新工科背景下的立體化教學內容探究

雷曉輝 龍巖 柴蓓蓓

[摘 要] 在新工科背景下，總結“水電站”課程教學痛點問題，把新工科的改革與學生的需求融合在一起，從“認知、技能、素養”三方面，構建以問題導向為主線的立體化、多層次、多形式的課程教學目標。同時教學內容著眼于學情分析，對象分析；根據知識點分布，將教學內容分為三個階段：水電站基本理論階段；水電站規劃設計與運行相關技能階段；水電站復雜問題解決階段。從思想政治融合、工匠精神培養、緊跟前沿三個層次豐富和深化教學內容，打造了基于問題導向、突出學生中心、關注產出實效的立體化教學內容。

[關鍵詞] 新工科；水電站；教學目標；立體化教學內容

[基金項目] 2020年度河北省教育廳教改項目“新工科背景下的‘虛實結合’教學模式探索與實踐”（2020GJJG185）

[作者簡介] 雷曉輝（1974—），男，陜西澄城人，博士，河北工程大學水利水電學院教授級高級工程師，主要從事水系統調度研究；龍 巖（1989—），女，河北保定人，博士，河北工程大學水利水電學院講師（通信作者），主要從事水力優化調度研究。

[中圖分類號] C229.29 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0114-04 [收稿日期] 2021-04-30

引言

隨著我國經濟的快速發展，傳統產業的轉型升級，工程教育受到世界各國的高度重視。目前，我國推動創新驅動發展，實施“一帶一路”倡議，落實“中國制造2025”“互聯網+”等[1]。以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，對學生的綜合素質有了更高標準，改革創新現有工程教育是目前我國面臨的重大挑戰，工科專業面臨新機遇、新挑戰，使得新工科建設成為當務之急和長遠之策[2-4]。2017年發布的“復旦共識”明確指出，加快建設和發展新工科，一方面要主動設置和發展一批新興工科專業，另一方面要推動現有工科專業的改革創新[5]。這說明新工科的建設既包括那些瞄準戰略性新興產業設置的新專業，也包括對現有工科專業的改造升級[6，7]。但是目前教育模式使學生對專業知識缺乏深刻理解，解決復雜工程和重大工程問題的能力不足，無法滿足未來工程發展的新需求。隨著虛擬現實、數值計算云計算、大數據等技術日臻成熟，針對那些高危型、高能耗、不可及、不可逆的操作，可采用虛擬實驗進行，既解決實際實驗困難、實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，又是培養新工科“智能+專業”科學思維模式重要示范。

一、“水電站”課程存在的問題

“水電站”是一門綜合性強、涉及知識面廣的必修專業課。在教學過程中存在諸多教學問題，使學生對專業知識缺乏深刻理解，解決復雜工程問題時的能力不足，無法滿足未來工程行業發展的新需求。水電站教學團隊通過不斷學習和摸索，改變傳統的“注入式”教學方法，代之以“突出以學生為中心，關注產出實效”的新型教學模式，有效解決教學中以下痛點問題。

（1）水電站由輸水系統、廠房、水力發電機3大部分組成，結構復雜、設備眾多，單純依靠教材不容易講清楚，學生也很難認識準確（；2）水電站引水系統設計、水輪機選型都存在大量的水力計算工作，傳統的手工計算煩瑣且容易出錯，而且已經很難跟上計算機輔助設計的需要（；3）傳統的水電站虛擬仿真平臺，只停留在認識實現層面，缺乏水力學計算仿真的“大腦”環節，很難讓學生直觀的理解水電站設計和運行的關鍵知識點。（4）解決了教師照本宣科、學生被動接收，課堂教學以單向的知識傳遞為主、交流互動嚴重不足、難以真正教學相長的問題。

二、多層次教學目標

基于上述痛點問題，教學團隊認為首先要從教學目標上進行完善，把新工科的改革與學生的需求融合在一起，從“認知、技能、素養”三方面，構建以問題導向為主線的立體化、多層次、多形式的課程教學目標（圖1）。

（一）認知培養

融合多個版本的《水電站》現有相關教材與《水工設計手冊》《水力機械》等多個參考書，并結合團隊長期承擔的相關科研經歷，形成大工程、智慧化特色的“水電站”教學內容，培養學生掌握水電站相關基本概念和理論。

大工程特色主要體現在以三峽、龍羊峽、錦屏等典型大型水電工程為案例，介紹水輪機、引水系統、水電站廠房等相關知識點。

智慧化特色主要體現在經典水電站課程相關知識點講解過程中，結合團隊承擔的智慧調度相關的科研項目，介紹本學科的在智慧化方面的最新進展，特別是以物聯網、大數據、云計算、數字孿生、5G等智慧化新技術在水電站規劃、設計、施工和運行管理中的應用現狀及前景。

（二）技能培養

圍繞“水電站”課程的三大知識點：水輪機、引水系統和水電站廠房，通過針對性設置課后作業、課程設計和畢業設計，培養學生能夠根據工程特點，進行水輪機選型、輸水建筑物設計、廠房布置設計方面的專業技能，讓學生掌握水電站設計的基本方法。

（三）素養培養

通過課堂開放式討論、課程設計創新比賽等方式，引入基于Excel的VBA編程和虛擬仿真教學實驗平臺，培養學生運用相關知識，對水電站規劃、設計和運行中的復雜問題進行分析與優化、比較與綜合的能力；并結合社會實踐、科技創新等形式，拓展實踐情景，塑造德、善、勤、技、新的五全工程人。

三、立體化教學內容

教學內容著眼于學情分析，對象分析。根據知識點分布，將教學內容分為三個階段：（1）水電站基本理論；（2）水電站規劃設計與運行相關技能；（3）水電站復雜問題解決。從思想政治融合、工匠精神培養、緊跟前沿三層次豐富和深化教學內容。

習近平總書記強調，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應[8]。教育部2020年發布的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出“建設高水平人才培養體系，必須將思想政治工作體系貫通其中，必須抓好課程思政建設，解決好專業教育和思想政治教育‘兩張皮’問題”。教學團隊牢記“生態優先、綠色發展”，情系中國水電，以講好“精工鑄新”智慧水電故事，培養“崇德尚善”新時代工程人為建設目標，構建包含“發展歷史、典型工程、工程事故、科學人物”四大模塊的思想政治案例庫，利用自主研發的虛擬仿真平臺，從價值、情感、認知、技能、行動五維度融入思想政治元素，優化內容供給，培養崇德尚善美德，傳承科學家與工匠精神，增強中國水電“大國重器”之家國情懷與民族自豪感，強化“自主研發、精工鑄新”意識。并結合社會實踐、科技創新等形式，拓展實踐情景，塑造德、善、勤、技、新的五全工程人。

（一）水電站基礎理論階段

傳統“水電站”教學中，教材是學生的唯一學習內容，是學生知識的主要來源，一旦所學教材老舊，知識點及案例落后，就會導致學生跟不上時代的步伐，不符合新工科的培養要求。基于此，教學團隊在教科書基本知識點教學的基礎上，向學生系統介紹我國和世界水電發展的現狀及未來，特別是重點介紹我國以三峽工程為首的5座巨型水電站的裝機規模位居全球水電前10名。“十四五”期間，國家啟動了雅魯藏布江大拐彎的水電開發戰略，在這個區域要建設3個三峽工程規模的水電站群。從而讓學生了解我國水電建設、運行和管理走在世界前列，而且未來我國的水電開發是大有可為的。此外，介紹已經實施多年的中國水電“走出去”戰略，我們國家水電建設大軍沿著“一帶一路”已經走遍世界各地，成為全球水電開發的主力軍，讓學生了解水電開發在世界也是大有可為，從而樹立學生的專業自信和家國情懷。

（二）水電站規劃設計與運行相關技能階段

傳統的“水電站”教學中，關于水電站規劃設計及運行相關知識方面的講解，主要是注入式、滿堂灌，只研究教師如何“教”，忽略了學生如何“學”，學生對知識的理解和應用能力欠佳；基于此，教學團隊通過深度解析典型水電站事故成因，深化課程學習中水錘、調保、調度、保護等相關知識點，提升學生分析問題的綜合能力，并開闊學生的知識面。例如典型水電站事故選取薩彥—舒申斯克水電站（640萬千瓦裝機，是俄羅斯第一大水電站），該電站于2009年8月17日在維修過程中變壓器發生爆炸，水淹廠房、機毀人亡，這起事故造成75人死亡、13人受傷，經濟損失17億元。以開放式教學方式和學生一起分析和討論事故成因，包括恐怖襲擊說、壓力鋼管爆裂說、變壓器爆炸說、設備老化說、調度失誤說和保護系統失效說等多種說法。由于事故成因涉及水電站的方方面面，從而讓學生能夠把“水電站”課程中學到的知識點以及其他課程相關知識點，在事故成因分析和討論過程中融會貫通，并培養學生深入分析問題的興趣和能力，同時可以大幅度開闊學生的知識面。

（三）水電站復雜問題解決階段

傳統的“水電站”教學中，學生對知識的掌握主要是靠死記硬背，學生的學習性不高，同時對專業知識缺乏深刻理解，解決復雜工程和重大工程問題時的能力不足，無法滿足未來工程發展的新需求；基于此，教學團隊與真實設計工作接軌，在課程設計中引入最新設計規范，作為參數選取的依據，并介紹人工智能+水電建設運行的最新進展，激發學生學習熱情。以水電站調節保證計算課程設計為例，讓學生熟悉最新頒布的《水電站調節保證設計導則》（NB/T 10342-2019），并以其為依據設置水電站調節保證計算中最大壓力、最小壓力和水輪機轉速的閾值。從而可以培養學生解決實際工程問題的能力，學生畢業后可以游刃有余的迎接實際工程設計、施工和管理工作的挑戰。隨著人工智能時代的到來，各種智慧技術都已經深度融合到水電站的規劃、設計、施工和運行管理各個環節，通過給學生介紹人工智能賦能水電站建設運行的最新進展，培養學生學習熱情，并提升學生運用人工智能的最新成果解決水電站相關問題的能力。

結語

基于問題導向、突出學生中心、關注產出實效的立體化教學內容設計，既保證“水電站”課程教學目標的達成，又保證相關教育活動的針對性、親和力、時代性、感染力的增強。本成果將問題導向、學習產出的理念與智慧教學理念相結合并加以實踐。

1.在水電站基礎理論部分，教學內容融合大工程特色、智慧化特色，樹立專業自信和家國情懷。引入三峽等大型水電工程，講解水輪機、引水系統、水電站廠房等相關知識點和“智慧+水電”應用現狀及前景。通過介紹我國水電開發國際領先現狀和沿“一帶一路”“走出去”大有可為的戰略發展前景，使學生樹立專業自信和家國情懷。

2.在水電站規劃設計與運行技能部分，以薩彥—舒申斯克典型水電站事故為例，以開放式教學方式和學生一起深度解析典型事故成因，深化課程學習中水錘、調保、調度、保護等相關知識點，開闊國際視野，提升學生分析問題的高階思維能力和解決復雜問題的綜合能力。

3.在水電站復雜問題解決部分，與真實設計工作接軌，在課程設計中引入最新設計規范，鍛煉提升學生解決實際工程問題的能力。介紹多重智慧技術深度融合到水電站的規劃、設計、施工和運行管理各個環節，結合人工智能賦能水電站建設運行的最新進展，激發學生學習興趣與熱情，提升學生運用人工智能的最新研究成果解決水電站綜合性復雜問題的高階能力。

參考文獻

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[8]習近平在全國高校思想政治工作會議上強調 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報，2016-12-09（1）.

Three-dimensional Teaching Content under the Background of “Emerging Engineering Education”： Taking the Hydropower Station Course as an Example

LEI Xiao-huia， LONG Yana，c， CHAI Bei-beib

（a. School of Water Conservancy and Hydropower Engineering， b. School of Energy and Environmental Engineering， c. Key Laboratory of Intelligent Water Resources of Hebei Province， Hebei University of Engineering， Handan， Hebei 056038， China）

Abstract： Under the background of “emerging engineering education”， this paper summarizes the teaching difficulties of the Hydropower Station course， integrates the reform of “emerging engineering education” with the needs of students， and constructs the three-dimensional， multi-level and multi-form course teaching objectives with problem-orientation as the main line from the aspects of “cognition， skill and accomplishment”. At the same time， the teaching content focuses on the analysis of learning situation and object. According to the distribution of knowledge points， the teaching content is divided into three stages： the basic theory stage； the stage of skills related to the planning， design and operation； the stage of solving complex problems. The teaching content is enriched and deepened from the three levels of ideological and political integration， craftsman spirit cultivation， and keeping up with the forefront， and the three-dimensional teaching content based on problem-orientation， highlighting studentcentered， and paying attention to practical results is established.

Key words： “emerging engineering education”； Hydropower Station； teaching objectives； three-dimensional teaching content