機械工程領域專業學位案例庫建設

花廣如 張新春 劉罡愷 李娜 王璋奇

［摘 要］隨著學科綜合與多元化趨勢的日益顯著，“雙一流”建設背景下，研究生教學應朝著課程多樣化、信息化的方向發展。教學團隊針對華北電力大學機械工程領域專業學位案例庫建設缺乏統一性、教學素材質量參差不齊、教學案例與技術脫節等問題，結合“雙一流”建設“大能源電力學科”的優勢，組織和編寫了以工程問題為導向的輸電線路工程案例教學資源庫，并開展輸電線路工程教學改革。通過構建以工程問題為導向的輸電線路工程案例教學體系，形成“知識→案例→實踐→知識”的良性循環，促進學生自主學習，并培養其開放性思維，達到培養學生分析問題和解決工程問題能力的教學目標。

［關鍵詞］機械工程；輸電線路工程；教學改革；工程案例庫建設

［中圖分類號］G643［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）10-0023-05

2020年印發的《專業學位研究生教育發展方案（2020—2025）》[1]指出：“目前，我國在很多領域都有尚待突破的關鍵技術，成為制約我國創新發展的瓶頸，這些技術相當程度集中在科技應用和轉化方面，需要大量創新型、復合型、應用型人才。”為了加速我國各行業的進步，各高校應優化全日制專業學位碩士研究生的培養方案，著力培養具有高專業水平、強業務能力的人才，著重提高人才的問題分析能力和問題解決能力，以推動各專業領域的發展。機械工程（輸電線路工程）專業是一個多學科交叉的工程應用專業，涉及電氣工程、機械工程、土木工程、計算機科學與技術、測量學、氣象信息等基礎理論知識，具有較強的工程屬性。因此，華北電力大學（以下簡稱我校）在機械工程領域專業學位碩士研究生的培養過程中，引入開放式、互動式的教學模式，使學生直接與工程問題接觸，理論教學與實際工程緊密結合，推動教學案例庫的建設，實現課程案例化、實踐化的目標[2]。

專業學位案例庫建設是實現復合型教學的基本保障。工科課程理論知識深度大、涵蓋面廣、與工程實際結合難度大，在日常教學中，以授課教師為核心的教學模式容易使知識點浮于課程表面[3]，導致與實際脫軌。因此，推進教學案例庫的建設是改善當前教學現狀的必由之路[4]。

當前，為了打破傳統的“填鴨式”教育模式，提高課堂教學質量，許多國內外高校紛紛選擇建設教學案例庫[4-5]。然而，各大院校的案例庫建設仍處于探索階段。盡管案例庫資源豐富，但普遍缺乏整體系統的規劃，導致部分案例內容單薄、碎片化嚴重、深度不足。部分案例在實際課堂教學中應用時，甚至會出現加劇學生碎片化記憶、破壞教學系統性的反作用[6]。

結合“雙一流”建設“大能源電力學科”的優勢，教學團隊依托當前承擔的橫向項目，組織和編寫以工程問題為導向的輸電線路工程案例教學資源庫，實現工程案例庫的工程化、專業化和特色化，促進學生自主學習，并培養他們的開放性思維，為培養學生分析問題、解決工程實際問題能力打下堅實基礎，提高“雙一流”建設專業學位研究生的培養質量和水平。

一、輸電線路工程案例教學資源庫建設存在的問題

隨著我國“雙碳”目標的不斷推進，全行業對電力供應的需求日益增長，在未來大力建設特高壓輸電線路是支撐發展清潔能源的大趨勢[7]。特高壓輸電線路建設工藝并非一成不變，隨著未來極端環境和復雜地質條件下輸電線路建設工程的逐漸增多，新結構、新材料以及更高電壓輸電技術將不斷涌現[8]，這對機械工程——輸電線路工程領域的人才提出了更高的要求。因此，輸電線路工程專業課程的教學質量及其考核標準應與市場需求相匹配。作為輸電線路工程專業課程教學的核心，輸電線路工程案例教學資源庫的建設質量與課堂教學質量密切相關。通過輸電線路工程專業課程的線下教學，教學團隊對近三年學習該課程的學生進行問卷調查（結果見圖1）。調查結果顯示，學生認為工程案例庫建設存在缺乏統一性、教學素材質量參差不齊、教學案例與技術脫節等問題。

（一）工程案例庫建設缺乏統一性和規劃性

現有的輸電線路工程專業課程缺乏專門的教材，主要依賴教學團隊基于其研究方向的成果制作的課件進行授課。在探討工程類問題時，這些課件往往受限于任課教師的專業領域，容易忽略工程實際和現場技術等因素。在教學課件中，工程案例素材主要來源于其他專業課程教材以及以往的研究課題。然而，由于工程案例庫建設的統一性和規劃性不足，素材呈現出碎片化狀態，這不利于學生全面理解和融合相應知識點。

（二）教學素材質量參差不齊

在實踐教學方面，教學素材相當匱乏，任課教師主要從網站上尋找類似的視頻進行課堂分享。然而，一些網絡視頻清晰度不佳，且其解說內容與課程內容存在出入，不利于課堂的系統化教學。此外，工程案例教學中的細節不勝枚舉，僅僅依賴任課教師的解說顯然是不夠的。因此，需要引入專業技術人員來詳細講解施工技術的知識點，以幫助學生將理論知識與工程實際緊密結合。

（三）教學案例與技術脫節

經過對歷年授課課件的分析與比對，發現歷年課件中的案例變化程度較小，存在教學案例與主流技術水平脫節的問題[9]。作為一門專業性強的工程應用專業，其課程建設應與產業掛鉤[10]，其主要目標應為服務現有產業并引領未來產業的轉型發展。在教學過程中，任課教師應注重學生實踐能力的培養，構建出科研、教學、就業一站式教學模式，將機械工程、電氣工程、土木工程等學科知識進行深度融合，以適應新時代電力行業的進一步發展需求[11]，從而提高“雙一流”建設背景下機械工程領域專業學位研究生的培養質量和水平。

二、輸電線路工程案例教學資源庫建設

教學團隊結合“雙一流”建設“大能源電力學科”的優勢，依托當前承擔的橫向項目，組織和編寫以工程問題為導向的輸電線路工程案例教學資源庫，并與多家電力公司合作，針對現場進行案例教學，從而形成“知識→案例→實踐→知識”的良性循環（見圖2）。此外，采用開放式、互動式的教學方式，靈活安排課堂活動，以優化教學質量。這種教學方式讓學生有機會面對和解決工程問題，不僅激發了學生的學習興趣和思維活力，還顯著提高了他們分析問題和解決工程問題的能力。

（一）激發學生學習輸電線路工程專業課程興趣

輸電線路工程專業課程中包含大量煩瑣且抽象的工程知識。為了使學生深刻記憶并融會貫通這些知識，教師可以采用具象化的教學方法[12]，如通過建模或案例視頻的方式將知識點具體標注。輸電線路工程的案例在現實生活中十分常見，將知識融入實際的工程案例中，不僅可以增強學生對知識點的吸收和理解，還可以活躍課堂氣氛，促進師生間的交流。例如，在鐵塔基礎部分的教學中，當講解到獨立基礎的施工流程（抄平→墊層施工→鋼筋工程→支模→混凝土工程→拆模）時，學生有時難以構建出相應的概念。為了幫助學生更好地理解這些專有名詞，任課教師采用具象化的教學方式（見圖3），詳細展示每個知識點所對應的模型，并制作教學視頻，以激發學生的學習興趣。

（二）引入有限元分析軟件，增強案例可視化

經過前面的理論知識講解，對案例進行綜合性分析是必要的。每個案例不能僅停留在表面，而應盡可能地提供具體數據，借助結構分析軟件如ANSYS、ABAQUS等[13]，以更精確地分析案例。在課堂上，利用預先準備的模型，模擬事故發生時桿塔的受力情況，從數據中映射出實際原因，并通過這種方式串聯各章節內容，從而增強學生知識網的緊密性。以輸電線路結構設計與施工技術章節為例，為了深入研究輸電桿塔結構設計的安全性，引入了淮南—上海1000kV輸變電工程實例（見圖4）[14]。在校核輸電桿塔時，既要考慮其強度破壞條件，也要充分考慮其穩定性問題。通過這一案例的分析，可以直觀、系統、科學地展示輸電線路結構設計的要點，增強教學的可視化效果。

（三）校企合作，引入實際案例培養學生分析問題能力

根據課程安排，工程案例庫內容分為輸電線路結構設計與施工技術、輸電線路監測與巡檢技術、電力金具設計與生產管理三個板塊，針對每個板塊進行案例的收集與梳理，以完成案例庫的建設。本案例庫的資料主要來源于教學團隊所承擔的橫向項目，以及多家電力公司在實際運行維護過程中的經典案例，與行業先進技術水平相吻合。

根據電力企業要求，目前架空輸電線路張力架線施工故障率必須控制在10%以內，但現有故障率已達到15%，未能滿足企業標準。為將故障率降至企業要求，教學團隊選擇降低架空輸電線路張力架線施工故障率為研究課題，并制定解決問題的可行方案。經過調查，教學團隊記錄了施工現場存在的質量問題，并對這些問題進行了分類和研究，最終得出結論：牽引繩上揚和轉角塔內角掛線滑車橫向偏離是導致張力架線施工故障的主要癥結。

在教學過程中，引導學生對問題進行原因分析是提高他們互動積極性的有效方法。例如，引導學生運用頭腦風暴法對牽引繩上揚和轉角塔內角掛線滑車橫向偏離這兩個癥結進行原因分析，向指定教學案例的分析思路靠近，以深入理解問題的根源（見圖5）。

針對大轉角塔橫擔下主材與滑車之間未使用支撐物的問題，需要在這些位置增設支撐物，以確保大轉角塔橫擔下主材與滑車之間的支撐物的使用率達到100%。為此，需要逐基檢查工程中轉角塔，特別是在放線時，對轉角過大的滑車采取必要的固定措施。具體而言，應在塔橫擔下主材與滑車之間使用支撐物來固定滑車，確保施工安全和效率。

在應對設備缺少保養的問題時，應合理選擇設備，確保設備保養及相關記錄實現100%覆蓋。為達到這一目標，可以采取以下措施：進入施工現場的施工機械必須經過驗收，確保其性能狀態完好，并且資料齊全、準確；強化現場施工機械設備的平衡和調動，合理組織機械設備的使用、保養和維修工作，以提高機械設備的使用效率和完好率；執行重要施工機械設備專機專人負責制、機長負責制和操作人員持證上崗制；嚴格執行施工機械設備操作規程與保養規程，堅決制止違章指揮、違章作業，防止設備帶病運轉或超負荷運轉；嚴格實行由專業人員進行的定期保養和監測修理制度，確保設備處于良好狀態。

（四）構建課程設計案例，培養學生實踐能力

輸電線路工程是理論與實踐相結合的一門專業，其中輸電線路結構設計與施工技術、輸電線路監測與巡檢技術這兩個模塊的操作細節較多。在理論課程結束后，學生需完成相應的課程設計任務，這些設計案例主要來源于校企合作項目及課題組以往的研究成果。課程設計內容涵蓋軟件建模成果、有限元分析以及項目書撰寫，這樣的設計旨在幫助學生鞏固理論知識，同時避免培養出“腳不落地”的“筆桿子”人才。

三、結語

建設以工程問題為導向的案例庫，有效解決了以往案例庫建設中存在的統一性不足、教學案例質量參差不齊以及教學案例與技術脫節等問題。本文基于“知識→案例→實踐→知識”的循環理念，通過案例穿插理論教學、引入有限元分析軟件、校企合作、構建課程設計案例，將電氣工程、機械工程、土木工程、測量學、氣象信息等多個學科的理論知識融入其中，激發學生的學習興趣，培養學生解決工程問題的能力，并提高學生的實踐能力。通過實施這一系列舉措，不僅實現了理論與實踐的深度融合，也達到了行業所需人才技術培養的目標，從而提高了“雙一流”建設背景下機械工程領域專業學位研究生的培養質量和水平。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 國務院學位委員會，教育部.專業學位研究生教育發展方案（2020-2025）[EB/OL].（2020-09-25）[2023-12-02].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_826/202009/w020200930357734729917.docx.

[2］ 張新春，王金祝，李娜，等.機械工程專業課程思政教學改革探索和實踐：以材料力學教學為例[J].大學教育，2022（11）：55-57.

[3］ 張新春，汪玉林.以學生學為中心的結構力學課程教學改革[J].大學教育，2021（1）：72-75.

[4］ 劉鵬，吉明波，王桂香.專業學位研究生課程案例庫建設實踐：以“水處理與膜功能材料”課程為例[J].廣東化工，2023，50（8）：219-220.

[5］ 鄒濱，胡晨霞，馮徽徽，等.自然資源監測與分析課程教學案例庫建設與實踐[J].高教學刊，2022，8（31）：97-100.

[6］ 梁君.教學案例庫建設的問題與對策[J].科教文匯（下旬刊），2012（9）：35-36.

[7］ 黃力，唐波，牛媛媛.新工科背景下輸電線路工程專業實踐教學改革[J].教育教學論壇，2022（51）：101-104.

[8］ 魯先龍，程永鋒.我國輸電線路基礎工程現狀與展望[J].電力建設，2005（11）：25-27.

[9］ 吳建民.機械專碩“精密制造技術”課程案例庫建設探討[J].機械工程與自動化，2023（3）：217-218.

[10］ 趙繼，謝寅波.新工科建設與工程教育創新[J].高等工程教育研究，2017（5）：13-17.

[11］ 鄭衛鋒，張天光，陳大斌，等.我國輸電線路基礎工程現狀與研究新進展[J].水利與建筑工程學報，2020，18（2）：169-175.

[12］ 劉凱華，朱江，郭永昌，等.產教融合視域下土木工程專業實踐教學改革探索：以混凝土結構課程設計課為例[J].高教學刊，2022，8（31）：131-134.

[13］ 周曉敏，孫政.將ANSYS引入材料力學課堂的教學實踐[J].力學與實踐，2019，41（2）：222-226.

[14］ 王孟，耿景都，蘇志鋼，等.鋼管塔結構強度的有限元分析及試驗研究[J].華北電力大學學報（自然科學版），2020，47（5）：102-110.

［責任編輯：梁金鳳］