问题导向式教学在电气工程专业培养中的应用与效果评价

湖南工学院电气与信息工程学院 何 西 董 恒 刘柏伸 陈孟娜 陈汝佳 肖康松

工科专业培养的学生要能够解决复杂问题，因此需要有很强的沟通和解决问题的技能，然而如今的工科毕业生缺乏这些技能，无法有效应用其本科阶段学习到的基础知识。其中一个重要的原因就在于传统的“填鸭式”授课方式（教师在台上讲，学生在下面听）使学习成为外在激励而不是内在激励，学生兴趣不高，接受度不理想，即便是学生当时记住了这些知识点，由于没有经过自己的思考和动手，时间一长很快就忘掉了。一般来说，工程教育的传统授课方法是演绎式的，即从理论开始，向应用发展，但没有讨论为什么要建立数学模型或者对于数学模型的本质没有清晰的认知，严格来讲这种教学方法是不合格的，因为知识没有建立在理解和实践的基础之上，而仅仅是对于知识点的背诵和记忆。这种传统的学习环境过于抽象和枯燥，让学生有一种无聊感和缺乏动力的感觉。因此，许多教育学专业提倡经验与现实生活相结合，以现实生活中的问题为导向激励和培养学生。

工程教育的主要目标之一是培养基础广、灵活的人才，培养学生综合思考、解决问题的能力。在工程学中，基于问题的学习是一种自然的学习方式，因为它支持发展学生解决不明确问题的能力，增加批判性思维，并扩大学生的沟通技能。此外，基于问题的学习方式可以为学生提供终身学习所需要的技能，使得学生能够有效并且有效率地获得所需的新技能和新知识。

一、问题导向式学习在电气工程专业教学中的应用

我们在2019年下半年对本校电气工程专业16级专升本四个班进行了试验，其中对1601和1602班共81名学生开展问题导向式教学，对1603和1604班共85名学生按照原来的讲授式方法进行教学，在期末对学生的成绩进行对比。本次试验选择的是电气工程专业中应用和综合性较强的“电力系统自动化”课程，此课程是电气工程及其自动化专业非常重要的专业课程，是对前期基础专业课程更深层次的延伸。在学习了“电路基础”“电机学”“电力系统分析”和“自动控制原理”等相关理论基础课之后，通过本课程的学习能够使学生对整个电力系统网络自动化部分有基础的了解和全面的认识，并且对电力系统稳定运行背后的一系列自动调节系统的功能和原理有更进一步的理解，为学生以后从事电气工程专业类工作奠定基础。本课程重视基本概念、基本原理的讲解，且与工程实际联系紧密，通过实验仿真训练加深学生对电力系统自动化实现过程的了解。通过本课程学习，培养学生：（1）掌握电气工程专业基础知识，具有分析和解决复杂电气工程问题的初步能力；（2）具备对分解后的复杂电气工程问题进行表达和建模的能力；（3）具有终身学习的知识基础，掌握自主学习的方法，了解拓展知识和能力的途径。本课程教学内容大致可分为四个部分，基于问题启发式教学模式设计如下。

（一）发电机的自动并列

此章节内容包括准同期并列的基本原理、线性整步电压、恒定越前时间、滑差检测、电压差检测、合闸信号控制逻辑、频差控制方法、数字式并列装置等。在基于问题启发式教学模式中，我们提出一个实际的场景，即在发电机检修之后需要并入电网，在实际的操作过程当中需要注意哪些电气量？各个电气量需要满足什么条件？在章节讲解结束之后，给学生布置任务：通过查阅相关资料并结合所学的单片机或PLC知识设计一个电路图实现数字式并列装置。此装置需要能够判断电压幅值、相角以及频率，还需要对不满足要求的值进行自动调节。

（二）同步发电机励磁自动控制系统

此章节内容包括励磁自动控制系统构成、同步发电机并联稳定性、励磁系统的基本要求、直流励磁、交流励磁系统组成，励磁控制系统传递函数的建立、励磁调节器与电力系统稳定的关系、励磁控制系统的仿真等。在基于问题启发式教学模式中，我们首先从励磁控制系统的模仿开始，要求学生设计一个基于Matlab的电力系统稳定器（PSS），此PSS需要满足一定的参数，学生在仿真模型搭建的过程中可以参考书本和网上的资料，教师逐步引导学生。通过仿真步骤的深入，逐步对原来书本上的各个知识点进行讲解。

（三）电力系统频率及有功功率的自动调节

此章节内容包括负荷的调节效应、发电机组的功频特性、电力系统频率特性、控制调频器的信号分类、电力系统频率和有功功率的自动调节、经济负荷分配、系统频率的事故限额、动态特性、低频减载的原理、最佳断开功率、功率频率控制系统等。与第二章类似，在基于问题启发式教学模式中，我们首先利用Simulink搭建自动发电控制系统（AGC），此AGC需要满足一定的参数，学生在仿真模型搭建的过程中可以参考书本和网上的资料，教师逐步引导学生。通过仿真步骤的深入，逐步对原来书本上的各个知识点进行讲解。

（四）电力系统电压调整和无功功率控制技术

此章节内容包括电压控制、无功平衡、无功功率电源分类、控制和调整负荷点的电压控制方式、电压综合控制方法、无功功率电源最优控制方法。在基于问题启发式教学模式中，我们首先提出问题：“什么是无功功率？”这个看似简单的问题其实很多学生并不能够清楚地回答，我们通过视频和PPT对无功功率的本质进行解释。接着提出问题：“无功平衡与电压的关系？国标允许各类用户的电压偏移？控制变压器变比调压要注意什么事项？怎样结合不同电压控制措施达到综合控制？布局合理无功功率电源最优控制方法？变压器分接头的选择方法？”通过问题导向，循循善诱，激发学生的兴趣，引导学生由浅入深地理解问题的本质。

二、效果评价

由于此门课为考查课程，评价等级分为“优秀”“良好”“中等”“及格”和“不及格”。在学期末的考查中发现基于问题导向式教学模式的学生得到“优秀”和“良好”等级的比例要远高于传统的基于讲授式教学模式的学生，但是对于学习积极性不高的学生来说效果并不明显，两种模式不及格率相当，获得“及格”的人数也相当。由此可见，问题导向式教学方法可以将部分原本“中等”的学生提升至“良好”，将部分“良好”的学生提升至“优秀”。值得注意的是，我们对学生的成绩评定方式并不以闭卷考试成绩为主，而是采取项目设计的考查方式，要求学生在规定的时间内设计出一个系统，重点考查学生解决问题的能力。

传统的教学模式过于抽象和单调，让学生觉得枯燥无聊且缺乏学习动力，基于问题的教学模式可以培养学生解决不明确问题的能力，增加批判性思维，并扩大学生的沟通技能。此外，基于问题的学习方式可以为学生提供终身学习所需要的技能，使得学生能够有效并且有效率地获得所需的新技能和新知识。