郭壮志，薛鹏，徐其兴
(河南工程学院 电气信息工程学院，郑州 451191)
电力系统分析是电气工程及其自动化专业强电方向的核心必修课程。2014年，为落实《河南省人民政府关于加快发展现代职业教育的意见》《河南省现代职业教育体系建设规划(2014—2020 年)》的总体要求，河南省教育厅启动开展本科学校转型发展试点工作，河南工程学院成为应用技术型大学。为契合河南工程学院作为应用技术型大学培养具有夯实理论基础和强工程应用能力的高层次应用技术型人才需求，2017 年课程组开始探索教学内容、实践实训模式和教学方法等多方面的改革[1]，并通过课堂实践和学生闭环反馈的策略，循序渐进地进行教学模式逐步优化。经过4 年的课程教学改革与实践，电力系统分析课程组已形成一套系统的“案例法教学+虚拟化实践+实训”的教学模式[2]，达成了理论教学和工程应用的有机融合，不仅提升了课程教学的整体效果，且增强了学生学以致用的能力，强化了人才综合培养质量。为深入贯彻落实2019 年我国《关于深化新时代学校思想政治理论课改革创新的若干意见》，2020 年教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》，明确指出需将马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养融入工学类专业课程教学过程中，其给河南工程学院的电力系统分析课程教学过程提出了融入思政教育的新要求，新一轮的课程深化改革势在必行。采用何种方式在课堂教学过程中把工程伦理教育与专业知识教育有机融合，从而担负起学生专业素养提升和科技报国使命担当的双重任务，已成为思政教育背景下电力系统分析课程教学亟待解决的问题。
2020 年10 月课程组结合河南工程学院高层次应用技术型人才培养需求，深入探索思政背景下电力系统分析课程教学方法，基于马克思主义协作理论和课程教学改革前期成果，提出了教学过程融入课程间协作、师生协作及理论应用协作的协作式教学方法并将其应用于课堂教学，提高了学生学习的积极主动性、理论学习效果和学以致用的能力，培养了学生的协作精神，有效地将价值观引领、理论知识传授和专业能力贯穿于电力系统分析课程教学全过程，实现了德育与专业知识教育的有机融合。
在同一生产过程中，或在不同的但互相联系的生产过程中许多人集中在一起，有计划地协同劳动，被马克思称为协作，并在《资本论》中通过深入论证得出：协作不仅提高了个人生产力，而且创造了集体力，可显著提高工作效率。很显然，在日常工作和生活中若能基于马克思主义协作理论充分合理利用个体间的差异，通过个体之间协作实现优势互补，可以极大地提高预定目标达成效率；
同样，若能在教学过程中合理地应用马克思主义协作理论，将极大地提升教学效果。因此，国内学者很早已开始聚焦于基于马克思主义协作理论的教学探索，并将其应用于各种类型课程的课堂教学[3-5]，形成了丰富的理论和实践教学成果。
电力系统分析课程不仅是一门涉及物理、数学、电路、电力电子和电机等学科的多学科交叉课程，而且是理论和工程应用融合的课程。除了教师和学生间的协调会影响电力系统分析课程教学质量外，学科间的协调及理论与工程应用间的协调等都将直接关系到该课程教学目标的达成。然而，当前已有的协作教学方法主要是以教师和学生间的协作为切入点的互动式教学，即只考虑人与人之间的协作，对影响教学的其他关联要素考虑并不充分，虽然其能为电力系统分析课程的协作式教学提供一定的理论借鉴，但是并不能直接应用，需要在其教学中进一步拓展马克思主义协作理论中的协作要素，深入挖掘除人的因素外其他影响电力系统分析课程教学的关联要素，并探究教学过程中关联要素的有效协作方法。因此，本文所提出的电力系统分析课程协作式教学方法的基本内涵为尽可能利用一切影响教学目标达成的师生要素、课程要素和理论工程要素等，基于马克思主义协作理论，有计划地实现人的要素和非人要素间的互补协调融合，进而实现电力系统理论知识的化繁为简，提高学生学习的积极主动性，增强学生学以致用的能力，培养学生的协作精神，为达成具备科学精神和夯实专业知识的应用技术型人才培养目标服务。
电力系统分析课程作为河南工程学院应用技术型本科转型后电气工程及其自动化专业的首批应用技术型示范专业课，为契合复合型高级应用人才的培养需求，课程组从2017 年至今已进行了多轮次的教学改革，围绕着教学内容优化、教学方法变革、教学模式变革和理论与工程融合4 方面开展工作：①完善了教学内容。课程组修订了电力系统分析课程理论教学大纲，理论教学总课时增加56 课时，覆盖了稳态分析和暂态分析所涉及的核心知识点，教学内容得到极大优化，新的教学大纲已在2019 级以后的电气工程及其自动化专业开始实施。②革新了教学方法。课堂教学中围绕着工程应用主线，教学过程采用“启发式教学、探究式教学、讨论式教学”+“虚拟工程模拟教学”的“3+1”教学方法。③变革了教学模式。为提高理论课教学过程与工程应用的融合度，由传统的“直接理论讲授”为主的教师主动型教学模式转变为借助于数值仿真技术的“案例法”教学模式。④转变了理论与工程融合的模式。增加了面向数值仿真技术的电力系统课程设计环节，实践实训模式也由“校内实验+校内实训”的模式转变为“校内虚拟实践+校内外实训”的混合型教学模式。至今，围绕着理论与工程应用相融合的导向，课程组已构建了面向应用技术型大学且融入数字仿真技术的电力系统分析课程理论教学与工程应用教学体系，即理论教学过程力图体现理论知识的工程价值，以工程应用为导向进行理论知识的教学；
实践教学过程力图体现课程的理论价值，在实践教学中进一步深化理论课相关知识的学习，深化了学生理论学习效果，提升了学生学以致用的工程应用能力。
通过上述论述可以看出，在思政背景下当前电力系统分析课程教学面临的困境和主要问题是：当前教学的重点在于理论知识的传授和学生专业应用能力的提升，目标致力于应用技术型大学理论和应用深度融合的高级应用型人才培养，而对于课程教学过程中的思政元素考虑不充分，无法深度体现马克思主义立场观点方法的教育和科学精神培养间的有机结合，与思政背景下工科类专业课程的教学过程要体现立德树人和价值引领的要求缺乏强适应性。
本文的电力系统分析协作式教学是在拓展马克思主义协作理论基础上，为有效解决课程教学过程中的理论学习、工程能力培养和思政教育之间的融合协调关系而提出的一种拓展性协作教学，其显著特点为既突出夯实专业理论又注重工程应用和价值引领，契合于应用技术型大学的人才培养需求和思政教育新要求。课程组从2020 年开始，以教学关联要素耦合作用关系为视角，从课程教学大纲革新、教学模式转变、理论课教学方法优化和实践课教学方案变革4 个方面探索电力系统分析课程的协作式教学改革。
（一）协作式教学下的教学大纲革新
近两年，电力系统分析课程教学执行的是2019 版教学大纲，其是在应用技术型大学背景下为适应于高层次应用技术型人才培养需求而制订，重在突出电力系统理论知识的系统性及与工程应用间的融合性，而对课程的思政要素缺乏考虑，课程组于2020 年7 月启动新一轮教学大纲的修订工作，以契合于思政背景下要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中的新要求。为提出切合实际的教学大纲革新方案，课程组一方面对已学过该课程的大三和大四学生采用问卷调查和座谈会的形式，寻求学生视角下影响电力系统分析课程学习目标达成的关键因素；
另一方面通过教师座谈会的形式，集思广益，力图找出有效的将思政教育融入教学过程的方法。课程组对调研结果进行归纳、分析和总结，明确了电力系统分析课程的理论多学科交叉特性和理论工程融合特点是导致教师难教、学生难学及影响教学目标达成的深层次原因。因此，若将其他学科知识巧妙地融合于电力系统分析课程教学过程，通过多学科知识协作可起到将理论化繁为简和提升学生应用能力的作用。2020 年10 月课程组完整地提出以马克思主义协作理论为基础的电力系统分析课程协作式教学方案，完成了教学大纲的革新，除了在课程目的、课程任务、课程要求等部分融入了思政元素外，还明确了教师教学过程中的教学方法必须要潜移默化地体现融入协作元素，对于学生的考核也增加了协作元素的量化标准。简而言之，新的教学大纲充分考虑了教学过程中人的要素和非人要素的关联耦合关系，强调协作在教学过程中的应用，在知识传授的同时，可让学生树立协作意识，有利于学生把协作精神与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。
（二）协作式教学下的教学模式转变
自2016 年以来，电力系统分析课程虽然进行了多轮次的教学改革，但关注点主要是从教学内容和实践方式方面开展，对于教学模式尽管也作出了适当调整，但本质上一直采用的是课内教学为主导的知识模块化教学方式，其偏重于教学过程中教师的主体地位，对于影响教学达成的关联因素考虑不充分。围绕着提高学生学习参与度、协作意识和理论应用融合能力的目标，课程组依据新一轮教学大纲的协作式教学要求，采用逆向思维策略分析出教学目标达成所涉及的关联要素，从而将课程教学转变为融入协作因素的“课前+课内+课后”的3 阶段教学模式，而在每个阶段也同样融入协作的元素。课前模式实施的主要目的是提高学生教学参与度并掌握课程关联学科知识，且认识到学科知识协作在专业知识学习过程中的重要性；
课内模式的实施主要目的是将学科关联知识应用于课堂教学，深化学生理论学习效果，培养学生协作精神和教学课程参与度；
课后模块主要是通过理论和工程应用的融合，提升学生学习过程参与度和理论应用的融合能力。在课前阶段通过课程学科关联知识的学习，为后续课内讲授内容做好知识准备，为确保学生课前的学习效果，该过程采用线上互动模块，课程组依据教学内容将所需预备知识设计为“逐步解锁”方式，学生将按照所设计的知识顺序完成课前的预备知识学习和课内学习准备工作；
课内教学依据预备知识引入、学习内容的协作式学习和课内分组讨论的方式完成专业理论知识内容的学习；
课后基于工程案例的方式引导学生了解理论知识的工程应用，该过程仍然采用线上互动“逐步解锁”的方式。新的教学模式突出了协作在学习中的重要性，注重学生的参与性，重视学生学以致用能力和协作精神的培养。
（三）协作式教学模式下的理论课教学方法优化
2020 年电力系统分析课程教学引入基于工程实际的案例法教学模式，在一定程度上提升了学生理论和应用的融合能力，但是在理论讲授上还是依赖于复杂数学公式的推导，尽管在教学过程引入了讨论法、探究法、启发式法等综合教学方法，但因其前提还是以数学公式分析为前提进行，学生接受程度不高，影响了学生的学习积极性和教学效果的达成。课程组基于协作方式，以其他学科知识为基础，通过学科知识合理融合，提出教学过程融入课程间协作、师生协作及理论应用协作的协作式教学方法。例如：针对同步发电机三相短路电流计算相关内容，在进行暂态电抗和次暂态电抗的讲解时，常用方法是针对同步发电机的派克方程基于拉普拉斯变换的方法得出其数学表达式，但该推导过程非常复杂，学生普遍认为所涉及的数学方面知识多，内容抽象，不易接受。协作式教学模式下，课程组采取弱化公式推导和注重学科关联知识应用的方案，利用学生比较熟悉的电路课程中的戴维南等值原理，方便地得出暂态电抗和次暂态电抗解析表达，进一步给出相应的等值电路，最后通过引入磁链守恒原理进一步讨论暂态电抗和次暂态电抗潜在的物理过程、物理含义和工程意义。上述过程充分将电路课程知识辅助于电力系统分析课程教学，激发了学生学习时的自信心，并通过师生间的合作讨论与理论应用协作深化了学生对所学知识的理解。新的教学方法突出了学科协作的重要性，注重学生的参与性和协作精神的培养。
（四）协作式教学模式下的实践课教学方案变革
针对该课程，过去几年在借鉴国内其他高校经验的基础上，通过以下2 种途径开展实践课教学：第一，建立学校与企业联合的校外实践基地；
第二，建立基于硬件的电力系统模拟与仿真实验室。近几年的实践教学效果统计分析表明，通过双模式的实践课教学方案，对于培养学生的工程应用能力确实有显著促进作用。虽然通过校内实验平台，使学生对电力系统运行与控制有了一个初步了解，但是校内实验平台缺乏了工程中众多的运行环节和控制环节，和实际之间仍然存在较大差异，仅能对所讲授大部分内容理论上的正确性进行验证；
通过校外实践基地，只能从宏观上了解电力系统的基本结构和运行工况，但无法直接体现讲授理论与工程应用的融合。随着计算机技术的快速进步，基于数字仿真技术的教学方法的优势越来越明显：其仅需要通过开发或购置相应的教学软件即可实现，建设周期短、建设成本相对较低；
理论上可通过开发软件程序，实现数值计算的可视化，系统运行的可视化；
开发出学生具有可操作性的界面；
依据工程实际构建相关模型；
能够直接课堂演示也可用于课程实践教学等。因此，为进一步提升实践课的达成效果，课程组瞄准数字仿真技术在教学中的优势，2020 年将Power－World 电力系统数值仿真软件引入到电力系统课程设计当中，PowerWorld 软件庞大、灵活的功能和互动、细腻的三维可视化技术，利用人的图形感知能力，用图形表达电力系统信息，提高对电力系统运行状态的理解。基于PowerWorld 电力系统数值仿真软件，通过教师和学生间分工合作的形式开展学生角色转换模式的分组教学，基于实际的工程案例，利用PowerWorld 实现工程问题的设计、理论教学问题的融入及理论问题与工程应用的融合。当前，原有的“校内实验+校内实训”为主的实践教学模式已经转变为“基于PowerWorld 和工程案例的校内虚拟实践+校内外实训”的混合型教学实践模式，充分体现“教、学、做、用”的统一，进一步提升了学生的理论与工程应用的融合度，培养了学生的参与度、协作理念和团队精神。
为契合河南工程学院高层次应用技术型人才的培养需求，并满足思政背景下工科类专业课程教学要承担立德树人和价值引领任务的新要求，针对电气工程及其自动化专业特点，通过教学过程融入马克思主义协作理论，积极深入探索融合课程间协作、师生协作及理论应用协作的电力系统分析课程协作式教学新方法，并将其应用于课堂教学。实践表明，通过将教学关联要素间的协作合理地应用于教学全过程，激发了学生学习的积极主动性，深化了理论学习效果，进一步增强了学以致用的能力，而且让学生意识到了协作的重要作用，培养了学生的协作理念和团队协作精神，提升了人才的综合培养质量，为思政背景下电气工程类其他强电专业课程课堂教学改革提供了有益借鉴。
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