湖南工學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 何 西 董 恒 劉柏伸 陳孟娜 陳汝佳 肖康松

工科專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生要能夠解決復(fù)雜問題，因此需要有很強(qiáng)的溝通和解決問題的技能，然而如今的工科畢業(yè)生缺乏這些技能，無法有效應(yīng)用其本科階段學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識(shí)。其中一個(gè)重要的原因就在于傳統(tǒng)的“填鴨式”授課方式（教師在臺(tái)上講，學(xué)生在下面聽）使學(xué)習(xí)成為外在激勵(lì)而不是內(nèi)在激勵(lì)，學(xué)生興趣不高，接受度不理想，即便是學(xué)生當(dāng)時(shí)記住了這些知識(shí)點(diǎn)，由于沒有經(jīng)過自己的思考和動(dòng)手，時(shí)間一長(zhǎng)很快就忘掉了。一般來說，工程教育的傳統(tǒng)授課方法是演繹式的，即從理論開始，向應(yīng)用發(fā)展，但沒有討論為什么要建立數(shù)學(xué)模型或者對(duì)于數(shù)學(xué)模型的本質(zhì)沒有清晰的認(rèn)知，嚴(yán)格來講這種教學(xué)方法是不合格的，因?yàn)橹R(shí)沒有建立在理解和實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，而僅僅是對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的背誦和記憶。這種傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境過于抽象和枯燥，讓學(xué)生有一種無聊感和缺乏動(dòng)力的感覺。因此，許多教育學(xué)專業(yè)提倡經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)生活相結(jié)合，以現(xiàn)實(shí)生活中的問題為導(dǎo)向激勵(lì)和培養(yǎng)學(xué)生。

工程教育的主要目標(biāo)之一是培養(yǎng)基礎(chǔ)廣、靈活的人才，培養(yǎng)學(xué)生綜合思考、解決問題的能力。在工程學(xué)中，基于問題的學(xué)習(xí)是一種自然的學(xué)習(xí)方式，因?yàn)樗С职l(fā)展學(xué)生解決不明確問題的能力，增加批判性思維，并擴(kuò)大學(xué)生的溝通技能。此外，基于問題的學(xué)習(xí)方式可以為學(xué)生提供終身學(xué)習(xí)所需要的技能，使得學(xué)生能夠有效并且有效率地獲得所需的新技能和新知識(shí)。

一、問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)在電氣工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

我們?cè)?019年下半年對(duì)本校電氣工程專業(yè)16級(jí)專升本四個(gè)班進(jìn)行了試驗(yàn)，其中對(duì)1601和1602班共81名學(xué)生開展問題導(dǎo)向式教學(xué)，對(duì)1603和1604班共85名學(xué)生按照原來的講授式方法進(jìn)行教學(xué)，在期末對(duì)學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行對(duì)比。本次試驗(yàn)選擇的是電氣工程專業(yè)中應(yīng)用和綜合性較強(qiáng)的“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程，此課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)非常重要的專業(yè)課程，是對(duì)前期基礎(chǔ)專業(yè)課程更深層次的延伸。在學(xué)習(xí)了“電路基礎(chǔ)”“電機(jī)學(xué)”“電力系統(tǒng)分析”和“自動(dòng)控制原理”等相關(guān)理論基礎(chǔ)課之后，通過本課程的學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化部分有基礎(chǔ)的了解和全面的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行背后的一系列自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能和原理有更進(jìn)一步的理解，為學(xué)生以后從事電氣工程專業(yè)類工作奠定基礎(chǔ)。本課程重視基本概念、基本原理的講解，且與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，通過實(shí)驗(yàn)仿真訓(xùn)練加深學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)過程的了解。通過本課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生：（1）掌握電氣工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，具有分析和解決復(fù)雜電氣工程問題的初步能力；（2）具備對(duì)分解后的復(fù)雜電氣工程問題進(jìn)行表達(dá)和建模的能力；（3）具有終身學(xué)習(xí)的知識(shí)基礎(chǔ)，掌握自主學(xué)習(xí)的方法，了解拓展知識(shí)和能力的途徑。本課程教學(xué)內(nèi)容大致可分為四個(gè)部分，基于問題啟發(fā)式教學(xué)模式設(shè)計(jì)如下。

（一）發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列

此章節(jié)內(nèi)容包括準(zhǔn)同期并列的基本原理、線性整步電壓、恒定越前時(shí)間、滑差檢測(cè)、電壓差檢測(cè)、合閘信號(hào)控制邏輯、頻差控制方法、數(shù)字式并列裝置等。在基于問題啟發(fā)式教學(xué)模式中，我們提出一個(gè)實(shí)際的場(chǎng)景，即在發(fā)電機(jī)檢修之后需要并入電網(wǎng)，在實(shí)際的操作過程當(dāng)中需要注意哪些電氣量？各個(gè)電氣量需要滿足什么條件？在章節(jié)講解結(jié)束之后，給學(xué)生布置任務(wù)：通過查閱相關(guān)資料并結(jié)合所學(xué)的單片機(jī)或PLC知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)電路圖實(shí)現(xiàn)數(shù)字式并列裝置。此裝置需要能夠判斷電壓幅值、相角以及頻率，還需要對(duì)不滿足要求的值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（二）同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)

此章節(jié)內(nèi)容包括勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成、同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定性、勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求、直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁系統(tǒng)組成，勵(lì)磁控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與電力系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)系、勵(lì)磁控制系統(tǒng)的仿真等。在基于問題啟發(fā)式教學(xué)模式中，我們首先從勵(lì)磁控制系統(tǒng)的模仿開始，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)基于Matlab的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），此PSS需要滿足一定的參數(shù)，學(xué)生在仿真模型搭建的過程中可以參考書本和網(wǎng)上的資料，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生。通過仿真步驟的深入，逐步對(duì)原來書本上的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。

（三）電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)

此章節(jié)內(nèi)容包括負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)、發(fā)電機(jī)組的功頻特性、電力系統(tǒng)頻率特性、控制調(diào)頻器的信號(hào)分類、電力系統(tǒng)頻率和有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)、經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配、系統(tǒng)頻率的事故限額、動(dòng)態(tài)特性、低頻減載的原理、最佳斷開功率、功率頻率控制系統(tǒng)等。與第二章類似，在基于問題啟發(fā)式教學(xué)模式中，我們首先利用Simulink搭建自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC），此AGC需要滿足一定的參數(shù)，學(xué)生在仿真模型搭建的過程中可以參考書本和網(wǎng)上的資料，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生。通過仿真步驟的深入，逐步對(duì)原來書本上的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。

（四）電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功功率控制技術(shù)

此章節(jié)內(nèi)容包括電壓控制、無功平衡、無功功率電源分類、控制和調(diào)整負(fù)荷點(diǎn)的電壓控制方式、電壓綜合控制方法、無功功率電源最優(yōu)控制方法。在基于問題啟發(fā)式教學(xué)模式中，我們首先提出問題：“什么是無功功率？”這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題其實(shí)很多學(xué)生并不能夠清楚地回答，我們通過視頻和PPT對(duì)無功功率的本質(zhì)進(jìn)行解釋。接著提出問題：“無功平衡與電壓的關(guān)系？國(guó)標(biāo)允許各類用戶的電壓偏移？控制變壓器變比調(diào)壓要注意什么事項(xiàng)？怎樣結(jié)合不同電壓控制措施達(dá)到綜合控制？布局合理無功功率電源最優(yōu)控制方法？變壓器分接頭的選擇方法？”通過問題導(dǎo)向，循循善誘，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地理解問題的本質(zhì)。

二、效果評(píng)價(jià)

由于此門課為考查課程，評(píng)價(jià)等級(jí)分為“優(yōu)秀”“良好”“中等”“及格”和“不及格”。在學(xué)期末的考查中發(fā)現(xiàn)基于問題導(dǎo)向式教學(xué)模式的學(xué)生得到“優(yōu)秀”和“良好”等級(jí)的比例要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的基于講授式教學(xué)模式的學(xué)生，但是對(duì)于學(xué)習(xí)積極性不高的學(xué)生來說效果并不明顯，兩種模式不及格率相當(dāng)，獲得“及格”的人數(shù)也相當(dāng)。由此可見，問題導(dǎo)向式教學(xué)方法可以將部分原本“中等”的學(xué)生提升至“良好”，將部分“良好”的學(xué)生提升至“優(yōu)秀”。值得注意的是，我們對(duì)學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)定方式并不以閉卷考試成績(jī)?yōu)橹?，而是采取?xiàng)目設(shè)計(jì)的考查方式，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)系統(tǒng)，重點(diǎn)考查學(xué)生解決問題的能力。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式過于抽象和單調(diào)，讓學(xué)生覺得枯燥無聊且缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力，基于問題的教學(xué)模式可以培養(yǎng)學(xué)生解決不明確問題的能力，增加批判性思維，并擴(kuò)大學(xué)生的溝通技能。此外，基于問題的學(xué)習(xí)方式可以為學(xué)生提供終身學(xué)習(xí)所需要的技能，使得學(xué)生能夠有效并且有效率地獲得所需的新技能和新知識(shí)。