线上教学和线下实操电气专业课程浅析

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［摘要］随着教育部大力支持和推动教育教学改革，线上线下教学模式融合不断深入。文章结合电气工程专业工程教育专业认证的要求，利用“学堂在线”云平台，实现电气专业课程线上教学与线下导、督、助学相结合的教学方案，并依托学院电力系统动态—数字联合仿真实验平台，将理论与实操结合，形成一种线下实操和理论学习相互督进的教学方法，同时开展线下学生创新型实验设计与验证，激发学生自主学习的兴趣，最后将在线课堂自主学习、线上互动、线下实验操作等的完成情况纳入考核指标。

［关键词］云平台；线上教学；线下实操；实验验证；考核

结合电气专业工程教育专业认证的要求[1-2]，各高校正大力开展课程教学模式创新和人才培养模式改革。传统的电气专业课程教学模式以讲授为主，以习题和答疑为辅，对学生进行知识灌输，学生的积极性没有得到充分的调动。传统的课程考核内容主要包括课堂考勤及课堂表现（30%）、课程作业（20%）、课程考试（50%）等[3]，这种单一的考核方式无法反映学生的学习能力及对知识的掌握程度，且缺乏对于学习过程的考核及教学评价。随着网络信息技术不断应用到专业课程教学中，网络信息技术和教育的融合促进了在线教学的发展，并推进了在线教学资源的开发与共享。结合传统的线下教学模式，线上线下互动的混合式教学更能激发学生学习的主动性和积极性[5-6]。随着“互联网+”时代的到来，混合式教学已经逐步贯穿高校课程的各个教学环节[7-8]。但融合网络信息技术的培养结构还不能满足电气行业的人才需求[9]。依托教育部大力支持和推动深化教育教学改革的契机，项目式教学、行动导向教学、理实一体化教学等新的教学模式在高校中得到推广和应用[10]。教学过程将对不同层次的学生采取不同方式的教学，以满足不同学生的学习需求，这有利于学生更好地理解理论知识，了解专业发展。可见，对电气专业课程进行在线课程教学设计与研究具有重要意义[11]。在此背景下，本文首先结合学堂云平台，设计了适应电气专业课程的课前、课中、课后“导、督、助”教学方案；然后立足于实际问题或工程案例，依托电气专业课程实验的特点以及丰富的实验教学平台的功能优势，开发融合线下实验和创新提升的电气专业课程教学模式；最后基于培养新型工程人才的目的，研究构建融合“导、督、助”全过程的多元指标综合考评体系。

一、结合云平台的“导、督、助”教学方案的设计

传统教学主要是靠教师口头讲解和板书来传授知识，一方面板书往往会占用大量的课堂时间，影响教学的效果；另一方面由于教师与学生之间缺乏互动，导致学生长期处于被动接受知识的状态，很容易束缚学生的思维，进而影响学生学习的主动性。而电气专业的课程一般是利用数学和物理方法对实际电气工程问题进行建模和分析，从而获得对复杂问题的解决方案，培养学生解决实际问题的能力。因此，考虑结合在线云平台资源，减少教师的板书时间，本文提出了以教师指导为主导，学生自主学习为主体的“导、督、助”在线教学模式，其基本方案如图1所示，其主要内容包括以下几方面。1.课前预习案（1）教师针对重难点制作自主学习任务单，并将知识点录制成慕课视频，帮助学生查找相关视频及学习资料并发布到学堂在线云平台。（2）学生提前看教材、课件和慕课视频完成自学，通过同学之间的交流、合作解决部分疑难问题，并通过网络平台完成自主学习任务及在线测试。（3）教师即时了解和掌握学生在线学习数据，并记录下来作为课程考核中平时成绩的依据，学习数据主要包括学生登陆平台时间、学习时长、在线测验完成情况、学生讨论区的互动情况等。（4）根据在线学习数据及自主学习任务单的完成情况，教师及时了解学生学习中存在的问题与困惑，并持续改进课堂教学方案。2.课中探究案（1）教师带领学生回顾慕课视频中的关键知识点及重难点，集中讲解一份比较有代表性的自主学习任务单。（2）进入“深入探究”与“巩固提高”环节，让学生分组合作完成任务、相互展示交流，针对学生在学堂云平台上的留言和弹幕，结合教案重难点知识点构建互动内容，并针对问题进行面对面交流，让学生完成知识的内化吸收。（3）在设计实验部分时，利用经典实验案例内容配合基本原理进行讲解，使理论与实验衔接得更加紧密。（4）教师着眼于提高学生对实际电气工程领域的认知和实操能力，录制并查找相关实操视频。（5）学生结合视频与理论知识完成实验验证。（6）教师与学生交流实验心得与实验过程中存在的问题。3.课后巩固拓展案（1）学生在学习过程中遇到难点时可反复查看教学课件、案例和慕课教学视频等参考资料，对于无法解决的问题师生可通过云平台互动交流功能获取解决方案。（2）考虑到慕课视频短小精悍的特点，结合教学实际情况，教师可制作与主题相关的微视频，增加拓展延伸部分，开拓专业领域视野，帮助学生形成专业课程知识体系。（3）学习结束后，学生可通过云平台学习系统查看本次课程学习的系统评价情况和教师的点评内容。

二、线下实验+创新提升电气专业课程教学模式开发

根据电气工程及其自动化专业认证的要求，结合电气专业课程教学的特点，在教学过程中，教师要着重培养学生分析问题和解决问题的能力，并进一步引导学生发展创新思维。学生在学习的过程中，需要结合学生自身特点，完成自我定位、自我评价、自我监督、自我反思等工作。在创新实验教学理念的引导下，云平台的引入实破了原有教学平台的瓶颈，它要求教与学的活动协同进行，并贯穿于整个教学过程。融合云平台的创新实验教学过程可以用图2所示的流程来说明。从教师层面来说，一是根据实验内容，编制导学课件，制作慕课视频；二是针对云平台中学生提出的问题，完成指导和答疑；三是实验项目指导工作，做好学习测评和报告评价反馈。从学生层面来说，一是观看慕课视频，充分查阅资料，做好课前预习和在线学习笔记；二是按照知识技能水平、学业规划等因素成立协同学习小组，并在云平台中构建虚拟学习讨论组，开展自主学习。按照电气工程专业工程教育质量认证的要求，研究融合云平台的电气专业课程验证性实验教学模式，转变教育理念，从“以教师为中心”到“以学生为中心”。教师通过对学生进行启发式、引导式、探究式实验教学指导，让学生参与课程实验的全过程。在实验过程中，学生从最基础的课程验证性实验出发，结合本专业对卓越拔尖人才培养模式的需求，利用开放式虚实结合实验平台，逐步过渡到具有“实践性、可行性和发展性”特点的研究创新型实验设计。在开放性实验管理上，对同一个实验项目开展真实实验与虚拟仿真实验的对比。虚拟仿真实验通过模拟真实实验环境，可以避免因设备误操作带来的安全问题，利用虚拟实验系统开放性特点，实验人员可通过调节某些系统参数优化设备的运行状态，完成创新型实验方案的设计；而真实实验可以对虚拟实验过程进一步验证，并能反映设备的物理规律，通过实验结果的对比与分析，得出实验结论，具体实验教学模式如图3所示。为创新型实验教学创造了条件[12]，平台主要包括电力系统动模平台、电力系统实时数字仿真平台（RTDS）及电力电气分析综合软件平台（ETAP）三大系统，各实验室对实验验证过程中的侧重点都不一样。电力系统动模平台侧重于电力系统的物理模拟，提供了最为真实的实验环境，但是网络规模和拓扑结构受到实际物理设备的限制；RTDS实验室作为电力系统的数字模拟，具有用户自定义的网络拓扑构建功能，计算侧重于电磁仿真，同时可以接收外部信号的开入开出以及信息交流；ETAP实验室侧重于工程实际，模型和算法都与实际工程接轨，是一种近似的、离线的电力系统解决方案。针对某一个具体的实验项目，在形成完整实验理论（包括专题研究、建模、算法分析、结果分析、结论等）的基础上，开展模型实验验证，并利用三大平台的协调和配合，可实现认知实验、综合性实验及创新型实验的设计与开发的要求，具体架构如图4所示。

三、融合在线课堂和线下互动、实验操作的多元指标考核构建

对于电气专业课程，很多知识和技能都可以应用在未来的实际工作中。实验场景促使学生将学习过的知识和技能同工作实际联系在一起，以激发他们解决实际问题的能力。因此，在对学生进行考核时，教师要关注学生在团队中完成的工作量，考查学生对知识的领悟与运用能力，对基本设备的操作是否熟练规范，学生能否提出延展性的问题等。在课程结束后应增加答辩环节，对学生的课程掌握情况进行摸底，同时考查学生能否清晰地表达课程学习中各个环节的具体情况，包括出现的问题、解决方案和思路等。针对传统课程考核方式的弊端，构建融合在线课堂和线下互动、实验操作的多元指标考核评价体系，体系结构如图5所示。此考核评价体系建立的目标主要是提高学生掌握专业技能的能力和技术应用能力，提高学生的理论分析能力。评价体系内容主要包括云平台学习环节、实验过程、课堂互动环节、阶段性考评及期末考评等，平时成绩主要包含在线学习进度、课堂测验及留言反馈情况、线下课堂表现（出勤、互动、实验预习报告完成情况、理论知识、实验答辩等）和实验过程（实验操作过程、结果及报告完成情况），考试成绩主要体现为期末笔试成绩。其中，云平台记录了学生在线学习的过程，通过汇总学生交流和互动文档、实验学习过程文档、实验报告文档等，形成云平台文档资料库，可以方便教师查阅教学资料，并作为教师进行教学反思和持续改进的依据。

四、应用及推广价值

根据电气专业课程教学目标，在“学堂在线”云平台、实验平台融入教学结构设计思路的基础上，研究融合线上云平台和线下实操的电气专业课程在线教学模式设计与开发，其应用和推广价值主要有以下几方面。

1.激励学生自主学习与实验设计、引导学生开展创新型实验，提升专业技能、语言表达能力、团队协作能力等综合能力。

2.以学生为主体，激发学生的主动性与创造性，同时教师可以通过这种全新的互动教学机制反思教学过程，提高教学水平。3.在提升学生的动手能力、分析和解决问题能力的基础上，培养学生的科研创新能力，在专业认证的背景下，可进一步提升学生对融合跨学科、跨领域的复杂系统问题的分析和研究能力，实现知识成果的转化，促进信息技术与教育的融合创新发展。

4.回应了《国家教育事业发展“十三五”规划》提出的“互联网+教育”战略方案，研究融合在线云平台和线下实操的课程在线教学模式，可应用到国内工程教育领域，也能为相关工科专业课程在线教学提供参考。

五、结论

文章结合学堂云平台，首先设计了适应电气专业课程的课前、课中、课后“导、督、助”教学方案，丰富了电气专业课程教学过程；其次，依托电力系统动态—数字联合仿真实验平台，根据创新实验教学理念，开发了一种线下实操和理论学习相互督进的教学模式，可激发学生主动学习的兴趣；最后针对传统课程考核方式的弊端，构建了融合在线课堂和线下互动、实验操作的多元指标考核评价体系。接下来将进一步研究各教学环节的组织优化，并利用大数据平台完成教学模式的持续改进。

作者:李飞 李振兴 李咸善 赵平 李世春 单位:梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室（三峡大学）