新工科建設下的專業課程實驗教學模式改革

唐 波, 黃 力, 袁發庭, 王 爽

(三峽大學 電氣與新能源學院, 湖北 宜昌 443002)

為了支撐快速發展的新經濟,培養新型工程創新人才,教育部于2017年正式推出“新工科”計劃,并先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導性文件[1-3]。2018年,教育部公布了首批“新工科”研究與實踐項目[4],三峽大學智能電網信息工程專業建設項目有幸名列其中。

要培養適應當前世界能源清潔替代和電能替代變革趨勢的智能電網信息工程高級工程技術人才[5-6],在開展傳統意義上的智能電網信息工程專業人才培養模式研究外,還必須解決傳統工科專業課程教學理科化、實驗教學與理論教學之間割裂化等問題,而這些問題的解決基礎還是在于專業課程建設。國內高等教育進行了大量課程教學改革,如“十一五”期間的“精品課程”建設、“十二五”期間的“精品開放課程”建設,以及當前的“在線開放課程”建設。同時,在教學方式上有將MOOC (massive open online courses)教學資源以SPOC (small private online course)模式用于校園課程教學[7]、線上線下相結合的“混合式教學”[8]、傳統教學課上課下行為對調的“翻轉課堂”教學[9],以及讓MOOC落入實體課堂的“雨課堂”教學[7]等。這些方法仍局限于拓展教學資源和方法,從而提高專業課程的理論教學效果。而針對傳統專業課程實驗教學,較少見有適應于“新工科”要求的新模式和新方法。

本文基于“新工科”建設的內涵,采用工程教育專業認證所采用的“OBE”理念[10],在完成專業課程教學對人才培養目標支撐度達成的要求下,構建出一種綜合課堂、實驗室和工程現場驗證的探究式實驗教學模式,并以“輸變電工程電磁環境”課程為例進行實踐,從而提高當前專業課程的實驗教學效果,解決實驗教育與行業企業實際需求脫節問題。

1 新工科及其對實驗課程教學的要求

“新工科”要求從學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合、從適應服務轉向支撐引領[11]。這些發展和變化對現代工程技術人才的知識、能力和技能、職業素質和視野都提出了新要求。從當前的專業課程實驗教學來看,根據“新工科”建設要求,可以發現仍然存在實驗教學與理論教學脫離、實驗教學內容脫離于經濟發展需求、實驗教學方法落后于行業技術需求等問題。為此,在進行專業課程的實驗教學改革時,必須以產業和經濟為導向,基于“OBE”理念,做好實驗教學的研究與實踐工作。

首先，在制訂人才培養方案時,基于對教師、學生、校友、用人單位等“利益相關者”的調查,結合專業的國內外發展趨勢以及所在高校自身的學校定位,論證專業人才培養目標,定義專業層面的細化的可測評的“學習產出”。特別是考慮專業課程對畢業要求的支撐度,由此來設計專業課程理論教學與專業課程實驗教學的教學目標與定位,從而完成實驗教學在人才培養模式中的頂層設計。

其次,在設計專業課程教學內容時,根據課程的預期“學習產出”,考慮企業行業的新技術、新發展,與企業兼職教師一起,對理論和實驗授課內容進一步分解和細化,構建與定義理論與實驗教學課程所對應的知識、能力和素質匹配矩陣,并明確每項教學目標所對應的實驗教學內容,解決理論教學與實驗教學脫節問題。

最后,在教學實踐過程中,教學團隊根據設計好的教學內容,選擇合適的教學方法,基于學習科學理論與行業企業共創造豐富的教育環境,調動學生積極地參與到教學過程中,實現“學習產出”。特別在實驗教學中,應面向學生實踐能力、職業素養和行業技能,采用個人與團隊結合的方式,以盡量真實的企業設備開展綜合性、探究性、創新性的實驗。

2 新工科建設下“三三”制專業實驗教學改革

2.1 智能電網信息工程專業的新工科建設

我校智能電網信息工程專業創建于2014年(2016年招生),是依據國家發展戰略新興產業、緊密結合國家智能電網建設急需開設的新興交叉學科專業,進入教育部首批“新工科研究與實踐項目”的“專業改革類”項目。根據新工科“集成與融合”和“智能與創新”的特征,基于智能電網國家戰略新興產業對專業人才素質和能力的需求分析,該專業整合與共享電氣、控制、信息與通信等多個工程學科資源,培養與產業和行業發展相適應的能力創新型、知識復合型工程技術人才。

2.2 “三三制”專業課程實驗教學模式

設定了人才培養目標和課程教學目標,也即定義了課程的學習產出之后,則必須采用恰當的教學方式以完成課程學習產出要求。完全依賴教師講授和教師控制的傳統實驗教學模式,無法讓學生發揮學習的主動性和創造性,更無法實現學習產出。在進行專業課程的實驗教學實踐時,必須在先進的教育理念下,注重對學生進行科學思維與工程能力的訓練,同時在教學過程中關注與個人素質相關的能力協調發展。

在智能電網信息工程專業的“新工科”建設中,針對專業課程的實驗教學,基于精煉理論教學、強化實驗教學和活躍課外教學的思想,設計了一種如圖1所示的“三三”制專業課程實驗教學模式。

圖1 “三三”制的專業課程實驗教學模式

該專業課程實驗教學過程分為教師課堂講解、學生自主選題并完成實驗,以及實驗完成后進行研討匯報3個階段；而實驗教學內容則重點教授學生進行實驗設備操作與實測、實驗方案設計、仿真計算與實驗驗證相結合遞進的3個層次,這3個層次又靠學生自主實驗去鍛煉和實現；最后,這些實驗教學過程和實驗教學內容又全部服務于學生畢業要求的復雜工程問題研究、使用現代工具、工程與社會這3個核心要素的教學目標。

2.3 實驗教學效果的質量保障體系建設

“新工科”建設的內容包含了國家工程教育的質量標準和和質量保障體系建設。文獻[2]給出了工程教育的教學質量保障體系至少包括3個方面:國家教育主管部門的教學質量評估和保障制度；工程教育專業認證；學校教學質量保障體系包括專業教學質量保障制度。“新工科”建設背景下的專業課程實驗教學質量標準和要求制定時,可考慮包括上述內容。

為了建立和實現“新工科”建設下的實驗教學質量要求,必須依據并研究國際工程教育發展的前沿,在此基礎上制定符合各校實情的高標準質量要求。同時,實驗教學的質量保障要落實到日常的所有教學活動和管理中,全面規范實驗教學和培養活動,不斷完善實驗教學實踐過程中的質量監控系統,使實驗教師和教學行政服務人員自覺執行質量保障措施,建立詳細的實驗教學過程數據檔案,并基于數據分析和過程控制手段持續改進實驗教學質量。

在主動適應行業發展新態勢、深抓產教融合的理念下,積極引入“互聯網+”“在線開放課程”“雨課程”等新興智能化教學平臺,重視實驗教學中心的用房保障和實驗內容的網絡化、智能化建設。積極打造實驗教學中心的專屬網站和實驗教學網絡課程,各個實驗室配備網絡傳輸系統,并通過校園網與Wifi系統,實現臺式機和移動個人終端的Internet網連接,進行實驗數據的異地傳輸和實驗教學的網絡化、智能化管理；同時,建立實驗教學和實驗室管理網絡信息平臺,對學生管理、成績管理、考試管理、資源管理、設備管理等項目進行網絡化管理,從硬件平臺上有力確保實驗教學質量監控理效率和資源利用率。

3 “輸變電工程電磁環境”課程的實驗教學

3.1 “輸變電工程電磁環境”教學目標與內容

隨著電網大規模建設以及整個社會的環保意識增強,輸變電工程的電磁環境問題也隨之凸顯,這顯然屬于“新工科”所述的“新態勢”,“輸變電工程電磁環境”課程也由此應運而生。我校對該課程的定位為電氣工程相關專業(包含智能電網信息工程)人才培養方案中具有較為重要意義的專業拓展課。

“輸變電工程電磁環境”教學目標是通過輸變電工程電磁環境有關知識的學習和實踐,讓學生理解國家對電網行業的環境評價和驗收要求,從而使學生達到復雜工程問題研究、使用現代工具、工程與設計,以及環境與可持續發展等畢業要求。課程的教學內容是輸變電工程電場、磁場、無線電干擾和可聽噪聲的基本機理、基本規律、理論研究和計算測量方法,以及抑制或減小其影響的各種措施。

3.2 具體的實驗教學內容及教學方法

如圖1所示,“輸變電工程電磁環境”課程的教學按照集中理論授課、學生自主實驗和學生成果研討匯報3個階段進行。

在集中理論授課階段,主要由教師針對輸變電工程電磁環境影響因子的相關知識及計算測量方法進行講解,使學生理解和掌握輸變電工程電磁環境因子的計算及測試方法、了解電磁環境因子在電力工程中的相關法律規范,并理解電力工程的發展對周邊環境的制約和促進作用。

在學生自主實驗階段,學生根據教師提供的輸變電設備電場、磁場、無線電干擾、可聽噪聲等電磁環境影響因子的橫向衰減特性研究性實驗課題,在教師的指導下,自我組隊、分工,設計實驗方案、布置實驗場地、操作實驗儀器、獲取實驗測試結果,并與理論仿真計算結果進行對應,分析理論計算數據與實驗測試數據,明確誤差產生的原因,并提出實際輸變電工程對周邊環境的影響評價結論。

學生成果提交與答辯,主要是學生按照規定的格式撰寫實驗課題研究報告,并參加結題答辯,從而鍛煉學生撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達或回應指令的能力。

在具體教學過程中,要求教師利用我校“求索學堂”的網絡化數字資源平臺。該平臺包括有利于教師備課和學生學習的教學資源服務中心、有利于輔助課程教學和師生交流互動的網絡教學平臺、有利于教師教研參考和學生自主學習的電子教學參考資源,以及精品課程資源中心共享等相關功能。這些教學資源充分展示了教師先進教學理念和方法，服務學生自主學習,通過網絡傳播提供給教育界同行、用人單位、校友、社會等學習產出的利益代表者參與和共享,也可靈活選擇各種相應的教學方式來實現課程的預期學習產出。

通過上述具體的教學過程,最終實現學生工程理論知識與實踐的結合,讓學生邊學、邊做、邊思考,提高高等工程教育人才供給與產業需求的吻合度。

3.3 輸變電設備無線電干擾的實驗方案

輸變電設備的無線電干擾,是指導線或金具電暈或者電火花產生的脈沖電磁波對線路鄰近的無線電子設施正常工作時所產生的干擾影響,其頻率范圍在30 MHz以下,即長、中、短波波段,此波段測量采用磁場天線或電場天線,磁場天線為帶電屏蔽的環型天線。無線電干擾特別委員會出版的CISPR18系列規定了輸變電工程的無線電干擾測量方法,對應的是GB/T 7349-2002《高壓架空輸電線、變電站無線電干擾測量方法》。測量儀器則應采用符合GB/T 6113.101《無線電騷擾和抗擾度測量設備測量設備》規定的準峰值測量接收機進行測量。

在完成輸變電設備無線電干擾教學實踐時,根據“三三”制模式,教師在理論教學中重點教授輸變電設備無線電干擾產生機理及其求解算法,而干擾的各種規律、測試方法、相關標準,以及行業與環境等教學內容均通過專業實驗教學環節完成。

設計實驗課題時,教師充分利用無線電干擾的變化規律及特性,根據無線電頻譜特性及其空間距離衰減特性設計多種實驗測量和分析課題。

在無線電干擾頻譜特性方面,由于輸變電設備可能產生駐波,對真實的無線電干擾測量產生影響,因此需要在整個無線電干擾頻譜內測量多個頻率的無線電干擾場強,得出干擾場強與頻率的分布曲線。通常在0.15～30 MHz頻段內對多個頻率的無線電干擾進行測量,測量頻率可為0.15、0.25、0.50、1.0、1.5、3.0、6.0、10.0、15.0 MHz和30.0 MHz。

在無線電干擾距離特性方面,測量基準頻率取0.5 MHz或1 MHz,測量交、直流輸電線路的無線電干擾隨空間距離的衰減變化值，以線路外相導線對地投影為起點,向線路外側沿線路垂直方向相隔一定距離布置測量點進行測量，如圖2所示。

圖2 輸電線路無線電干擾橫向衰減特性測點布置

測試點可選擇在距起始點0、5、10、15、20、30、50、75、100 m處,100 m后測量點距離可適當加大,測到無線電干擾場強接近背景值為止。測量變電站圍墻外的無線電干擾距離衰減特性時,以變電站圍墻為起點,在垂直圍墻方向相隔一定距離布置測量點進行測量。測量點一般選擇在距起始點5、10、15、20、30、50、75、100、150、200、300、450 m處。測點的多少及間距應根據現場情況決定,如果測量的無線電干擾電平接近背景值,可結束測量。

測量時,若儀表讀數穩定,測量值為穩定時的儀表讀數值；若儀表讀數波動,使用記錄器記錄或每0.5 min讀一個數,取10 min讀數的平均值為測量值。

實驗課題設置時,利用我校周邊密布大量輸電線路的得天獨厚條件,以不同的天氣、線路電壓等級和觀測場地,設計基于實際線路的實驗課題。要求學生按3～5人自由組隊并選題開展現場實驗、收集相關數據,并進行實際工況下的仿真計算,最終形成含實驗過程、仿真結果、誤差分析、環境評價等內容的課題報告,同時通過結題匯報答辯、報告評閱等形式完成成績評定,實現復雜工程問題研究、使用現代工具、工程與社會等教學目標的達成。

4 結語

專業課程的建設直接決定了人才培養的質量,而專業課程的實驗教學是培養學生解決復雜工程問題能力的重要抓手。在“新工科”建設要求下,實驗教學必須在教學模式上以學生能力及素質培養達成為目的,契合行業實際需求進行改革。基于此,本文設計的“三三”制的專業課程實驗教學模式圍繞“新工科”的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展實驗教學工作,最終服務于人才培養目標的達成。