教育教学论坛_2022年2期

雷晓辉 龙岩 柴蓓蓓

[关键词] 新工科；水电站；教学目标；立体化教学内容

[基金项目] 2020年度河北省教育厅教改项目“新工科背景下的‘虚实结合’教学模式探索与实践”（2020GJJG185）

[作者简介] 雷晓辉（1974—），男，陕西澄城人，博士，河北工程大学水利水电学院教授级高级工程师，主要从事水系统调度研究；龙 岩（1989—），女，河北保定人，博士，河北工程大学水利水电学院讲师（通信作者），主要从事水力优化调度研究。

[中图分类号] C229.29 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）02-0114-04 [收稿日期] 2021-04-30

引言

随着我国经济的快速发展，传统产业的转型升级，工程教育受到世界各国的高度重视。目前，我国推动创新驱动发展，实施“一带一路”倡议，落实“中国制造2025”“互联网+”等[1]。以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求，对学生的综合素质有了更高标准，改革创新现有工程教育是目前我国面临的重大挑战，工科专业面临新机遇、新挑战，使得新工科建设成为当务之急和长远之策[2-4]。2017年发布的“复旦共识”明确指出，加快建设和发展新工科，一方面要主动设置和发展一批新兴工科专业，另一方面要推动现有工科专业的改革创新[5]。这说明新工科的建设既包括那些瞄准战略性新兴产业设置的新专业，也包括对现有工科专业的改造升级[6，7]。但是目前教育模式使学生对专业知识缺乏深刻理解，解决复杂工程和重大工程问题的能力不足，无法满足未来工程发展的新需求。随着虚拟现实、数值计算云计算、大数据等技术日臻成熟，针对那些高危型、高能耗、不可及、不可逆的操作，可采用虚拟实验进行，既解决实际实验困难、实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，又是培养新工科“智能+专业”科学思维模式重要示范。

一、“水电站”课程存在的问题

“水电站”是一门综合性强、涉及知识面广的必修专业课。在教学过程中存在诸多教学问题，使学生对专业知识缺乏深刻理解，解决复杂工程问题时的能力不足，无法满足未来工程行业发展的新需求。水电站教学团队通过不断学习和摸索，改变传统的“注入式”教学方法，代之以“突出以学生为中心，关注产出实效”的新型教学模式，有效解决教学中以下痛点问题。

（1）水电站由输水系统、厂房、水力发电机3大部分组成，结构复杂、设备众多，单纯依靠教材不容易讲清楚，学生也很难认识准确（；2）水电站引水系统设计、水轮机选型都存在大量的水力计算工作，传统的手工计算烦琐且容易出错，而且已经很难跟上计算机辅助设计的需要（；3）传统的水电站虚拟仿真平台，只停留在认识实现层面，缺乏水力学计算仿真的“大脑”环节，很难让学生直观的理解水电站设计和运行的关键知识点。（4）解决了教师照本宣科、学生被动接收，课堂教学以单向的知识传递为主、交流互动严重不足、难以真正教学相长的问题。

二、多层次教学目标

基于上述痛点问题，教学团队认为首先要从教学目标上进行完善，把新工科的改革与学生的需求融合在一起，从“认知、技能、素养”三方面，构建以问题导向为主线的立体化、多层次、多形式的课程教学目标（图1）。

（一）认知培养

融合多个版本的《水电站》现有相关教材与《水工设计手册》《水力机械》等多个参考书，并结合团队长期承担的相关科研经历，形成大工程、智慧化特色的“水电站”教学内容，培养学生掌握水电站相关基本概念和理论。

大工程特色主要体现在以三峡、龙羊峡、锦屏等典型大型水电工程为案例，介绍水轮机、引水系统、水电站厂房等相关知识点。

智慧化特色主要体现在经典水电站课程相关知识点讲解过程中，结合团队承担的智慧调度相关的科研项目，介绍本学科的在智慧化方面的最新进展，特别是以物联网、大数据、云计算、数字孪生、5G等智慧化新技术在水电站规划、设计、施工和运行管理中的应用现状及前景。

（二）技能培养

围绕“水电站”课程的三大知识点：水轮机、引水系统和水电站厂房，通过针对性设置课后作业、课程设计和毕业设计，培养学生能够根据工程特点，进行水轮机选型、输水建筑物设计、厂房布置设计方面的专业技能，让学生掌握水电站设计的基本方法。

（三）素养培养

通过课堂开放式讨论、课程设计创新比赛等方式，引入基于Excel的VBA编程和虚拟仿真教学实验平台，培养学生运用相关知识，对水电站规划、设计和运行中的复杂问题进行分析与优化、比较与综合的能力；并结合社会实践、科技创新等形式，拓展实践情景，塑造德、善、勤、技、新的五全工程人。

三、立体化教学内容

教学内容着眼于学情分析，对象分析。根据知识点分布，将教学内容分为三个阶段：（1）水电站基本理论；（2）水电站规划设计与运行相关技能；（3）水电站复杂问题解决。从思想政治融合、工匠精神培养、紧跟前沿三层次丰富和深化教学内容。

习近平总书记强调，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[8]。教育部2020年发布的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出“建设高水平人才培养体系，必须将思想政治工作体系贯通其中，必须抓好课程思政建设，解决好专业教育和思想政治教育‘两张皮’问题”。教学团队牢记“生态优先、绿色发展”，情系中国水电，以讲好“精工铸新”智慧水电故事，培养“崇德尚善”新时代工程人为建设目标，构建包含“发展历史、典型工程、工程事故、科学人物”四大模块的思想政治案例库，利用自主研发的虚拟仿真平台，从价值、情感、认知、技能、行动五维度融入思想政治元素，优化内容供给，培养崇德尚善美德，传承科学家与工匠精神，增強中国水电“大国重器”之家国情怀与民族自豪感，强化“自主研发、精工铸新”意识。并结合社会实践、科技创新等形式，拓展实践情景，塑造德、善、勤、技、新的五全工程人。

（一）水电站基础理论阶段

传统“水电站”教学中，教材是学生的唯一学习内容，是学生知识的主要来源，一旦所学教材老旧，知识点及案例落后，就会导致学生跟不上时代的步伐，不符合新工科的培养要求。基于此，教学团队在教科书基本知识点教学的基础上，向学生系统介绍我国和世界水电发展的现状及未来，特别是重点介绍我国以三峡工程为首的5座巨型水电站的装机规模位居全球水电前10名。“十四五”期间，国家启动了雅鲁藏布江大拐弯的水电开发战略，在这个区域要建设3个三峡工程规模的水电站群。从而让学生了解我国水电建设、运行和管理走在世界前列，而且未来我国的水电开发是大有可为的。此外，介绍已经实施多年的中国水电“走出去”战略，我们国家水电建设大军沿着“一带一路”已经走遍世界各地，成为全球水电开发的主力军，让学生了解水电开发在世界也是大有可为，从而树立学生的专业自信和家国情怀。

（二）水电站规划设计与运行相关技能阶段

传统的“水电站”教学中，关于水电站规划设计及运行相关知识方面的讲解，主要是注入式、满堂灌，只研究教师如何“教”，忽略了学生如何“学”，学生对知识的理解和应用能力欠佳；基于此，教学团队通过深度解析典型水电站事故成因，深化课程学习中水锤、调保、调度、保护等相关知识点，提升学生分析问题的综合能力，并开阔学生的知识面。例如典型水电站事故选取萨彦—舒申斯克水电站（640万千瓦装机，是俄罗斯第一大水电站），该电站于2009年8月17日在维修过程中变压器发生爆炸，水淹厂房、机毁人亡，这起事故造成75人死亡、13人受伤，经济损失17亿元。以开放式教学方式和学生一起分析和讨论事故成因，包括恐怖袭击说、压力钢管爆裂说、变压器爆炸说、设备老化说、调度失误说和保护系统失效说等多种说法。由于事故成因涉及水电站的方方面面，从而让学生能够把“水电站”课程中学到的知识点以及其他课程相关知识点，在事故成因分析和讨论过程中融会贯通，并培养学生深入分析问题的兴趣和能力，同时可以大幅度开阔学生的知识面。

（三）水电站复杂问题解决阶段

传统的“水电站”教学中，学生对知识的掌握主要是靠死记硬背，学生的学习性不高，同时对专业知识缺乏深刻理解，解决复杂工程和重大工程问题时的能力不足，无法满足未来工程发展的新需求；基于此，教学团队与真实设计工作接轨，在课程设计中引入最新设计规范，作为参数选取的依据，并介绍人工智能+水电建设运行的最新进展，激发学生学习热情。以水电站调节保证计算课程设计为例，让学生熟悉最新颁布的《水电站调节保证设计导则》（NB/T 10342-2019），并以其为依据设置水电站调节保证计算中最大压力、最小压力和水轮机转速的阈值。从而可以培养学生解决实际工程问题的能力，学生毕业后可以游刃有余的迎接实际工程设计、施工和管理工作的挑战。随着人工智能时代的到来，各种智慧技术都已经深度融合到水电站的规划、设计、施工和运行管理各个环节，通过给学生介绍人工智能赋能水电站建设运行的最新进展，培养学生学习热情，并提升学生运用人工智能的最新成果解决水电站相关问题的能力。

结语

基于问题导向、突出学生中心、关注产出实效的立体化教学内容设计，既保证“水电站”课程教学目标的达成，又保证相关教育活动的针对性、亲和力、时代性、感染力的增强。本成果将问题导向、学习产出的理念与智慧教学理念相结合并加以实践。

1.在水电站基础理论部分，教学内容融合大工程特色、智慧化特色，树立专业自信和家国情怀。引入三峡等大型水电工程，讲解水轮机、引水系统、水电站厂房等相关知识点和“智慧+水电”应用现状及前景。通过介绍我国水电开发国际领先现状和沿“一带一路”“走出去”大有可为的战略发展前景，使学生树立专业自信和家国情怀。

2.在水电站规划设计与运行技能部分，以萨彦—舒申斯克典型水电站事故为例，以开放式教学方式和学生一起深度解析典型事故成因，深化课程学习中水锤、调保、调度、保护等相关知识点，开阔国际视野，提升学生分析问题的高阶思维能力和解决复杂问题的综合能力。

3.在水电站复杂问题解决部分，与真实设计工作接轨，在课程设计中引入最新设计规范，锻炼提升学生解决实际工程问题的能力。介绍多重智慧技术深度融合到水电站的规划、设计、施工和运行管理各个环节，结合人工智能赋能水电站建设运行的最新进展，激发学生学习兴趣与热情，提升学生运用人工智能的最新研究成果解决水电站综合性复杂问题的高阶能力。