《工廠供電》課程工程化教學(xué)模式探索

宋佳音，唐文秀，周洪威

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

《工廠供電》課程以工廠供配電設(shè)計(jì)為綱，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，具有工程實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被高等工科院校電氣信息類專業(yè)視為核心課程[1]。由于我國電氣及其產(chǎn)品制造業(yè)屬于國家支柱性產(chǎn)業(yè)，技術(shù)更新和發(fā)展速度快，傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方法造成理論與實(shí)際相脫節(jié)，為此特提出《工廠供電》課程工程化教學(xué)模式的研究方案，以工程實(shí)踐為依托，緊跟電氣行業(yè)發(fā)展步伐，以現(xiàn)代化大型生產(chǎn)企業(yè)為原型，切實(shí)落實(shí)高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才的基本要求，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，使其適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要。

1 整合教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化

《工廠供電》課程教學(xué)內(nèi)容雖然較多，但是學(xué)時(shí)有限，為了有效解決這一問題需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的整合，使其既能符合“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的基本要求，又能突出課程的實(shí)用性和針對性，同時(shí)體現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)?，F(xiàn)將教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃為4個(gè)部分[2～3]，劃分原則是提出問題、分析問題、研究問題和解決問題，其中提出問題是指《工廠供電》課程內(nèi)容能夠解決什么樣的問題，即工廠供電的意義、任務(wù)和要求；分析問題是指剖析工廠供電系統(tǒng)，即工廠供電系統(tǒng)的基本理論；研究問題是指研究構(gòu)成工廠供電系統(tǒng)的2個(gè)基本組成部分，即一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)；解決問題是指應(yīng)用《工廠供電》課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)工廠變電站的設(shè)計(jì)，再結(jié)合自動化控制的技術(shù)與手段理解變電站和電網(wǎng)的自動化。教學(xué)具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)化教學(xué)內(nèi)容Fig.1 Systematic teaching contents

第1部分“提出問題”：在詳細(xì)介紹工廠供電系統(tǒng)的同時(shí)使學(xué)生清晰地了解課程任務(wù)，讓學(xué)生知道學(xué)什么、為什么學(xué)、怎樣學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

第2部分“分析問題”：了解電力系統(tǒng)的電壓與電能質(zhì)量及無功補(bǔ)償原理，明晰電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式及低壓配電系統(tǒng)接地型式，從而進(jìn)行單相故障分析。工廠的電力負(fù)荷及其計(jì)算和短路電流及其計(jì)算是該部分的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，要求學(xué)生們熟練掌握。

第3部分“研究問題”：包含2類基本內(nèi)容，分別是電氣一次系統(tǒng)和電氣二次系統(tǒng)。在電氣一次系統(tǒng)中，首先明確工廠變配電所的任務(wù)和類型，其次根據(jù)任務(wù)和類型介紹典型的工廠變配電所的主接線圖，然后針對主接線圖說明電力變壓器、電流互感器、電壓互感器等高壓一次設(shè)備和低壓一次設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能（包括防雷與接地），結(jié)合第2部分中負(fù)荷計(jì)算及短路電流的計(jì)算進(jìn)行選型。最后對于連接所有設(shè)備的工廠電力線路介紹其接線方式、結(jié)構(gòu)、敷設(shè)以及導(dǎo)線和電纜截面的選擇計(jì)算。在電氣二次系統(tǒng)中重點(diǎn)研究線路和元件（變壓器、高壓電動機(jī)）保護(hù)，例如：過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、單相接地保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)及差動保護(hù)等。重點(diǎn)為電氣式一次自動重合閘裝置原理及備用電源自動投入的基本原理，最后補(bǔ)充介紹微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（以微機(jī)控制的工廠供電系統(tǒng)四遙裝置為例）。

第4部分“解決問題”：在應(yīng)用技術(shù)中概述變電站自動化、配電網(wǎng)自動化、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和EMS能量管理系統(tǒng)。這部分內(nèi)容使學(xué)生對整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行有所了解。

2 利用多種教學(xué)手段，使教學(xué)環(huán)節(jié)生動化

2.1 課堂教學(xué)與現(xiàn)場實(shí)物教學(xué)相結(jié)合

課堂教學(xué)與現(xiàn)場實(shí)物教學(xué)相結(jié)合，通過對變電所的實(shí)地考察增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的整體性和連貫性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使書本理論有的放矢。

系統(tǒng)化教學(xué)內(nèi)容第1部分的講解在變電所（東北林業(yè)大學(xué)變電所）現(xiàn)場進(jìn)行，講授變電所的組成以及各部分的作用，尤其是主接線、線路結(jié)構(gòu)、主設(shè)備的連接等。在這部分介紹過程中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)高壓進(jìn)線方式、母線連接方式以及低壓出現(xiàn)方式，指出主要設(shè)備（主變、隔離開關(guān)、斷路器、互感器、電容器等）的連接順序和基本作用，為后續(xù)教學(xué)建立感性認(rèn)識；在此基礎(chǔ)上充實(shí)低壓配電方面內(nèi)容以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在現(xiàn)場教學(xué)中使學(xué)生對《工廠供電》課程的授課內(nèi)容有充分的認(rèn)識，使學(xué)生切實(shí)感受到所學(xué)的理論看得見、用得上，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合

板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合，采用錄像、照片等資料輔助課堂教學(xué)，使學(xué)習(xí)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，讓學(xué)生能夠直觀地認(rèn)識到如何利用理論知識解決實(shí)際問題[4～5]。

在電氣一次系統(tǒng)的主接線的授課過程中采用多媒體教學(xué)，可以將不同類型和功能的主接線直接給出并進(jìn)行對比講解，例如裝有2臺主變的總降變電所常用的4種主接線和小型工廠變電所根據(jù)主變數(shù)量的不同分為6種類型主接線的對比[6]。

在電氣一次系統(tǒng)主要設(shè)備的介紹過程中采用多媒體授課方式，從原理到實(shí)物再到設(shè)備更新等內(nèi)容融合在一起，與生產(chǎn)實(shí)際保持同步。例如在電力變壓器、電流互感器、電壓互感器的講述過程中，首先講解其工作原理、接線方式以及注意事項(xiàng)，然后以圖片的形式展示其外形結(jié)構(gòu)（包括接線端子），最后提供實(shí)際產(chǎn)品的多角度拍攝照片，以220/20 kV群力變電站工程中使用的主變、電壓互感器、電流互感器為例，同時(shí)展示這些設(shè)備在實(shí)際工程中的安裝位置，使學(xué)生如親臨現(xiàn)場。

在電氣二次系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容中主要系統(tǒng)講授線路和元件保護(hù)的保護(hù)類型、保護(hù)原理以及保護(hù)范圍，這些內(nèi)容采用板書結(jié)合多媒體的授課方式更容易使學(xué)生理解深入。對于二次回路的接線以及供電系統(tǒng)的自動裝置與遠(yuǎn)程化控制是很難在課堂上展現(xiàn)出來的，往往出現(xiàn)理論與實(shí)際脫節(jié)的情況，為有效解決這一問題，在授課過程中增加播放黑龍江省送變電工程公司試驗(yàn)所提供的二次回路傳動試驗(yàn)錄像環(huán)節(jié)，包括中央信號裝置動作實(shí)驗(yàn)、控制回路操作實(shí)驗(yàn)、保護(hù)回路操作實(shí)驗(yàn)以及保護(hù)回路實(shí)驗(yàn)。這些內(nèi)容均為實(shí)際工程的運(yùn)行前測試，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合。

對于應(yīng)用技術(shù)的講解由于內(nèi)容較多，僅從結(jié)構(gòu)和功能的角度例如供配電系統(tǒng)的自動化[7]、變電站自動化的基本功能與結(jié)構(gòu)、配電自動化與DSCADA系統(tǒng)簡介、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成與通信方式、EMS能量關(guān)系系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及EMS系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展[8～10]進(jìn)行概述。這部分完全采用多媒體授課方式，信息量大，并以哈爾濱市電力調(diào)度通訊中心為例說明其具體職能。目的是開闊學(xué)生眼界，不僅能夠使學(xué)生了解《工廠供電》課程所講述的理論在電網(wǎng)方面的進(jìn)一步應(yīng)用，更重要的是使學(xué)生認(rèn)識到多門專業(yè)課程（如自動控制系統(tǒng)、系統(tǒng)總線、通信技術(shù)等）知識的結(jié)合能夠產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

東北林業(yè)大學(xué)《工廠供電》課程理論教學(xué)共計(jì)48學(xué)時(shí)，具體學(xué)時(shí)安排和授課方式總結(jié)如表1所示。

表1 理論學(xué)時(shí)分配Tab.1 Time allocation of theory teaching

2.3 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合

在電氣二次系統(tǒng)的線路和元件保護(hù)理論教學(xué)完成后，立即安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，該內(nèi)容在東北林業(yè)大學(xué)電氣工程實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)儀器采用THLGP－1型供配電技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室共有8臺，因此實(shí)驗(yàn)需要分組進(jìn)行，根據(jù)具體情況每組3～5人協(xié)作完成，這種學(xué)以致用的教學(xué)方式，能夠使學(xué)生對知識內(nèi)容的理解更加深刻。為了強(qiáng)化該部分的重要性，更好地提高此教學(xué)方式的有效性，特別充實(shí)了實(shí)際操作考核內(nèi)容，實(shí)際操作考核是在教師的監(jiān)督下，由每位學(xué)生依次獨(dú)立完成，目的是引起學(xué)生高度重視，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

東北林業(yè)大學(xué)《工廠供電》課程實(shí)驗(yàn)共計(jì)8學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Tab.2 Experiment contents

3 充實(shí)考核環(huán)節(jié)，使考核內(nèi)容工程化

考核環(huán)節(jié)在整個(gè)教學(xué)過程中具有指導(dǎo)性意義，不僅揭示課程內(nèi)容的重點(diǎn)，更體現(xiàn)課程培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)和要求。

3.1 考核內(nèi)容

考核內(nèi)容分為如下3個(gè)部分。

1）基本概念和基本理論

在基本概念和基本理論的考核中，考核電力系統(tǒng)電壓與電能質(zhì)量；中性點(diǎn)運(yùn)行方式；一次設(shè)備的工作原理及注意事項(xiàng)；過電流保護(hù)的原理、類型和保護(hù)范圍以及防雷、接地保護(hù)原理和保護(hù)范圍；電力系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)度自動化的結(jié)構(gòu)與功能等。

2）分析計(jì)算及設(shè)計(jì)

分析計(jì)算主要包括工廠電力負(fù)荷的計(jì)算和短路電流的計(jì)算，從而設(shè)計(jì)工廠變電所一次系統(tǒng)的主接線。

3）實(shí)際操作

實(shí)際操作考核表2實(shí)驗(yàn)中的任意1個(gè)。

3.2 考核方式

對于一般概念和基本理論的考核采用筆試答卷的形式進(jìn)行，考試時(shí)長由原來的120min縮減到90min，在全部課程結(jié)束后的2周內(nèi)完成。

分析計(jì)算及設(shè)計(jì)的考核在電氣一次系統(tǒng)內(nèi)容結(jié)束后以課程設(shè)計(jì)[11～13]的形式進(jìn)行，該環(huán)節(jié)以大型企業(yè)為原型（齊齊哈爾第二機(jī)床廠）設(shè)計(jì)車間變電所，車間性質(zhì)分為機(jī)加車間和裝配車間。已知車間設(shè)備參數(shù)撰寫設(shè)計(jì)說明書（包括負(fù)荷計(jì)算、短路計(jì)算及穩(wěn)定度校驗(yàn)、主接線設(shè)計(jì)等內(nèi)容）。設(shè)計(jì)時(shí)長為120min，題目共計(jì)3種，根據(jù)考生位置依次穿插分配，設(shè)計(jì)說明書規(guī)格為A4紙10頁，除提供題目、數(shù)據(jù)外還提供基本提綱類指導(dǎo)。

實(shí)際操作考核已在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)中有明確安排，3個(gè)實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽簽決定，5min原理講述，10min接線操作，3位老師分組在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行考核。

《工廠供電》課程考試滿分100分，各部分考核內(nèi)容所占比例如表3所示。

表3 考核方案Tab.3 Appraisal program 學(xué)時(shí)

4 結(jié)語

《工廠供電》課程工程化教學(xué)模式改革以東北林業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)（選修課）為試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)踐，從學(xué)生的反饋情況看，該教學(xué)模式的實(shí)施明顯提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，對知識點(diǎn)的理解和掌握程度也明顯提高，教學(xué)效果令人滿意，但是目前對于電氣工程及其自動化專業(yè)（必修課）沒有大范圍實(shí)施，主要原因?yàn)閷?shí)際操作考核內(nèi)容需要進(jìn)一步完善，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容需要進(jìn)一步調(diào)整，鼓勵個(gè)性化設(shè)計(jì)方案，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，避免千篇一律、墨守成規(guī)。同時(shí)在教學(xué)實(shí)踐過程進(jìn)一步探索和總結(jié)，完善授課內(nèi)容，優(yōu)化學(xué)時(shí)安排，相信不久的將來在課程組全體老師的共同努力下一定會全面實(shí)行，為社會培養(yǎng)出合格的工程技術(shù)人才。

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