向指定教学案例的分析思路靠近，以深入理解问题的根源（见图5）。

针对大转角塔横担下主材与滑车之间未使用支撑物的问题，需要在这些位置增设支撑物，以确保大转角塔横担下主材与滑车之间的支撑物的使用率达到100%。为此，需要逐基检查工程中转角塔，特别是在放线时，对转角过大的滑车采取必要的固定措施。具体而言，应在塔横担下主材与滑车之间使用支撑物来固定滑车，确保施工安全和效率。

在应对设备缺少保养的问题时，应合理选择设备，确保设备保养及相关记录实现100%覆盖。为达到这一目标，可以采取以下措施：进入施工现场的施工机械必须经过验收，确保其性能状态完好，并且资料齐全、准确；强化现场施工机械设备的平衡和调动，合理组织机械设备的使用、保养和维修工作，以提高机械设备的使用效率和完好率；执行重要施工机械设备专机专人负责制、机长负责制和操作人员持证上岗制；严格执行施工机械设备操作规程与保养规程，坚决制止违章指挥、违章作业，防止设备带病运转或超负荷运转；严格实行由专业人员进行的定期保养和监测修理制度，确保设备处于良好状态。

（四）构建课程设计案例，培养学生实践能力

输电线路工程是理论与实践相结合的一门专业，其中输电线路结构设计与施工技术、输电线路监测与巡检技术这两个模块的操作细节较多。在理论课程结束后，学生需完成相应的课程设计任务，这些设计案例主要来源于校企合作项目及课题组以往的研究成果。课程设计内容涵盖软件建模成果、有限元分析以及项目书撰写，这样的设计旨在帮助学生巩固理论知识，同时避免培养出“脚不落地”的“笔杆子”人才。

三、结语

建设以工程问题为导向的案例库，有效解决了以往案例库建设中存在的统一性不足、教学案例质量参差不齐以及教学案例与技术脱节等问题。本文基于“知识→案例→实践→知识”的循环理念，通过案例穿插理论教学、引入有限元分析软件、校企合作、构建课程设计案例，将电气工程、机械工程、土木工程、测量学、气象信息等多个学科的理论知识融入其中，激发学生的学习兴趣，培养学生解决工程问题的能力，并提高学生的实践能力。通过实施这一系列举措，不仅实现了理论与实践的深度融合，也达到了行业所需人才技术培养的目标，从而提高了“双一流”建设背景下机械工程领域专业学位研究生的培养质量和水平。

［参考文献］

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[13］周晓敏，孙政.将ANSYS引入材料力学课堂的教学实践[J].力学与实践，2019，41（2）：222-226.