刘 毅，常文平，朱妍雯，周迎迎，张 锐

(河南工学院电气工程与自动化学院，河南新乡，453003)

一、引言

CDIO理念是由三所大学的教授组成的跨国研究组共同开发研究的工程教育模式，其目的是使学生既能接受理论方面的教育，又能掌握相关企业需求的专业实践能力。[1]CDIO 代表构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运行(operate)，其以产品、过程和系统的构思、设计、 实施、运行全生命周期为背景的教育理念为载体，让学生主动获取理论与实践相结合的工程知识。但是，该理念提供的是一种通用的方法，没有针对某个行业或某门课程的具体应用。

MATLAB与电力系统仿真课程综合性和实践性较强，学生不仅要熟练掌握电力系统分析的方法，还要学习MATLAB软件的使用和仿真电路调试，这就导致学生的学习兴趣普遍不高，课堂互动性和学习效果不好。如何营造良好的课堂学习气氛，提高学生的学习主动性，成为课程教学的重点。因此，本研究根据培养目标的能力要求，结合传统理论讲授的基础，按照 CDIO 工程教育模式中构思、设计、实现、运行四个步骤，对课程进行全面改革，以期为培养适应现代电力行业发展需求的实用型人才，提高学生的实践能力提供参考。

二、教学现状和存在的问题

MATLAB与电力系统仿真是电气工程专业的基础课程。该课程是在传统电力系统分析课程的基础上，随着计算机技术在电力系统中的发展与融合而产生的。MATLAB与电力系统仿真课程一般与电力系统分析课程共同开设，其运用MATLAB软件，将传统理论课堂讲授与现代仿真软件结合起来，快速且精确地计算电力系统的参数，分析电力系统的特性，培养学生理论联系实际，积极运用现代仿真软件解决工程实际问题的能力。[2]

目前，MATLAB与电力系统仿真课程的教学过程主要存在以下三个问题。第一，教师的主体地位过于显著，虽然各高校都在积极寻找创新型教学方式，但由于课程需要用到大量的算法，教师的理论讲解仍具有重要作用。第二，课程综合性能强，涉及电力系统分析、数值计算、编程语言等内容，同时数学算法和计算机技术发展迅速，而课程教学内容又无法及时更新，导致课程内容老旧，不能满足企业的需求。第三，在学习MATLAB与电力系统仿真课程之前，学生需要掌握较多先导课程的基本原理和分析方法，数学公式推导烦琐枯燥，基础知识掌握不够牢固的学生进行课程学习时需要不断复习和查阅资料，其学习的兴趣和积极性难以调动，且虽然课程实践环节结合实例进行练习，但实例大多来自书本，并不能真正发挥学生在实践环节的主观能动性。

由此可见，MATLAB与电力系统仿真课程的专业性强，既有理论课性质，又与工程实践具有紧密联系，同时涵盖大量分析计算的理论知识和仿真软件的工程实践知识，知识点涉及广，对学生的综合能力有较高的要求。

三、教学方法改革

基于MATLAB与电力系统仿真课程的特点，本研究在课程中融入CDIO工程教育理念，以项目教学法为实施方法，通过一个完整的项目培养学生的思维能力和知识能力，提高工程实践能力。融入CDIO工程教育理念的教学过程自主性和实践性强，舍去了烦琐的理论教学过程，有针对性地关注结论的应用，项目目标制定适应行业发展和企业需求。[3]融入 CDIO 理念的MATLAB与电力系统仿真课程教学改革总体框架如图1所示。

图1 课程改革框架

(一)项目构思

教师要求学生列出MATLAB与电力系统仿真课程的基本知识，引导学生在课外自主复习，结合重点知识对理论性强、知识范围广泛的内容进行回顾、梳理、归纳。同时，教师精简教学内容，把握章节重难点，鼓励学生以课程之间相互承接互联的方式进行专业课的学习，并将3—5名学生分为一组，组织学生在组内讨论总结的知识点，引导学生发现问题。

以输电系统仿真为例，教师给出仿真模型参数，组织学生分小组罗列出系统必须满足的基本运行条件，将系统分成不同的模块，提出相应的性能指标。这一环节的目的在于引导学生转换课堂角色，发现问题，了解模型搭建过程的关键问题和核心环节。[4]

(二)项目设计

针对项目构思中发现的问题，学生进行理性分析，建立理论知识与实践环节之间的联系，将问题任务拆分成具体的环节进行讨论和分析。[5]项目设计过程要求学生综合运用构思过程中列出的独立理论知识，通过查阅资料、分析问题和归纳总结，完成合理的项目设计。教师在项目设计中的基本任务是启发、引导和讨论，鼓励学生通过思考和讨论的方式对设计环节进行探索。

例如，教师引导学生综合运用所学理论知识完成输电系统仿真模型搭建方案设计，选择合适的算法进行参数计算，进一步鼓励学生对过程中方案设计存在的不足提出可行的解决办法，充分发挥学生的潜力。这一过程旨在观察学生对知识的理解和运用能力，实现理论到实践的转化。[6]

(三)项目实现

教学项目实现旨在锻炼学生解决问题的能力。教师引导学生对问题进行分类，不要过度关注问题本身所涉及的理论知识，而要针对问题类型寻找解决问题的办法，如是否有合适的算法公式可以用于参数计算、是否有相应的工具可以用于完成系统仿真，一般问题都可以通过这个过程解决。如果没有合适的算法和工具，教师就要鼓励学生自己改进算法、编写程序，实现项目要求。[7]

项目实现的过程就是理论转化为实践的过程。大多数学生理论知识掌握较好，实践能力较差，教师就要引导学生逐一转化问题，拆分问题难度，锻炼学生解决实际工程问题的能力。通过项目构思、项目设计和项目实现三个步骤，学生需要对本章节整体知识点进行宏观理解，通过提高项目的综合性、设计性和创新性，进一步增强学生对知识点的运用能力，提高学习效果。

(四)项目运行

项目运行是CDIO理念至关重要的一个环节。项目构思、项目设计和项目实现三个步骤旨在完成理论知识到工程实践的转化，而项目运行是CDIO理念的核心。[8]CDIO工程教育模式旨在满足企业对人才的要求和需求，项目运行则是把项目实现的成果应用到企业与社会生产中，转化为经济效益，最终实现产学研相结合的教学模式。工程教育不仅要实现学科教育和实践能力培养，还要重视企业和社会对人才的需求。

项目运行可以将项目分步分级别适应不同知识层次，分别设计完成项目的三个步骤：第一步完成核心基础知识的练习和使用，是基本知识点的理解和应用；第二步完成章节整体知识点的综合，实现一个功能较为完整的系统模型的搭建；第三步完成服务企业需求的工程，设置配套的服务，针对企业具体问题进行改进。通过以上划分，整个项目的实施过程就能形成有机整体。

四、教学内容改革

CDIO教育模式的关键是如何将理论知识与工程实践紧密结合。为适应项目教学法的实施，合理改革教学内容成为保证课程教学效果的首要任务。完全不进行理论教学，只进行项目教学，会让学生无从下手，学习更吃力。反之，理论教学过多，也会影响课程改革效果。因此，只有转变教学内容，将课程教学内容分为理论教学、项目教学和创新能力教学三个部分，合理分配教师理论教学和学生自主学习，才能更好地发挥CDIO教育模式的作用。

(一)理论教学内容

理论教学主要针对教学大纲要求的理论内容由教师进行讲授。传统的教学方式按照课本的章节逐个讲解知识点，为适应CDIO教育模式下的项目教学方法，本次改革转变课程章节顺序，根据教学项目的需求进行模块化教学。理论教学内容的作用转变为项目教学提供必备的先导知识，而不是系统、详细地讲解课程内容。

以输电系统仿真为例，教师在理论教学中为学生讲解输电线路等效模型的基本原理、参数调节的方法、仿真调试的技巧和相关模块的简单使用方法等基本知识，方便学生较快地进行项目构思、设计、实现和运行等后续环节的展开，避免项目难度过大而打击学生学习的自信心。

(二)项目教学内容

项目教学内容根据课程涉及的工程实践环节进行划分，整体分析课程的核心知识点，结合课程的重点和学生的能力水平，选取规模合适的项目。教师在实施过程中根据教学的效果和学生的反馈，调整和改进项目内容，进而将项目内容与教学目标和实践需求紧密结合起来。因此，设计与课程紧密结合的项目是实施课程改革的重点。本次改革结合CDIO教育模式将课程划分为五个教学项目，每个项目难度适中，满足教学需求，通过学习通线上平台开展实施。具体项目内容如下：

项目1：基于MATLAB的电力系统潮流计算。

项目2：基于MATLAB的电力系统故障分析。

项目3：基于MATLAB的电力系统稳定性分析。

项目4：基于MATLAB的微机继电保护应用。

项目5：基于MATLAB的高压直流输电及柔性输电系统仿真。

(三)创新能力教学内容

创新能力培养是CDIO教育模式教学的关键环节。理论教学和项目教学的内容由教师指导，学生主动参与自主学习，创新能力教学则由学生依靠完成每个项目的学习后掌握的知识和能力独立展开，教师只进行引导和评价成绩。创新能力教学不设置固定内容，鼓励学生进行开放式的创新，能更直接地反映出学生项目学习成果，提高学生的创新能力和自主学习能力。

以输电系统仿真为例，完成项目教学之后，教师引导学生思考目前输电系统分析的方法和工具，找寻项目学习过程中各个环节、分析手段和系统本身的不足，改进不足的过程就是创新的过程，创新能力教学的目的是提高解决工程实践问题的能力。

五、教学评价改革

人才培养目标应以企业需求为向导，课程的考核方式也应随之调整，激发学生的学习兴趣，让学生尽量接近实际情境设计教学环节。MATLAB与电力系统仿真课程要求学生掌握基本的电力系统分析方法，能根据实际情况搭建合理的系统模型，因此，评价学生学习效果时应将项目实施过程与项目成果结合起来，根据企业需求设定考核目标。事实上，学生较难接触到的企业具体工程项目，参与学科竞赛就成为最好的实践方式，而且竞赛需要学生组队参与，小组内的分工协作与企业的工作方式类似，将学科竞赛列为课程考核的一项指标有助于激发学生的学习积极性和主动性。

本次改革形成了相对成熟和完整的评价体系，CDIO教育模式扩大了学生自主学习的空间，为学生提供了实验室和实践活动，学生学习形式更加灵活，由此带来的评价体系改革更加侧重于学生在自主学习过程中的工作量的考核。除了平时在课堂学习上的表现，学生的实践能力、创新能力和动手能力也成为评价的重要组成部分，在总成绩中的比重也更加突出。

学生的课程成绩由学科竞赛(40%)、项目实施过程(40%)、项目社会需求评价(10%)和个人平时表现(10%)四部分组成。其中，项目实施过程和学科竞赛是主要考核内容，旨在激励学生设计符合社会需求项目目标，注重个人能力培养，以此更为全面地考核学生的综合能力。四个考核部分的具体内容如表1所示。

表1 课程评价标准

六、CDIO教育模式下MATLAB与电力系统仿真课程教师素质提升

相比传统的填鸭式教学，基于CDIO教育模式，教师按照教学大纲和课本逐个讲解知识点，能更好地激发学生的内驱力。教师的综合素质和实践能力是检验其教学能力的重要指标，在组织课堂、教学手段、课堂教学和课后引导学生预习复习等环节都会影响学生对课程的理解和应用。在CDIO教育模式下，教师除要具备扎实的理论基础外，更重要的是要具备依据课程教学重点设计实践教学环节的能力。教师必须在结合大纲的基础上，以项目和工程的形式发布课程任务，不仅需要思考课程的知识重点、教学目的、学生能力，还需要在工程实践过程中加入素质教育，提高学生的团队精神、组织能力和自学能力。在构建教学项目的过程中，教师的教学手段要足够丰富，利用社会实践、调查报告、文献总结等形式丰富的任务帮助学生全面提升实践和创新能力。可见，设计一个内容丰富、难易适中、结构合理的教学项目是教师教学的重要任务，项目的完成结果则是教师教学完成度的检验标准。学生通过完成教学项目的过程中进行的调查研究、知识点总结、实践能力的提升和创新能力的提升，是衡量教学效果的必要指标。

为增强课程的吸引力，通过建立学习通课程，本次改革加入了名师精品课程整理优秀教学资源，设置任务节点将复杂的项目划分成小模块利用螺旋上升的教学方法帮助学生克服困难建立自信心和自律性。

七、结语

随着计算机技术的发展，MATLAB与电力系统仿真课程对电气工程专业学生的重要性越来越显著。工程实践教育是高校为企业培养人才的主要方式，将CDIO工程教育理念融入MATLAB与电力系统仿真课程，将教学内容分成不同项目模块，并将每一个项目拆分成不同层次步骤，有利于更加系统地培养学生工程实践能力。在整个项目实施过程中，学生从被动变为主动，以企业需求为任务导向，能够切实满足电气工程行业对专业人才的迫切需求。

CDIO教育模式在工科类教学中的优越性得到越来越多的关注和肯定。本次改革围绕CDIO教育理念融入MATLAB与电力系统仿真课程开展，不仅符合教学大纲要求，而且满足课程与人才培养方案的支撑度要求。以学生为中心的课程改革符合社会创新企业的新需求，让学生能够通过更多渠道获取新知识和新能力，保证学生基础知识和实践能力的双重需求。从实践成果来看，本次改革大大提高了学生自主学习能力、团队能力和实践能力，取得较好的教学效果。但是，本次改革也存在一些值得思考和改进的问题：一方面，由于项目任务相比学生具备的基础能力难度较大，学生想要较好地完成项目需要投入较多时间先学习查找资料、社会调查等，从而让学生有较多负担，这就要求教学改革不能只针对一门课，而应在学生入校之初就开始系统地培养；另一方面，目前的实践教学主要依靠教师个人或教学团队教师的能力建立，能够进行的实践环节有限，想要更加全面贯彻CDIO教学理念，还应增加校外实践环节，与企业紧密联系。