水轮机调节案例教学改革路径探索

摘

要：案例教学法是以经典案例为教学媒介，鼓励学生独立思考，注重培养学生实践水平和综合素质的一种教学方法和体系。文章遵循高等教育教学规律，对案例教学法在“水轮机调节系统”课程应用中的痛点与难点进行剖析，旨在推动“水轮机调节系统”课程教学质量和效率的提升，以满足社会对水利类人才培养的需要。关键词：案例教学法；实践能力；综合素养；教学质量随着我国教育教学体制的不断完善和创新，专业复合型、学术创新型人才成为高校的培养方向，学生课业压力、学业负担显著增加。但与此同时，学生培养工作中实践环节缺失，人才培养创新能力明显不足。案例教学作为连接理论和实践的重要桥梁，在学生实践能力培育中发挥着独特作用。相较于传统教学模式，案例教学法重视双向交流，鼓励学生独立思考，大大缩短了教学情境与实际生活的距离；挖掘教师创新潜能，在课堂教学实践中淬炼优秀师资解决实际问题能力[1]。此外，我国水利事业从无到有，从小到大，凝聚着前辈们为建设新中国而付出的巨大努力和牺牲，水利工程案例中自带的思政属性可升华为学生的内在精神涵养和价值追求，完成与教学内容的互动融合，实现育人育才“润物无声”。事实上，案例教学与理论讲解并不对立，在典型案例中融入理论知识，启发学生独立思考，鼓励学生积极参与讨论，是水轮机调节系统案例教学法实践中所追求的。但目前水轮机调节系统案例教学法优势并没有充分发挥，应用推广也十分局限，存在案例编写困难、课堂互动不足、教师操作规范及能力较弱等问题。为此本文以实际问题为导向对水轮机调节系统案例教学法的应用策略展开具体的分析，以促进教学品质提升。一、水轮机调节系统中案例教学法应用的重要性分析“水轮机调节系统”课程内容涉及水力、机械、电力系统、微机原理和自动控制等技术环节，是能源与动力工程专业（水动方向）的主干专业课。由于本课程涉及多门学科的综合应用，对初学者来说，具有一定的难度。该课程的建设目标是通过学习本课程掌握水轮机调节系统各部分组成和水轮机调速器工作原理，能够承担水电站调控相关领域工作任务。课程重要章节包括水轮机调速器和调节系统动作原理、特性分析、控制算法、调节保证计算等。课程特点是逻辑性和系统性强，教学时间紧凑[2]。传统的教学方法相对注重理论知识学习，忽视实践操作能力的培育，导致学生学习兴趣与积极性不足。目前我国水电业进入高质量发展阶段，碳中和下水电在电网中的功能逐渐由电力生产向电力系统调节转变。角色转变带来水电站中新设备、新理论和新技术的不断发展，这也反向倒逼水轮机调节系统的课堂教学改革，推动实践能力培养进一步深化。“水轮机调节系统”课程虽然是一门理论课，但無论是调速器、水力系统还是电力系统在各个水电站都不可或缺，故课程在案例教学上具有先天的优势。相较于传统的填鸭式教学，在“水轮机调节系统”课程中应用案例教学法能够激励学生主观能动地掌握水轮机调节系统相关的知识与内容，一方面可避免学生厌学情绪滋生；另一方面在案例的分析与讨论中坚持贴合产业，能使学生在课堂上就能追踪了解工程实践中的痛难点，实现从理论知识到动手能力的跃迁。在案例教学法中，教师与学生双方并非“输出—接收”的关系，要遵循教师主导、学生主体的原则，让学生充分感受到自己作为学习者的主体地位，达到翻转课堂的目的。教师作为“水轮机调节系统”案例的制作者，讨论的引导者，目标是通过引导学生主观能动的学习，加深对知识的理解和应用。案例的选择与设计是案例教学法成功的基础和前提，将代表国际前沿研究领域和国家重大战略需求的经典案例作为课题研究对象，可避免高校教材过于老旧且不配套带来的与业界发展脱节、与课堂教学难适应的问题。在“水轮机调节系统”课程中重视案例教学法的应用，能够让学生在典型案例中感受到身临其境的学习氛围，共情百年水利事业发展的不易，增强学生学习的积极性和能动性。此外，水利作为安民兴邦的头等大事，是国民经济和社会发展的重要基础设施，自带思政教育属性。实践表明治国必先兴水，兴水才能强国的理念融入水轮机调节系统案例教学，能显著增强学生专业认同感、自豪感，对培养优秀的水利人才十分有益。二、将案例教学法融入课程教学事实上，教学方法的主要目标是促进学生对课堂知识的理解与掌握，培养学生面对实际问题的动手能力。案例教学法以其真实可信、客观生动、学生主体和过程动态的特点，成为“水轮机调节系统”课程教学的最优选[3]。但高校水轮机调节系统案例教学也面临着实际授课有偏差和教学效果不理想的困境，使得水轮机调节系统案例教学法没有达到预期成效，推广迟缓。笔者长期处于教学一线，不断打磨水轮机调节系统案例教学法以适应教学目标的实现和学生能力的增长。下面对案例教学法在“水轮机调节系统”课程中的具体应用作详细说明。（一）注重案例的选择与应用水轮机调节系统案例教学法强调案例的选择要与对应的课程内容相匹配，且具有典型性。案例教学的作用是将理论知识具象为易接受的事物，使理论知识在现实世界落地。学生能力的获得不再是靠重复记忆和教师讲解，而是依靠已有的知识经验去搭建新的认知结构。一方面，在水轮机调节系统案例教学中要求对案例尽量进行客观性描述，但要避免流水账式的平铺直叙，可借用案例的叙事形式和情景转变提升学生学习的能动性[3]。另一方面，在应用案例教学法时，教师让学生阅读的材料应具有足够的复杂性，不同的解决办法会产生不同的结果，以便于学生更好、更真切地了解与掌握所学的水轮机调节系统知识[4]。因此，案例教学法中案例的选择十分重要，好的案例应满足启发性强、综合性高和目的明确等要求。一堂好的案例教学课，案例的选择是基础，案例的应用是核心。实践中发现，受扩招等因素影响，部分高校“水轮机调节系统”课程教师资源相对短缺，而现行的专业课班级规模较大，部分上课班级甚至达百人之多。在案例教学过程中，学生多有利于汇集不同角度对案例的见解和思想，但同时也会导致一人说、多人听的现象。部分学生课堂讨论不积极思考，甚至偏离课堂教学内容，将注意力放在手机等电子设备上。同时，大班的案例教学，会花费更长时间进行组织、讨论和总结，课堂节奏放缓，出现学生坐等教师安排的低效率情形。案例教学课堂若流于形式，不仅无法提升学生的实践能力，反而会影响学生理论知识的内化和知识结构的构建，这也是案例教学法应突破的困境。（二）注重教师与学生思维的转变传统的课堂模式下，教师是课堂教学的主导者，单方面地灌输知识而忽视了学生实践能力的培养。案例教学模式中，教师与学生平等地交流观点，使学生学会分析问题和解决问题的思路与方法。案例教学法与其他教学方法相比，对教师的素养和学生的能力提出了更高的要求。教师在课堂中要把握讨论大方向，既要调动学生自发探索问题，又要避免课堂无序；学生个体表现为积极主动参与到案例教学中，发挥学习的能动性。事实上，典型案例是具象化的事件或物体，很难在学生大脑中立即形成理性认识或知识体系，这需要学生具备较高的综合素质。为避免案例教学法落入“适合少数优秀学生”陷阱，教师需要更加敬业，重视课前准备工作，把握课堂节奏。教师要全面掌握“水轮机调节系统”课程的教学重点和难点，提供查阅教学内容相关资料的途径，师生、生生之间及时进行案例背后知识点或相关问题讨论，推动学生发现、思考、解决问题能力的进一步提高。若教师在案例环节抛出的问题启发性不强或不够贴切，听众就很难针对案例开启或扩展思路。甚至部分学生将案例当作消遣，很难清晰掌握水轮机调节系统的要点与内容，教师也很难将案例教学上升到课程目标要求的理论层次。案例教学法与课堂讨论和举例教学差别在于教师不是为了得到结论去讲解案例，理论体系应该是师生在自由讨论、内化凝练中构建的。在案例教学法的实际实施过程中，有限的课时内很难完成教学内容。教师会大量地参与学生讨论，类似于传统教学模式，或者压缩学生自主讨论的时间，学生很难针对特定案例深入思考。此时，案例教学仅被用来增加课堂的趣味性或理论知识的补充说明，而不是作为培养学生思维能力和实践能力的工具。在这种理解下，师生及生生间不能真正互动，自然也就无法充分调动学生学习的热情。实践中教师要让学生明确案例分析步骤，引导其进行案例总结和评析，避免学生注意力涣散，效率低下。如在水轮机调速器的教学课程中，以实地参观水电站为案例，能够对调速器工作时各种信号转换有更加深刻的理解和认识，促进学生思维能力和实践能力的提升，提高案例教學法课堂的效率与质量。（三）注重教学效果的反馈和调节作用教学效果评估是检验教师教学成效和开展下一阶段教学的重要环节。注重教学效果的反馈和调节主要分两方面进行，一方面，教师根据学生课堂实际表现，及时精准调节自己的授课节奏；另一方面，建立科学合理的考核评价机制，反向促进教师自主提升教学能力。目前，教师判断案例教学法的应用效果主要由学生参与积极性和课堂气氛推定，但在水轮机调节系统案例教学法应用过程中，课堂互动不足和课堂互动盲目是两大突出问题。部分学生对案例教学法的作用缺乏认识，对自己在课堂上的角色定位不是很准确，呈现出互动的盲目性。在水轮机调节系统案例教学法实践中，学生课堂表现为单向的被迫互动，平等双向或多向的互动少；师生互动多，生生间互动少；理论交流互动多，情感交流互动少。教师要根据学生课堂的状态及时调整教学方式，既要避免学生天马行空，偏离主题；又要避免教师本人长篇大论，打击学生自主讨论积极性。在合适的时间正确引导学生掌握所学的内容和要点，这需要教师具备较高的课堂管理和应变能力。另外，若缺乏科学合理的考核评价机制，教师就不能有效提升教学效果，也难以弥补水轮机调节系统案例教学的薄弱点。案例教学法的特性决定了其应建立相匹配的考核机制，以便对水轮机调节系统案例教学法进行科学公正、准确全面的评估。一堂优秀的水轮机调节系统案例教学课需要教师花费大量的心血，但这些劳动却很少被计入工作考评中，在一定程度上影响了教师进行案例教学法尝试和实践探索的积极性。通过对案例教学法实施效果优秀教师提供制度、软硬件和团队等多方面支持，有利于提高教师的综合教学水平，激励他们发挥案例教学法的价值。但教师的考评机制，大多从其教学工作量多少和有无教学事故两方面对教师进行简单评价，学生则从其试卷分数进行评估，不注重教学过程和学生实践能力的培育，教师也很难掌握学生知识接受和能力提升的真实程度。教师应从科学的考核机制中获取教学效果的反馈和及时调节，有利于教师进一步提高自身的教学水平和效果。三、案例教学法在“水轮机调节系统”课程的实际应用及教学效果（一）水轮机调节系统案例教学法的实际应用1.水电站压力引水管道模型的工程应用案例。在讲解压力引水管道的水击现象时，以学生生产实习参观的某常规水电站引水管道模型为对象讲解刚性水击模型和弹性水击模型，引导探讨因事故突然甩负荷对水轮机机组转速的影响。为进一步提高学生实际操作能力，对接未来工作需要，课堂通过模拟典型事故案例的现象诸如机组噪音增加、水轮机主阀全开位置红灯熄灭、“水力机械事故”光字牌亮等，让学生自由探讨处理措施和操作要点，最后教师引导学生共同分析解决措施的不足和探讨预防事故方法。部分学生给出的解决措施和流程不够正确，甚至会造成事故扩大，教师通过互动更易让其理解从而进行改进，有效地锻炼了学生事故的应对能力。通过课堂模拟，学生将理论知识与实地水电站联系起来，讨论水轮机常见故障的预防和处理措施，课堂气氛严肃活泼，教学效果良好。2.水轮机调节系统的工程应用案例。在讲解水轮机调节系统特性分析时，通过实地认识和理论知识对比，深化对水轮机调节系统特性和动作过程认识。水轮机调速器作为水电站的“动力控制心脏”，调节对象为水轮机发电机组、水力系统及电力系统。调速器与调节对象是一个整体，调速器与调节对象的特性对调节系统的品质有着重要影响。引入“双碳”目标时代背景，让学生探讨调速器在常规水电站、抽水蓄能电站以及电网中的重要性。结合产业界需求，讨论调速器在一次调频、国产芯片控制器和故障诊断等方面的创新点。通过理论与实践的结合，促进理论的实践指导意义和案例教学法本身实践效应的提升。3.调保计算的工程应用案例。在讲解调保计算的任务及目的时，以某工程实例的基本参数为例。由于调保计算理论性强，学生理解难度大，笔者进一步以青海格尔木南山口抽水蓄能、永昌抽水蓄能等大型工程作为案例，分析调保计算中设计工况、校核工况、小波动过程和水力干扰等蜗壳入口处水压极值、尾水管入口处水压极值、调压井涌浪高度、机组转速上升率等动态变化情况，使得学生可以通过案例验证所学的知识。此外，通过大型水利工程案例的引入，提高对学科的认识，培养学生水利报国的使命担当。（二）教学效果笔者开展水轮机调节系统案例教学法三年来，团队在教学成果和学生培养方面已取得一些成绩。其中教学成果方面，“涉农高校专业学位研究生教育培养模式创新与实践”荣获陕西省人民政府、陕西省教学成果特等奖；“‘知华友