工程認證背景下的課程實踐教學創新體系

李繼清 吳月秋 紀昌明

[摘 要]以訓練學生的綜合性創新能力和實踐能力為教學目標，面向工程認證要求的水庫優化調度課程實踐教學，是培養水文水資源工程專業創新人才的全新模式。本文從課程特色著手，結合工程教育專業認證要求，具體闡述了水庫優化調度課程的上機安排、實驗教學、課程設計三個實踐環節。水庫優化調度課程既有豐富的專業理論知識實踐，也囊括了寶貴的水電站優化運行技術，將教學過程與工程實踐緊密結合，并提出了實踐教學過程中的創新改革及后續改進措施，以調度學生的實踐興趣，提高課程教學質量和水文水資源工程專業的培養水平。

[關鍵詞] 實踐教學；創新體系；水庫優化調度；改革探索

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）06-0040-04

工程教育專業認證是實現工程教育國際互認的重要途徑，教育部自 2006 年起在全國實施工程教育專業認證，并在試點過程中不斷修改和完善相關標準，增強工程教育人才培養的適應性[1][2]。面向工程教育專業認證人才培養的最終落腳點是在設計課程體系時所確定的課程理論和實踐培養體系，主要通過專業課程的教學來實現這一目標，因此，專業課程教學要求學生在掌握課程理論基礎上，著重提高動手能力和工程實際應用能力，注重實踐能力和創新意識以及科研工作和應急處置能力的培養[3][4]。

水庫優化[3][4]調度課程是水文學與水資源工程專業的核心主干課程之一，是一門包含水庫實時、短期、中長期發電調度，防洪調度及綜合利用調度等課程理論知識單元，同時又包含實驗、上機、課程設計等實踐教學環節的綜合性課程，也是反映華北電力大學水電“電力特色”的專業主干課程。課程理論性和實踐性都很強，要實現從課本的基本理論方法到實際問題的實踐應用，需要加強實踐教學，從而增強學生的社會適應能力，有利于學生實際操作能力的培養，使他們在激烈的人才競爭中掌握主動權。本文從課程特色著手，結合工程教育專業認證要求，具體闡述了水庫優化調度課程的上機安排、實驗教學和課程設計三個實踐環節，將教學過程與工程實踐緊密結合，并提出了實踐教學過程中的創新改革及后續改進措施，以提高課程教學質量和水文水資源工程專業的培養水平。

一、課程特色

水庫優化調度課程作為水資源可持續利用的科學基礎，將有力促進水資源，特別是流域水資源調度管理問題的解決。課程以水電系統優化運行為理論基礎，利用現代計算機技術和各種優化技術，尋求滿足調度原則的滿意的調度規劃方式、調度計劃、調度方案，呈現出很強的應用性[5][6]。為此，應高度重視課程的實踐教學，要求教師面向生產與科研實際，培養學生分析問題和解決實際問題的能力。

另一方面，專業學習是按一門門課程分塊學習的，但專業本身不是條塊的，而是一個有機體。水電站水庫優化調度課程是水文水資源工程專業的核心專業課，內容章節和其他專業課程之間有千絲萬縷的聯系，將綜合運用專業培養前期的高級語言程序設計（C）、VC++程序設計等計算機語言課程，水力學、水文學原理、水利經濟、水文水利計算等專業基礎課和水資源開發利用、水文預報等專業課的內容，教學中應讓學生清楚該課程所講的知識在專業體系中的位置和作用，以及和先修課程并行開設的其他專業課間的相互聯系，幫助學生把分散于各個學期學習的專業課程建立起聯系，形成知識體系，從而深入理解本課程實踐教學的重要性。

二、實踐教學體系

實踐環節（實驗課、實習、上機、課程設計等）是學生將理論應用于實踐的機會，是應用專業理論來解決工程實際問題的具體體現形式，對培養和提高學生的專業實踐能力具有舉足輕重的作用，是理論教學無法替代的[7]。對現行的實驗、課程設計等實踐環節，學校教師足夠重視，但沒有引起部分學生的足夠重視，部分學生甚至相當不重視，導致學生的參與度不夠，實踐效果不佳。需要合理安排實踐環節，把學生的興趣和注意力吸引過來，激發他們的積極性和熱情，真正起到對學生實踐能力培養的作用。結合工程認證背景，本課程以能力為中心構建課程實踐教學體系，拓寬基礎，注重實踐，加強能力培養，提高綜合素質。具體來說，水庫優化調度課程的實踐教學，配合課堂理論教學講授進度，適時安排課程上機，鞏固所學的理論知識；通過水庫調度高級應用軟件相關的實驗操作，使學生加深理解和掌握水庫運行調度的主要原理、方法，增加學生的感性認識、動手能力和創新意識。再通過課程設計，進一步鞏固和加深水庫中長期調度的理論知識，使學生了解水庫中長期優化調度的步驟和方法，培養和提高學生獨立分析問題和運用所學理論知識解決實際問題的能力。課程的實踐教學環節部分學時占該課程總學時的三分之一，比其他課程的實踐教學明顯偏多，實踐體系框架詳見圖1。

（一）課程上機安排

計算機編程能力是學習水庫優化調度課程的重要條件，結合課程特色和內容要求，共安排了兩個不同目標的上機任務，主要讓學生進行上機編程作業訓練，內容分別為某水電站水庫的實時（短期）廠內優化調度和常規調度圖調度。第1次上機任務，主要結合課程理論教學的實例，讓學生編制3臺機組組成的簡單水電站的廠內實時優化調度程序，得到電廠最優運行策略，主要讓學生熟悉編程的思路和用計算機語言實現專業知識的方法；第2次上機任務，根據已知水庫的水位庫容曲線、耗水率、預想出力等基本資料和水電站常規調度圖，推求某一年水電站中長期運行計劃，需要學生根據數據離散化后的中長期常規調度圖，具體編制常規調度程序，得到水庫水電站某一年運行計劃過程，輸出各時段的電站出力、發電流量、發電量、庫容及對應水位，并計算全年的總發電量，這部分也是課程設計的前期基礎。計算過程中整個調度期（一年）的計算時段長不統一，汛期每旬為一個時段，其他每月為一個時段，且注意每月天數的變化。全班同學分為4個大組，每個大組計算的水庫起調水位不同，每個大組內各位同學計算的入庫流量又不相同：原始各時段的流量×k（k=0.8-1.4，間隔0.1）。

（二）課程實驗環節

水庫運行調度實驗的總體目標是培養學生在掌握水庫運行調度的基本理論和知識的基礎上，應用水庫調度的常規方法和常用優化方法，能夠獨立設計簡單的水電站水庫運行調度自動化系統軟件。實驗的難點是水庫運行調度自動化系統軟件的設計不僅需要扎實的專業基礎，還需要一定的計算機能力。

1.實驗指導書編寫與多媒體課件開發

充分利用現代化的媒體技術，采用多種表現手段和方法，編寫了《水庫調度實驗指導書》，并開發了實驗操作過程多媒體輔助課件，已使用6年。針對專業課程的特點和具體要求，在實驗教材編寫過程中，側重對實驗目的、實驗原理、儀器結構、實驗步驟、資料整理及思考題等部分進行詳細介紹，配有清晰的彩色實驗儀器結構示意照片，力求詳細、直觀地將各個實驗的整個內容體系和操作過程完整地呈現給學生。在實驗操作過程中多媒體輔助課件將實驗操作過程直觀、詳細展現出來，便于學生自學。學生可根據自己的實際時間和需要，采用靈活的方式（包括網絡）完成實驗理論學習，了解實驗的整體過程。

2.課程實驗內容及要求

通過分組實驗，學習訓練和系統設計以及小組同學之間的相互交流、溝通、方案設計、最優方案選擇，讓學生們加深了解水庫調度的原理過程，培養大學生團隊合作能力、獨立思考能力、動手能力以及解決問題的主動性[8]。設置了水情數據自動測報系統演示實驗、水電站水庫單庫運行調度、水電站水庫群運行調度、水電站水庫運行調度自動化系統和水電站水庫運行調度自動化系統軟件總體設計，共計五個實驗。

實驗一是后續實驗的基礎，利用實驗室的水情數據自動測報系統，演示水情自動測報系統的基本知識（包括系統組成、功能等）和水情自動測報系統軟件的使用方法（包括登錄管理、數據下載、檢測狀況管理、基礎信息維護、用戶管理、原始數據管理、日志管理、數據導入、退出系統），全面、及時地反映流域的基本狀況，為防汛和水資源管理提供調度依據，讓學生詳細和深入地了解水情數據自動測報系統的功能和使用方法。實驗儀器包括：計算機、遙測終端（由監測中心設備——RTU設備、中心站和遠程雨量、流量、水位等水文、氣象要素采集、傳輸和顯示設備等組成）[9]。

實驗二利用實驗室的計算機及單庫調度演示軟件，具體了解和掌握單一水電站水庫運行調度的基本內容、模型和求解方法，主要是常規調度圖和調度函數方法和優化調度的動態規劃、遺傳算法。通過實例，分別演示了上述方法應用于單庫日負荷曲線運行和集中調峰運行時的優化效果。

實驗三則側重于水電站水庫群運行調度的基本內容、模型和求解方法，主要演示同一河流的梯級水庫群互相協調、共同調節徑流，滿足流域整體各部門的多種用水、用電需求。通過梯級電站蓄能調度圖常規方法、動態規劃及改進其算法和遺傳算法，實現梯級水電站群的聯合短期運行，實現電站間水量的相互補償，提高梯級水電站群綜合效益。

實驗四為綜合型實驗，利用計算機及水電站水庫調度自動化系統軟件，讓學生具體了解和掌握水電站水庫運行調度自動化系統軟件開發的基本內容、系統功能和系統使用方法。通過教學軟件，可實現水庫調度圖查詢、水電站水庫中長期調度和短期調度。水電站水庫運行調度自動化系統是電網調度自動化系統的一個重要組成部分，它是集電力、水文、計算機、網絡、通信等多專業的綜合性應用系統，主要進行與水庫運行有關的監測、預報、調度和管理。該系統基于對歷史資料的收集與整理，依靠先進的采集和傳輸技術，及時準確地獲取水電站流域和其他相關系統的水文、氣象和水庫運行信息，利用數據庫管理技術，進行在線水文預報和水務綜合管理等，依據相關數學模型和大型數據庫進行計算和處理，迅速提供包括防洪和發電在內的綜合調度決策方案，其中的某一運行界面見圖2。

實驗五為利用水電站水庫運行調度自動化系統軟件總體設計教學多媒體軟件，展示水庫調度自動化系統的開發流程，從可行性討論、需求分析、系統設計、程序開發、編碼和單元測試、系統測試及系統維護等方面對水電站水庫運行調度自動化系統的開發。

（三）課程設計

課程設計是對水庫優化調度課程的總體檢驗，是將書本上學習到的理論知識應用于實際工程的綜合訓練。選擇調度內容相對比較全面的水電站水庫中長期優化調度為課程設計內容，利用離散微分動態規劃的方法，進行確定性來水條件下的單一水電站水庫的長期最優調度。具體的設計任務為：（1）編制確定性來水情況下用離散微分動態規劃（Discrete Differential Dynamic Programming，DDDP）制訂水電站水庫長期優化運行方式的通用程序；（2）應用實際資料進行計算，驗證程序的正確性和計算結果的合理性。在課程設計中需要先利用第2次上機完成的常規調度策略，作為優化的初始軌跡，再采用DDDP法進行優化計算，輸出優化后的最終的一年運行計劃，包括各時段的電站出力、發電流量、發電量、庫容及對應水位，計算全年的總發電量，繪制水庫調度的最優軌跡圖，并與第2次上機的常規調度發電量、水庫實際運行的發電量進行對比，分析優化的合理性和有效性。要求學生必須編程計算，與上機任務的布置方法類似，保證每人的初始條件不同，每人所做的結果不同。

三、實踐教學創新改革及措施

（一）分組方法多樣

為促進學生積極主動參與到水庫優化調度課程的上機、實驗和課程設計中，在不同實踐環節中采用不同的分組方法。（1）根據編程語言分組。由于本科階段學生選課不同，掌握的編程語言和水平不一，因此學生可以選擇自己最為熟悉的編程語言完成任務，不要求采用統一的編程工具。（2）根據完成任務不同分組。完成上機任務中的中長期常規調度圖和課程設計的優化調度任務時，根據起調水位不同，把全班分為4～5個大組，大組內各位學生則又根據各時段入庫流量不同進行區分，避免學生相互抄襲。

（二）實驗方法改革

常規實驗和創新性實驗相結合。在常規實驗的基礎上，讓學生組建創新小組，利用現有的實驗設備和軟件系統，自行設計實驗，一般6～8人一組，并配備實驗指導教師，以此提高學生的科研意識和動手能力。進行單庫和梯級調度實驗時，讓學生結合實驗課件和軟件系統，到圖書館網上檢索系統查閱國內外水庫調度的新方法，尤其是現代智能優化算法；調度自動化軟件部分，讓學生嘗試編制新的目標函數調度程序，以對比不同目標下的調度結果的差別，這樣既擴大學生的知識面又豐富了實驗教學內容，有助于明顯提高實驗教學質量，進一步提高學生的學習興趣，為培養創新應用型人才提供了有力的保障。

（三）考核機制改革

實踐環節的考核手段很重要。實驗考核機制應充分考慮能否真實體現出學生的真實水平，做到公平、有效、正確的評價學生實踐能力。針對實踐教學中普遍存在著學生實驗、上機以及課程設計等環節質量考核評價指標含糊，成績評定隨意、主觀等問題，采取分組考核、組內檢查、過程監督相結合的全方位綜合考核方法。分組考核：對學生進行分組，每個班分成4組，每組設組長，每組分別完成不同起調水位的水庫調度任務。組內檢查：主要考核學生的出勤情況和對成果的貢獻，由各組長對組內每位學生給出相應分數。過程監督：主要采取教師定時或不定時巡查的方法，同時，完成解答疑問的教學任務，并適時根據實踐環節的開展情況采取必要的響應措施。最后，依據學生在整個實踐教學環節中的表現和各實踐環節計算結果合理性、有效性和提交的實踐報告的質量給出各環節的成績，最終成績分為優、良、中、及格和不及格五個等級，并與理論教學的平時成績及結課考試成績共同構成課程成績。

（四）后續改革措施

1.提高實驗課時和實驗項目數量，開設綜合性和創造性實驗。利用實驗指導書及實驗軟件，鼓勵學生探索新方法，并在實驗室老師的指導下獨立進行實驗，從而提高實驗室的利用效率和實驗教學效果[9]，解決了原來由于實驗課人多擁擠、多人共用儀器而帶來的實驗效果不理想的問題，并使實驗室大量空閑時間得到合理的利用。

2.加大實驗經費的投入，建立高水平的實驗平臺。多方籌措資金加大實驗教學投入，自行設計制作與購置相結合，更新實驗教學設備，繼續設計開發相應開放性創新性實驗，為培養學生的創新意識和創新能力提供平臺。

3.與教師科研相結合，利用主講老師積累的實際科研項目資料，借助于計算機，把教材中的重要原理、重要算法以及重要步驟，通過實際操作對學生進行演示并加以解釋，以培養和提高學生解決實際問題的能力。將教學與科研緊密結合，一方面有利于高質量人才的培養，另一方面對教師的科研課題的完成將起到推動作用。

四、結語

實踐教學是加深和鞏固理論知識的有效方法，也是培養學生動手能力、創新能力的重要環節。培養和提高學生的專業實踐能力是一個長期系統的工程，需要不斷地探索、思考、創新與發展，需要不斷地探索出更多的實踐資源與實踐途徑，進行全方位的立體改革。同時，按照實踐教學與理論教學并重方針，在培養學生實踐操作能力的同時促進對理論知識的理解和深化。只有這樣，才能更好地適應現代高等教育教學模式，與現今工程認證的大背景相融合，培養更多的社會需要的水文水資源工程專業應用型人才。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 姜海麗，孫秋華，趙言誠.工程教育專業認證背景下工程實例教學模式的探析[J].黑龍江高教研究，2017（2）：162-164.

[2] 宋賢良，葉盛英，黃葦，等.基于現代工程教育理念的食品機械與設備課程教學改革與實踐[J].高教探索，2016（5）：50-51.

[3] 史東梅.本科《水文與水資源學》實踐教學體系的構建[J].西南農業大學學報（社會科學版），2008（1）：192-195.

[4] 劉宏權，劉玉春，韓會玲.論工科專業課教學對學生實踐能力的培養——以“水資源規劃與利用”課程教學實踐為例[J].河北農業大學學報（農林教育版），2013（2）：82-84.

[5] 趙玉紅，肖長來，卞建民，等.水文學及水資源專業實驗教學的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（1）：92-95.

[6] 武新宇，程春田，李剛.水電經濟運行課程任務導向型教學模式探討[J].高教論壇，2011（4）：60-62.

[7] 謝平，林洪彬.工科專業課教學中創新精神與實踐能力的培養[J].教學研究，2007（2）：162-164.

[8] 李繼清，吳月秋.水文實驗室建設實踐與教學應用改革探索[J].教育教學論壇，2015（4）：216-217.

[9] 李繼清，楊卓.水情自動測報實驗室建設實踐與應用探析[J].教育教學論壇，2015（2）：233-234.

[責任編輯：鐘 嵐]