课堂中的工程融合贯通式教学探索与实践
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0140-02
培养工科学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力是工科教育“回归工程实践”教学改革的目标，而要改变一些理论性很强的课程以教科书为中心、以教师讲授为中心、以课堂为中心的传统模式具有一定的难度，需要更加精心地设计。像电力系统分析这种理论性很强的课程特点是很难采用现场教学的方式，即便在现场，这些抽象理论很难直观地呈现在同学们眼前。普通的CAI教学，也很容易变成黑板屏幕化的升级，而让学生在缺乏理论基础的条件下以研究性自主学习方式进入工程实践或项目研究，在实践过程中发现也很难达到预期的效果。
课堂中的工程融合贯通式教学是我们在多年的教学实践中，以自主开发的工程融合教学平台为基础，以工程为引导，以学生为中心的教学模式。将工程体验、工程应用、工程设计以及研究性学习融入整个教学过程，通过重构课程体系和教学内容，将工程思想、理论学习和工程应用融会贯通，在教学过程中帮助学生建立工程概念、培养工程思想、提高工程应用能力、创新能力和团队合作精神等，并建立起一套面向过程的过程评价体系。通过多种方式引导学生将理论应用于工程实践，激发学生的兴趣，变“以教为主”为“以学为主”，变“灌输式”为“启发式”，变“苦学”为“乐学”，变“死学”为“创新”，激发学生的研究热情、创新意识和团队精神。
一、电力系统分析课程特点
电力系统分析包括电力系统的稳态分析和暂态分析，是一门理论分析严谨、涉及内容广泛的电气工程及其自动化专业重要专业基础课，该课程在电气工程及其自动化专业课程的树型结构图中的位置如图1所示。
由图1可见，从课程之间的相互关系上看，它像是一门技术基础课，对后续课程起着承上启下的作用；从课程的性质上看，电力系统分析又是一门独立的专业课，其重要性不言而喻。
由于“电力系统分析”课程将电工、电子、电机、自动化、计算机、高等数学和最优化理论等学科知识综合运用于电力系统运行分析和计算中，故这门课程难度较大，理论性强。因而长期以来都被当成一门强理论课来进行教学和学习。但电力系统分析的研究和服务对象是实际的电力系统，具有明显的工程特点。另外，同学们对实际的电力系统，对电能生产的各个环节还缺乏必要的感性认识，很难将书本知识和电力系统联系在一起来理解和掌握，不知道这些知识在将来的工作中有什么用，更不会去思考如何应用，由于难度大，很多同学存在畏难和厌学情绪。
二、构建“工程融合贯通”的电力系统分析教学体系
针对本课程的特点，在教学中引入工程元素，将工程理念贯穿于整个教学过程，重构课程体系和教学内容，“工程融合贯通”的电力系统分析教学体系如图2所示。
1.构建可视化“工程融合”电力系统分析软件教学平台
在“工程融合贯通”的思想指导下，经过多年不断的研究、开发、修改、补充、完善，形成了一套完整的工程融合教学平台。平台开发以工程实际为背景，能同时进行教学及工程体验与应用，应用实例既列举了典型实例（IEEE的标准系统），又给出了与实际工程相结合的工程范例，以使学生在学习过程接触到的就是生产实际中使用的，增加工程体验和工程应用经验，达到学以致用的效果。通过使用该平台教学，学生既可以加深对专业理论的进一步理解，又可以初步掌握应用专业知识解决实际工程的技能。这样一来，培养出来的学生就可以达到基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的培养目标。教学平台的主要特点如下。
（1）理论与教学及工程实践的紧密结合，即学生们在课堂使用的教学软件，就是他们今后工作中使用的软件，实现了教学与工程实践的无缝联接。为此，我们在平台设计上既考虑了本科教学的基本需要，又考虑了电力系统工程的实际情况。例如，电力系统计算中的标幺值与有名值的问题。在教科书中，通常使用标幺值，但作为工程实际应用，则以有名值更为常用。为此，我们既考虑了标幺值又考虑了有名值，以及标幺值与有名值的转换。由于两者并存，在满足教学需要的同时，又能够进行实际电力系统的分析计算，深受学生的欢迎。
（2）将可视化技术应用于电力系统分析计算，使原先枯燥无味的数值计算，变得十分形象有趣。例如，在电力系统潮流分析中，算法的收敛特性是一个十分难理解的概念。不同的算法具有不同的收敛特性，相同的算法不同的运行状态，收敛特性也不一样。但是在传统的教学中，学生仅从抽象的数学上是很难突破这一难点的。为此，我们专门设计了功率不平衡量图像表示窗口，以形象地反映出算法的收敛特性。改变运行参数，图像窗口就可以得到不同的收敛特性（图3）。由于图像对认识感官的冲击，同学们对收敛特性的直观认识和内在联系加深了。
（3）多功能的系统集成，使得电力系统的运行方式、潮流分析、网络等值、短路容量计算及比较、故障分析、保护整定及参数计算等，统一在一个用户界面，提高了数据的共享程度，融汇了与电力系统分析课程相关的其他课程内容，让学生深刻理解到该课程在电力系统中应用的广泛性和重要性。
（4）直接的工程体验。在传统的教学中，学生除了普遍反映课程难学以外，更重要是不知道学了有什么用，更不用说去思考如何用了。在该教学平台上，所学的知识直接反映到了工程应用上，并能让学生自己动手操作，让学生了解理论如何应用到工程上，并能体验理论应用的效果，提高了学生的学习兴趣和研究热情，进一步促进了对理论的理解。 2.工程应用
单纯的实验性或验证性的算例往往还不能激发学生强烈的探索欲望，也往往被学生认为是与现实脱节的，因此，教学改革的另一关键是工程实现，通过工程实现激发学生内在的原动力和自主学习的激情。我们将教学平台的部分成果转化为直接为电网多个生产部门服务的生产软件：（1）故障分析及整定计算，用于某调度中心进行指挥调度电力系统的电力生产。（2）电网的潮流分析及参数计算，用于某供电局进行指挥电力调度。以上几个成功的工程应用案例，对同学产生了强大的心理冲击，知道自己所学的知识将来有什么用，如何用，这大大激发了学生的学习兴趣。为同学自主学习、研究性学习打下了良好的基础。
3.工程实践与创新探索
在传统的教学过程，也有部分实践环节，如课程设计和毕业设计，但这些环节往往滞后于课程学习，同学们或已对课程学习的热情减退，或对学过的知识已有所遗忘，针对这样的情况，在同学们进行过工程应用和体验后，趁学生的学习兴趣和研究热情高涨的时候，采用开放的带工程背景的多样性设计内容，如系统等值、短路计算、潮流计算、安全分析、线路损耗等，学生可以根据自己的兴趣进行选择，也可以自创设计内容，尊重个性化的发展，挖掘学生创造潜能。培养学生主动学习，参与意识，更好地发挥学生学习的自主性、互动性和进行个性化教学。学生通过自主学习、应用创新，掌握隐含在问题或实例背后的知识，变“以教为主”为“以学为主”，变“灌输”为“启发”，变“苦学”为“乐学”，变“死学”为“创新”，激发学生的学习和研究热情，获得工程应用经验，提高学习成就感。
学生在此基础上有的编写了高技巧的算法，有的做出了应用Internet工具进行远程计算的电力系统潮流计算程序，有的研究基于云计算的电力系统潮流计算，甚至有学生对一些具体地区电网的网损进行了分析，提出了自己的整改意见，并得到电网相关单位的采纳。这些都体现了工程融合贯通教学所焕发的活力。
4.过程评价
对学生的学习情况考评，也是教学中的一个重要环节，直接影响了学生的学习态度，具有导向性。过程评价的理念是在学习中实施评价，在评价中促进学习。从过去的只注重考试结果的评价转移到关注学习过程的评价，关注教学过程中学生过程性结果，如解决现实问题的能力等，及时地对学生的学习质量水平做出判断，肯定成绩，找出问题，强调目标与过程并重，把课堂讨论、阶段性知识点总结、工程应用、设计能力与考试结果构建成一个1∶1综合测评体系，对学生的学习效果进行全面的考核，促进学生综合素质的全面发展，取得了较好的教学效果。
三、结语
以上是我们在工程融合贯通的教育思路指导下进行的电力系统分析课程教学改革的一些尝试，是一个将理论学习、工程体验、研究性学习的融合探索过程，课程教学中，体现出形象生动的CAI作用，同时结合工程实践的实例，学生从中学习和了解到工程应用的思路与方法，激励了学习的兴趣和研究的积极性。并通过同步实践设计环节，发挥同学自主学习、研究性学习的热情，激发创新潜能，使学生在学习过程中获得自信与成就感，同时教师在构建教学平台过程中同样经历了工程应用、成果转化的过程，提高了师资队伍的建设，并在与学生的互动创新中收获了课堂改革的乐趣和新成果，为强理论课程的课堂教学改革进行了有益的探索。
