递进式综合能力培养的实验教学研究_邓丰强.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-09-13;修回日期:2022-04-19基金项目:广东省高等教育教学改革项目(C9233013);华南理工大学探索性实验项目(C9226480);教育部产学合作协同育人项目(20210077);华南理工大学新工科研究与实践教研教改项目(C9203011)第一作者:邓丰强(1986)，男，硕士，实验师，主要从事电气工程及其自动化的教学与研究工作，E-mail:epfqdeng scut edu cn递进式综合能力培养的实验教学研究邓丰强1王智东1，2杨玲1乡乐津1李龙霄1吴锐冰1(1 华南理工大学 电力学院，广州 510641)(2 华南理工大学广州学院 电气工程学院，广州 510800)摘要:新工科背景下，高校本科教学越来越重视学生的创新能力培养，以电气工程专业实验教学为例，研究创新能力培养的实验教学方法;并以电力系统综合实验为例，充分利用现有实验设备，研究构建实验教学系统;提出以生为本的递进式实验项目内容设计，引导和培养学生的创新能力。研究充分考虑到创新型人才培养和实验教学方法的普遍性与推广性，对其他学科和专业具有广泛的借鉴意义。关键词:电气工程;创新能力培养;实验教学;电力系统中图分类号:文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0180-04Experimental Teaching esearch of Progressive Comprehensive Ability TrainingDENG Fengqiang1WANG Zhidong1，2YANG Ling1XIANG Lejin1LI Longxiao1WU uibing1(1 College of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)(2 School of Electrical Engineering，Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou 510800，China)Abstract:Under the background of new engineering，the undergraduate teaching in universities pays more and more attention tothe cultivation of students innovative ability This paper takes the experimental teaching of electrical engineering as an example tostudy the experimental teaching methods for the cultivation of innovative ability;and takes the comprehensive experiment of pow-er system as an example，makes full use of the existing experimental equipment，researches and constructs the experimental teach-ing platform This paper puts forward the students-centered content design of progressive experimental，guiding and cultivatingstudents innovation ability In this paper，the universality and popularization of innovative personnel training and experimentalteaching methods are fully considered，which can be widely used for reference for other disciplines and majorsKeywords:electrical engineering;innovative ability training;experimental teaching;power system实验教学是重要教学环节，尤其对理工类高校，其对培养学生的实践动手能力、分析和解决问题的能力起着十分重要的作用1。此外，专业综合实验课程对学生综合运用理论知识和专业技能的培养以及不断提升创新、创造能力十分重要2。近年来，新工科背景下，各高校不断强化和提升实验教学的方式方法。华南理工大学向来重视实验教学，在各专业本科教学中均开设了相应配套的实验课程，形成了相对成熟的实验教学体系。以电力学院电气工程及其自动化专业为例，开设的本科专业类实验课程有:“电力电子综合实验”3“电机实验”“继电保护原理实验”4“高电压技术实验”“电力系统自动装置实验”和“电力系统综合实验”5 等。传统的实验教学过程中，由于实验设备、实验教学课时、教学计划等因素，学生学习的兴趣和主动性不够，实验教学往往比较偏重对学生实际操作能力的培养，而对学生的设计实验和创新能力的培养不足，走马观花式的教学方法难以让学生深入领会实验的本质，从而达不到理想的教学目的，使实验教学成为高校创新人才培养路上的一大短板。当前实验教学普遍存在以下几个问题:传统的“教 学”二元式实验教学形成使学生的主体地位缺失6，导致学生积极性较低且对学生实践创新能力的培养不利;实验教学课程总体内容过于分散，且系统性规划不足，有些实验存在内容再现的现象;个别实验课程因课时和教学计划等因素，课程上课时间十分集中，从而造成师生疲于应付课程进度;由于设备经费审批和更新换代周期等因素，实验教学设备台套数不足、技术性相对学科发展存在滞后，使得实验教学与专业理论教学存在一定程度的脱节。总的来说，当前实验教学最大的不足是缺乏以学生为中心的设计性、创新性实验内容和方法、人才培养的创新性不足7。1递进式实验教学方法针对当前实验教学普遍存在的问题，本文以电气工程专业实验教学为例，当前主要还是沿袭传统的课程实验和独立实验两种类型，实验教学普遍存在验证性实验居多，受限于实验教学体系、实验教学方式方法和实验设备平台等因素，学生在整个实验教学中主体地位缺失，创新能力培养效果欠佳，如图 1 所示。图 1当前专业实验教学现状围绕着本科教学培养适应经济社会发展需要的“三创型”8(创新、创造、创业)人才的目标，以电气工程专业的“电力系统综合实验”课程为例，课程为独立设课的必修课，目前共开设了 8 项实验，分别为:发电机组的基本操作、发电机有功及无功调节、同步发电机静态安全运行极限的测定、电力系统静态稳定实验、电力系统暂态稳定实验、同步发电机进相运行实验、发电机失磁实验和电力系统故障分析。实验项目多数属于综合认知性实验和综合原理性实验，主要是对仪器设备的认知、专业理论知识的综合验证，综合设计性欠缺，创新性不足，本文将从实验教学内容的设计开展递进式创新能力培养的本科实验教学研究，如图 2 所示，在保证本实验教学具有先进创新性人才培养的学科特点基础上，努力使本文的研究方法和结论对其他学科也有借鉴意义9。2递进式实验教学系统实验教学实验设备的更新或新增一般比较漫长、资金经费受限，因此，为保证实验教学新方法的图 2创新能力培养的实验教学顺利实施，实验教学系统的搭建通常以当前实验教学设备为基础，创造性地搭建或改造实验教学设备或平台，达到实验教学目的和效果的同时也促进实验教学系统的研发，实验教学研究与实验教学系统的搭建和研发相辅相成10。针对“电力系统综合实验”等课程，目前我院建设了电力系统综合实验室，并购置了 7 套 WDT C 型电力系统综合自动化实验台(下称自动化实验台)和 2 套 PS 7G 型电力系统微机监控试验台(下称监控试验台)及相关配套附件，由于教学大纲等方面的原因，目前的实验内容主要在 7 套自动化实验台上进行，而 2 套监控试验台并未得到充分利用和开发。因此，充分利用已有的实验教学设备，搭建和改造实验教学系统，引导学生结合学科前沿技术与热点问题，进行综合设计性、创新研究性实验，是实验教学培养“三创”人才的关键。本研究在现有电力系统综合实验室的设备基础上，结合电力系统综合实验特点，深入挖掘电气工程专业的发展方向，在最大限度地发挥现有设备的功能、不需或只需添加少量设备的情况下，构建相应实验教学系统，如图 3 所示。图 3递进式电力系统综合实验教学系统监控试验台是一个高度自动化的建立在自动化实验台的基础之上，可将多套自动化实验台联接181第 3 期邓丰强，等:递进式综合能力培养的实验教学研究成一个多机互联的现代电力系统。如图 3 所示，所构建的实验教学系统最多可将 7 套自动化实验台联接为一个多机互联的现代电力实验系统，但为了充分利用 2 套监控试验台和同时容纳更多学生实验，本研究构建 2 套多机互联的现代电力实验系统，具体为 2 套监控试验台分别与 3 套自动化实验台和 4 套自动化实验台联接。该实验教学系统具有如下特点:(1)可用计算和分析的可变系统且多机环型，它将多个单机 无穷大系统互联以便数据综合对比和分析，同时能进行电力系统调度自动化的操作和处理。(2)可全景反映电能的生产、传输、分配和使用的全过程。学生可利用该实验平台进行自主式创新实验，如单机带负荷实验、多机并列实验、多机并网实验等，此外，还可以进行课程设计、毕业设计的实验平台，便于学生自主设计和创新能力提升。3递进式实验教学实施3 1实验内容多样化为确保实验教学不滞后于学科发展，实验教学内容应不断培养学生的创新能力且保持学科技术的先进性11。因此，如何将庞大而前沿的学科技术进行提炼和转化为实验教学内容，需要把握好学科技术的特点，将抽象问题具体化、实例化，使学生容易理解和接受，并以此为基础进行创新实验内容的设计。以电气工程专业的电力系统综合实验课程为例，电力系统综合实验在理论课程全部结束之后才开设，其涵盖了多门理论课程的知识，诸如:“电力系统分析原理”“电力电子”等课程内容，起点较高，需要整合多门课程内容、多个知识点;理论课程知识点较为抽象，对其直观化处理;电力系统继电保护功能逻辑复杂，微机自并励和它励扑朔迷离，提炼实验教学内容以便所有学生适用十分重要。因此，探索突破传统实验课程依赖理论课程的内容模式，将电气工程专业多门理论课程知识进行分析和归纳，遵循实验内容精简而深入的原则，将相同或相近的不同课程知识进行综合，提炼成不同的实验项目内容，更好地适应本科实验教学的创新能力培养。不同学习阶段和不同水平阶段的学生均可以根据自己的情况，参加电力系统综合实验，从发电机启动、励磁建压、并网解列等综合认知性实验和综合原理性实验，到自行设计和搭建多机互联的电力系统综合实验平台进行综合设计性和创新研究性实验12，实现对课程知识原理的理解到实验模型的搭建，进而实验现象和结论的分析等创新性实验，形成循序渐进的学习过程。3 2递进式实验项目为了使实验课程适应不同层次的学生，实验项目的设计应遵循基础到综合、简单到复杂、基础验证性到自主创新性的原则。本研究将电力系统综合实验项目分为综合认知性、综合原理性、综合设计性和创新研究性等四种类型，形成以学生为主体的创新能力培养的递进式实验教学。目前我院电力系统综合实验共开设 8 项实验，在保证现有课时不变的基础上，保留必要的综合认知性实验，使学生熟悉实验台的操作和相关专业课程原理，同时充分利用 2 套微机监控试验台与 7 套自动化实验台结合搭建多机互联的类似现代电力系统的电力系统综合实验平台，