“新工科”背景下面向現代化新型電力系統實驗教學改革研究

周雪松　許東輝　馬幼捷　趙浛宇

摘要：電力行業中電力的生產過程、調度和管理正在向著創新型和現代化的方向發展，傳統課程教學日漸不能滿足行業發展對人才需要。為適應新工科建設的國家戰略方針，響應“新工科”建設呼喚高等工程教育實驗平臺的改革創新的號召，提高培養學生的專業綜合能力，教學改革研究秉持“一流定位、新工科發展和工程認證OBE機制”教育理念，建立科研反哺教學機制，將思政教育融于實踐教學，形成“科研—教學—實踐”一體化，相互滲透，相互促進，圍繞面向現代化新型電力物理仿真教學進行創新發展，建設多項現代化、創新型實驗室，完善閉環反饋教學體系，使學生們符合現代電氣人才要求的同時，擁有較高的職業素養和分析問題、解決問題的創新實踐能力。

關鍵詞：電力物理仿真實驗；新工科；教學改革；OBE理念；教學反饋；科研反哺教學

中圖分類號：G642.0

相對傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。新工科建設為全國各高校提供了進一步發展的機會，根據自身專業優勢，結合新工科專業建設要求，實現學科整體水平的提升［1］。

新工科的內涵表現在以下方面：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。在電氣工程領域中，新工科的主要體現在我國電力系統的現代化上，究其本質就是培養電力工程的實踐性、創新型人才［2］。

與此同時，高素質、創新人才需要具有扎實的專業基礎和寬廣的跨界知識；審辯式思維和創造性思維；獨立、開放、求異的思想；深入理解“過程化”的創新原則；對社會和職業的認知；海納百川的胸懷和寬廣的國際視野。而目前傳統的高校教育主要存在以下問題：

（1）新工科教學理念落后，缺乏實質性的教學內涵，還停留在對教學環節進行質量監控的初級階段，依然是注重理論分析、推導，缺少創新以及理論與實踐相結合的教學理念，實驗課程設置的隨意性大，且沒有貫穿整個人才培養過程的課程體系［3］。

（2）創新教育缺乏實踐平臺及教學資源和教學環境，以往的電力系統分析、電機學、繼電保護等電氣工程專業高電壓、大電流物理課程并未安排實驗環節，學生只在課堂上學習理論知識，未經過親自動手操作、調試、驗證，不能加深對理論知識的理解和記憶，與國際先進的創新教育水平有相當的差距，教育質量不高。

（3）創新教育與專業實踐教學脫節，教學成效有限，教學和訓練的系統性、連貫性較差，且學生所學專業知識與學生參加的競賽和科訓項目關聯度低。

（4）人才教育與產業脫節，缺乏對社會和行業的認知，教學場景與真實世界相差甚遠，學生缺乏對社會和行業的了解，適應性差，難以真正具備雙創能力。

一個具有完善功能的教學管理體系應該具備“閉環”特征，即通過監督反饋功能發現教學偏差，分析產生偏差的原因，并通過調控功能進行改進完善。實驗教學是高等教育的重要組成部分，是檢驗理論、增強實踐不可或缺的重要一環，對于學生的綜合素質和創新能力的培養，起著理論和其他教學環節不可替代的作用［4-5］。

一、改革研究內容

教學實驗團隊秉持“一流定位、新工科發展和工程認證OBE機制”的教育理念，明確創新實驗在學生培養過程中的重要地位，潛心探索實驗教育的發展規律，建立科研反哺教學機制，開展一系列“創新實驗”建設，主動在教學實踐中融入新工科內容，努力使實踐教學環節更好地適應“新工科”建設要求，培養學生具備立意高遠的獨立思考和學術創新能力。創新實驗的建設既滿足了工程教育對于工程實踐的要求，又強化學生工程實踐能力，拓展學生視野，培養學生實驗動手能力、創新意識、工程觀念與交叉學科學習能力，提升學生的綜合素質。

本文從實驗裝置升級建設、實驗教學培養計劃、創新實驗課程建設等角度入手，探究我校電氣工程專業物理實驗教學改革策略，為提升電氣工程專業實驗教學質量和培養更多滿足社會需求的工程技術人才提供參考。

（一）實驗室建設

隨著我國持續推進能源供給側結構性改革，現代電力系統的不斷發展，分布式新能源呈爆發式增長，電力系統運行模擬和對電網分析的難度顯著提升。同時，電氣工程專業高電壓、大電流物理實驗場景建設難是高校普遍存在的瓶頸問題。為此，在各教學團隊科研成果應用輔助下建設多個現代化創新實驗室。如針對分布式新能源系統建設的“智能物理仿真實驗室”與“新能源利用與智能電網實驗室”，以及面向“高電壓、大電流”系統的“智能變電站運行與控制”“繼電保護”虛擬仿真實驗室等。其中，“新能源利用與智能電網”實驗室榮獲天津市重點實驗室稱號。

“新能源利用與智能電網”實驗室是一個以風電和光伏發電為特色的集智能“發、變、輸、配、用”為一體、集研究與應用為一體的前沿實驗室，主要圍繞“智能電網”“風電系統”“光伏系統”“電網運行安全與電能質量”等現代新型電力系統關鍵技術進行部署建設，針對電網的穩定可靠、抗攻擊、電力用戶、市場、分布式能源、資產、電能質量和信息系統等關鍵主體和應用進行部署。在此基礎，可供學生開展與之相關的相關技術研究，如基于風光儲柴的分布式發電技術等，并進行相關的前沿性、創新型實驗。

以智能電網實驗室為主體，全面整合與其相關的新能源和電力電子技術，開展特色研究，將強電與弱電相結合，兼顧演示性實驗與創新性實驗，科研與教學多重功能，解決安全性和造價高的棘手問題的同時，提高學生主動學習、自主創新的能力。本實驗平臺推廣應用到相關專業，也取得了較好的效果，進一步促進了理論教學和實驗教學的協調發展，助推學生綜合能力的提高。

（二）實驗教學培養計劃建設

圍繞專業特色建設電工理論、電能控制、電能變換、電能分配和電能利用五個實驗教學團隊，每月定期開展一次師生教研交流會。在學生的參與下，建立“科研—教學—實踐”相互滲透、相互促進的反饋機制，分析解決教學過程與教學目標間的差異度，并在科研成果中提煉出包含新工科內容（如5G技術、人工智能等）的復雜電氣工程系統，作為典型案例進行數學建模和深入分析，提高學生對科研的興趣與對科技發展的關注，逐步涵養為創新而學習的理念，引導學生從應對變化、塑造未來的新工科高度理解學習重要性和具體抓手，培養學生把握未來專業發展趨勢的能力，以適應現代電網發展和新世紀電力系統仿真實驗要求為出發點，旨在培養具有綜合思維能力和綜合處理問題能力的應用型人才。

（1）聚焦成果培養，完善教學計劃。以OBE機制為教學理念，在課程教學和組織實施方面，比如，“想讓學生從實驗學習中取得的成果是什么？”“為什么要讓學生取得這樣的學習成果？”“應如何設計實驗教學體系有效地幫助學生取得這些學習成果？”“如何知道學生已經取得了這些學習成果？”“學生的綜合實踐能力評價與專業素養？”教學團隊始終圍繞以上問題展開交談教學研討，制定實驗教學定位和教學計劃。

（2）思政融于課堂，激發學習興趣。新工科建設的內涵不僅在于人才培養能力提升上，同時著力培育胸懷科技報國理想，勇擔民族復興大任，共創人類美好未來的卓越工程人才。因此，電氣實驗教學以時事熱點為切入點，將思政教學與課程教學融為一體［6］。

例如，在風電實驗教學中，指導教師引用我國成功保障2022冬奧會比賽場館100%綠電供應綠的例子，闡述張北的風電技術在其中發揮的重要作用。此外，在光伏實驗教學中，以我國“空間站”采用“光伏+儲能”的電力供應模式及相關前沿技術的例子為教學切入點，引發學生的共鳴感與認同感，并告訴大家這些成功的背后離不開科研人員在數百萬次實驗中務實創新、精益求精的努力與拼搏，以確保在應用實踐中萬無一失，為國爭光。啟迪同學們，作為祖國未來的希望，在工作和學習中，不僅要具有嚴謹求實的工匠精神，也要有大局意識，這樣才能成為一名有社會責任感的優秀電氣人才。

（3）科學分配學時，閉環反饋教學。在現有的實驗平臺基礎上，設置與其相呼應的電氣工程及其自動化專業必修課程，設置課程學分8學分，授課課時72學時。因實驗平臺的綜合性較強，涉及的實驗儀器較多，需要學生具備一定的專業知識儲備，因此將36學時的基礎實驗設置在各學科開課學期，課程采用“雨課堂”和傳統教學相結合，介紹實驗的原理、操作規范及注意事項，輔助理論教學，鞏固教學效果，培養激發學生獨立思考和動手能力。綜合實驗36學時，設置在大三下學期相關專業課程學習完成后進行，建立、設計數學、物理模型，結合一些工程案例，更加考查學生對電力系統的整體把握，通過發電、輸電、配電等環節，分析系統潮流分布、運行故障問題及新型電力系統前沿性實驗等。

根據學生實驗反饋，物理實驗系統試驗數據記錄、“問卷星”等完善教學計劃，形成閉環反饋機制。任課教師通過課程成績評價結果對比分析、調查問卷評價結果對比分析以及這兩種對比分析結果的吻合度，評估課程目標的達成情況，查找學生學習上存在的薄弱環節和教師教學中存在的問題，形成改進方案，并交給課程組負責人審查并批準實施，由教學督導組監督執行、改進。

（三）實驗過程管理

實驗教學的授課需要同時運行。因本科生的人數較多，實驗設備的數量有限，為實驗教學計劃制訂和實驗過程管理造成一定的難度。因此，為確保所有學生在實驗中均得到鍛煉與提高，充分考慮每個學生的個體差異，在時間和資源上保障每個學生均有達成學習成果的機會［7］，避免“一人操作，剩余旁觀”等現象的發生。教師團隊通過合理優化實驗過程和協調教學資源，設計采用團體小組多輪分工合作制。學生通過輪換模擬操作電力系統各環節的主要設備，分別記錄電網狀態信息，組內信息實時交互，保證實驗全過程數據可追溯性與不可篡改性，方便教師團隊根據實驗結果反饋得出教學目標的完成度與改善點，較好地實現了教學閉環反饋機制。

二、新型物理實驗改革成效

（1）相比于數字仿真實驗，教改后的新型物理仿真實驗更貼近實際物理系統，學生擁有了更加感性的認知。學生通過實際操作去控制實驗設備、儀器，通過視覺、聽覺、觸覺來感受實驗設備運行的所帶來的反饋，進一步加深了對所學專業知識的深層次理解和強化。

（2）新型物理實驗平臺滿足多學科、綜合性實驗的要求，學生們通過從發電端實物開始配置，人為調節發電機的轉速與勵磁控制電機的輸出電壓大小和功率值，對電力系統的并網方式、潮流分布等擁有了更深刻的理解和把握。同時對電壓、勵磁功率、輸出功率間的物理關系的認識也變得更加深刻。

（3）相對傳統實驗教學模式，教改后的實驗教學體系更加科學化、現代化、智能化。學生的實驗目標不再局限于對課本知識的簡單驗證，而更加側重于將實驗理論與實踐應用相銜接，將抽象的理論落實到裝置的實際操作中，與我國現代電力系統的發展前沿相連接，更好地培養了學生們的專業素養以及創新意識和實踐能力，為早日成為國家新型工科人才做準備。

結語

“新工科”理念的提出與建設實施是對我國高等院校人才培養的全面創新與戰略思考，也是新一輪教學改革的重點方向，通過實驗教改計劃，結合“OBE理念”“科研反哺教學”等科學先進的教學理論，應用現代化的物理實驗平臺做輔助教學，更新加強專業實驗內容，改進實驗方法與手段，創建一套能進行專業課程和綜合研究的實驗裝置，從而建立一個開放式、研究性、綜合性、現代化的專業實驗現代教學體系，實現“科研—教學—實踐”相互滲透、相互促進的良性循環。這不僅有助于提高專業實驗的教學質量和水平，更有利于培養學生綜合分析問題和解決問題的能力，同時使得電氣工程專業育人環境得到有效提高，專業素養顯著提升，為社會培養了兼具理論知識、實踐能力、創新能力、國際視野的復合型人才，以適應新形勢下社會對工程專業人才的需求。

參考文獻：

［1］林勝男，鄒海燕，張歡.新工科背景下地方高校實驗教學平臺建設路徑［J/OL］.實驗技術與管理，2021（12）：235-238.

［2］譚帥，王彩虹，伍勇.“新工科”與“工程教育”背景下過程裝備與控制工程專業創新實驗建設［J］.當代教育實踐與教學研究，2020（11）：167-169.

［3］樊艷芳.“電力系統分析”實驗教學的改革與實踐［J］.中國電力教育，2014（11）：190-191.

［4］堵俊，吳曉.改革實驗教學，培養創新意識——電類基礎實驗課程的改革與實踐［J］.南通工學院學報（社會科學版），2004（01）：77-79.

［5］王紅艷．基于應用型人才培養的“電力系統分析”課程教學改革［J］．許昌學院學報，2018，37（06）：90-93.

［6］張曉紅，趙興勇，馬列，等.應用型高校電力系統課程實踐平臺的建設［J］.信息化建設，2015（12）：163-164.

［7］陳曉艷，趙驥.新工科背景下學習過程追蹤評價體系研究與實踐［J］.中國輕工教育，2020，112（02）：47-50+66.

基金項目：國家自然科學基金項目（微電網動態諧波交互機理與控制方法研究，51877152）

作者簡介：周雪松（1962—），男，漢族，江西南昌人，博士，教授，研究方向：電力系統；馬幼捷（1962—），女，漢族，天津人，博士，教授，研究方向：電力系統；趙浛宇（1962—），女，漢族，江西南昌人，博士，教授，研究方向：電力系統。

通訊作者：許東輝（1997—），男，漢族，河北衡水人，碩士，研究方向：電力系統。