線上教學和線下實操電氣專業課程淺析

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［摘要］隨著教育部大力支持和推動教育教學改革，線上線下教學模式融合不斷深入。文章結合電氣工程專業工程教育專業認證的要求，利用“學堂在線”云平臺，實現電氣專業課程線上教學與線下導、督、助學相結合的教學方案，并依托學院電力系統動態—數字聯合仿真實驗平臺，將理論與實操結合，形成一種線下實操和理論學習相互督進的教學方法，同時開展線下學生創新型實驗設計與驗證，激發學生自主學習的興趣，最后將在線課堂自主學習、線上互動、線下實驗操作等的完成情況納入考核指標。

［關鍵詞］云平臺；線上教學；線下實操；實驗驗證；考核

結合電氣專業工程教育專業認證的要求[1-2]，各高校正大力開展課程教學模式創新和人才培養模式改革。傳統的電氣專業課程教學模式以講授為主，以習題和答疑為輔，對學生進行知識灌輸，學生的積極性沒有得到充分的調動。傳統的課程考核內容主要包括課堂考勤及課堂表現（30%）、課程作業（20%）、課程考試（50%）等[3]，這種單一的考核方式無法反映學生的學習能力及對知識的掌握程度，且缺乏對于學習過程的考核及教學評價。隨著網絡信息技術不斷應用到專業課程教學中，網絡信息技術和教育的融合促進了在線教學的發展，并推進了在線教學資源的開發與共享。結合傳統的線下教學模式，線上線下互動的混合式教學更能激發學生學習的主動性和積極性[5-6]。隨著“互聯網+”時代的到來，混合式教學已經逐步貫穿高校課程的各個教學環節[7-8]。但融合網絡信息技術的培養結構還不能滿足電氣行業的人才需求[9]。依托教育部大力支持和推動深化教育教學改革的契機，項目式教學、行動導向教學、理實一體化教學等新的教學模式在高校中得到推廣和應用[10]。教學過程將對不同層次的學生采取不同方式的教學，以滿足不同學生的學習需求，這有利于學生更好地理解理論知識，了解專業發展。可見，對電氣專業課程進行在線課程教學設計與研究具有重要意義[11]。在此背景下，本文首先結合學堂云平臺，設計了適應電氣專業課程的課前、課中、課后“導、督、助”教學方案；然后立足于實際問題或工程案例，依托電氣專業課程實驗的特點以及豐富的實驗教學平臺的功能優勢，開發融合線下實驗和創新提升的電氣專業課程教學模式；最后基于培養新型工程人才的目的，研究構建融合“導、督、助”全過程的多元指標綜合考評體系。

一、結合云平臺的“導、督、助”教學方案的設計

傳統教學主要是靠教師口頭講解和板書來傳授知識，一方面板書往往會占用大量的課堂時間，影響教學的效果；另一方面由于教師與學生之間缺乏互動，導致學生長期處于被動接受知識的狀態，很容易束縛學生的思維，進而影響學生學習的主動性。而電氣專業的課程一般是利用數學和物理方法對實際電氣工程問題進行建模和分析，從而獲得對復雜問題的解決方案，培養學生解決實際問題的能力。因此，考慮結合在線云平臺資源，減少教師的板書時間，本文提出了以教師指導為主導，學生自主學習為主體的“導、督、助”在線教學模式，其基本方案如圖1所示，其主要內容包括以下幾方面。1.課前預習案（1）教師針對重難點制作自主學習任務單，并將知識點錄制成慕課視頻，幫助學生查找相關視頻及學習資料并發布到學堂在線云平臺。（2）學生提前看教材、課件和慕課視頻完成自學，通過同學之間的交流、合作解決部分疑難問題，并通過網絡平臺完成自主學習任務及在線測試。（3）教師即時了解和掌握學生在線學習數據，并記錄下來作為課程考核中平時成績的依據，學習數據主要包括學生登陸平臺時間、學習時長、在線測驗完成情況、學生討論區的互動情況等。（4）根據在線學習數據及自主學習任務單的完成情況，教師及時了解學生學習中存在的問題與困惑，并持續改進課堂教學方案。2.課中探究案（1）教師帶領學生回顧慕課視頻中的關鍵知識點及重難點，集中講解一份比較有代表性的自主學習任務單。（2）進入“深入探究”與“鞏固提高”環節，讓學生分組合作完成任務、相互展示交流，針對學生在學堂云平臺上的留言和彈幕，結合教案重難點知識點構建互動內容，并針對問題進行面對面交流，讓學生完成知識的內化吸收。（3）在設計實驗部分時，利用經典實驗案例內容配合基本原理進行講解，使理論與實驗銜接得更加緊密。（4）教師著眼于提高學生對實際電氣工程領域的認知和實操能力，錄制并查找相關實操視頻。（5）學生結合視頻與理論知識完成實驗驗證。（6）教師與學生交流實驗心得與實驗過程中存在的問題。3.課后鞏固拓展案（1）學生在學習過程中遇到難點時可反復查看教學課件、案例和慕課教學視頻等參考資料，對于無法解決的問題師生可通過云平臺互動交流功能獲取解決方案。（2）考慮到慕課視頻短小精悍的特點，結合教學實際情況，教師可制作與主題相關的微視頻，增加拓展延伸部分，開拓專業領域視野，幫助學生形成專業課程知識體系。（3）學習結束后，學生可通過云平臺學習系統查看本次課程學習的系統評價情況和教師的點評內容。

二、線下實驗+創新提升電氣專業課程教學模式開發

根據電氣工程及其自動化專業認證的要求，結合電氣專業課程教學的特點，在教學過程中，教師要著重培養學生分析問題和解決問題的能力，并進一步引導學生發展創新思維。學生在學習的過程中，需要結合學生自身特點，完成自我定位、自我評價、自我監督、自我反思等工作。在創新實驗教學理念的引導下，云平臺的引入實破了原有教學平臺的瓶頸，它要求教與學的活動協同進行，并貫穿于整個教學過程。融合云平臺的創新實驗教學過程可以用圖2所示的流程來說明。從教師層面來說，一是根據實驗內容，編制導學課件，制作慕課視頻；二是針對云平臺中學生提出的問題，完成指導和答疑；三是實驗項目指導工作，做好學習測評和報告評價反饋。從學生層面來說，一是觀看慕課視頻，充分查閱資料，做好課前預習和在線學習筆記；二是按照知識技能水平、學業規劃等因素成立協同學習小組，并在云平臺中構建虛擬學習討論組，開展自主學習。按照電氣工程專業工程教育質量認證的要求，研究融合云平臺的電氣專業課程驗證性實驗教學模式，轉變教育理念，從“以教師為中心”到“以學生為中心”。教師通過對學生進行啟發式、引導式、探究式實驗教學指導，讓學生參與課程實驗的全過程。在實驗過程中，學生從最基礎的課程驗證性實驗出發，結合本專業對卓越拔尖人才培養模式的需求，利用開放式虛實結合實驗平臺，逐步過渡到具有“實踐性、可行性和發展性”特點的研究創新型實驗設計。在開放性實驗管理上，對同一個實驗項目開展真實實驗與虛擬仿真實驗的對比。虛擬仿真實驗通過模擬真實實驗環境，可以避免因設備誤操作帶來的安全問題，利用虛擬實驗系統開放性特點，實驗人員可通過調節某些系統參數優化設備的運行狀態，完成創新型實驗方案的設計；而真實實驗可以對虛擬實驗過程進一步驗證，并能反映設備的物理規律，通過實驗結果的對比與分析，得出實驗結論，具體實驗教學模式如圖3所示。為創新型實驗教學創造了條件[12]，平臺主要包括電力系統動模平臺、電力系統實時數字仿真平臺（RTDS）及電力電氣分析綜合軟件平臺（ETAP）三大系統，各實驗室對實驗驗證過程中的側重點都不一樣。電力系統動模平臺側重于電力系統的物理模擬，提供了最為真實的實驗環境，但是網絡規模和拓撲結構受到實際物理設備的限制；RTDS實驗室作為電力系統的數字模擬，具有用戶自定義的網絡拓撲構建功能，計算側重于電磁仿真，同時可以接收外部信號的開入開出以及信息交流；ETAP實驗室側重于工程實際，模型和算法都與實際工程接軌，是一種近似的、離線的電力系統解決方案。針對某一個具體的實驗項目，在形成完整實驗理論（包括專題研究、建模、算法分析、結果分析、結論等）的基礎上，開展模型實驗驗證，并利用三大平臺的協調和配合，可實現認知實驗、綜合性實驗及創新型實驗的設計與開發的要求，具體架構如圖4所示。

三、融合在線課堂和線下互動、實驗操作的多元指標考核構建

對于電氣專業課程，很多知識和技能都可以應用在未來的實際工作中。實驗場景促使學生將學習過的知識和技能同工作實際聯系在一起，以激發他們解決實際問題的能力。因此，在對學生進行考核時，教師要關注學生在團隊中完成的工作量，考查學生對知識的領悟與運用能力，對基本設備的操作是否熟練規范，學生能否提出延展性的問題等。在課程結束后應增加答辯環節，對學生的課程掌握情況進行摸底，同時考查學生能否清晰地表達課程學習中各個環節的具體情況，包括出現的問題、解決方案和思路等。針對傳統課程考核方式的弊端，構建融合在線課堂和線下互動、實驗操作的多元指標考核評價體系，體系結構如圖5所示。此考核評價體系建立的目標主要是提高學生掌握專業技能的能力和技術應用能力，提高學生的理論分析能力。評價體系內容主要包括云平臺學習環節、實驗過程、課堂互動環節、階段性考評及期末考評等，平時成績主要包含在線學習進度、課堂測驗及留言反饋情況、線下課堂表現（出勤、互動、實驗預習報告完成情況、理論知識、實驗答辯等）和實驗過程（實驗操作過程、結果及報告完成情況），考試成績主要體現為期末筆試成績。其中，云平臺記錄了學生在線學習的過程，通過匯總學生交流和互動文檔、實驗學習過程文檔、實驗報告文檔等，形成云平臺文檔資料庫，可以方便教師查閱教學資料，并作為教師進行教學反思和持續改進的依據。

四、應用及推廣價值

根據電氣專業課程教學目標，在“學堂在線”云平臺、實驗平臺融入教學結構設計思路的基礎上，研究融合線上云平臺和線下實操的電氣專業課程在線教學模式設計與開發，其應用和推廣價值主要有以下幾方面。

1.激勵學生自主學習與實驗設計、引導學生開展創新型實驗，提升專業技能、語言表達能力、團隊協作能力等綜合能力。

2.以學生為主體，激發學生的主動性與創造性，同時教師可以通過這種全新的互動教學機制反思教學過程，提高教學水平。3.在提升學生的動手能力、分析和解決問題能力的基礎上，培養學生的科研創新能力，在專業認證的背景下，可進一步提升學生對融合跨學科、跨領域的復雜系統問題的分析和研究能力，實現知識成果的轉化，促進信息技術與教育的融合創新發展。

4.回應了《國家教育事業發展“十三五”規劃》提出的“互聯網+教育”戰略方案，研究融合在線云平臺和線下實操的課程在線教學模式，可應用到國內工程教育領域，也能為相關工科專業課程在線教學提供參考。

五、結論

文章結合學堂云平臺，首先設計了適應電氣專業課程的課前、課中、課后“導、督、助”教學方案，豐富了電氣專業課程教學過程；其次，依托電力系統動態—數字聯合仿真實驗平臺，根據創新實驗教學理念，開發了一種線下實操和理論學習相互督進的教學模式，可激發學生主動學習的興趣；最后針對傳統課程考核方式的弊端，構建了融合在線課堂和線下互動、實驗操作的多元指標考核評價體系。接下來將進一步研究各教學環節的組織優化，并利用大數據平臺完成教學模式的持續改進。

作者:李飛 李振興 李咸善 趙平 李世春 單位:梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室（三峽大學）