基于CDIO的電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向教學(xué)與實(shí)踐改革探索

張莉莉　陳群

摘 要：CDIO工程教育模式是目前我國(guó)高校培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型專業(yè)人才的最新方法。本文簡(jiǎn)要分析了洛陽(yáng)師范學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展和現(xiàn)狀，根據(jù)其存在的主要問(wèn)題，提出在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)（電力系統(tǒng)方向）中引入CDIO工程教育理念，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，進(jìn)行了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的改革，通過(guò)改革將各門(mén)課程的教學(xué)效果達(dá)到最大化，為工科教學(xué)改革的教學(xué)模式提供參考，以切實(shí)滿足電力相關(guān)行業(yè)對(duì)該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的迫切需求。

關(guān)鍵詞：電氣工程及其自動(dòng)化 CDIO 電力系統(tǒng) 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

作者簡(jiǎn)介：張莉莉（1982-），女，漢，河南省洛陽(yáng)人，講師，碩士，畢業(yè)于江蘇大學(xué)，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、現(xiàn)代控制等。

電氣工程及其自動(dòng)化是與電能生產(chǎn)和應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)，也是工程教育體系中的一個(gè)學(xué)科[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求越來(lái)越大，電力后備人才的培養(yǎng)迫在眉睫。目前，我國(guó)許多大學(xué)都開(kāi)設(shè)有該專業(yè)，是我國(guó)高校招收學(xué)生最多的專業(yè)之一。洛陽(yáng)師范學(xué)院也開(kāi)設(shè)了該專業(yè)，專業(yè)包含電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、過(guò)程控制及其自動(dòng)化、電力電子與拖動(dòng)三個(gè)方向。 該專業(yè)安排的課程都是從事電力系統(tǒng)相關(guān)工作的基礎(chǔ)知識(shí)，有理論性強(qiáng)、且與實(shí)際工程聯(lián)系密切的特點(diǎn)，它要求學(xué)生有較高的動(dòng)手能力。但由于傳統(tǒng)教學(xué)方式存在不足，所以至今教學(xué)效果不夠理想[2]。該文在已有教學(xué)改革和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，引入CDIO工程教育理念，并將教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，確定課程教學(xué)方案，最終得出一套基于CDIO的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向）的教學(xué)方法，進(jìn)而培養(yǎng)出工程能力較強(qiáng)的學(xué)生。

1 洛陽(yáng)師范學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展和現(xiàn)狀

我校是師范院校，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)較晚，與重點(diǎn)工科大學(xué)相比，在學(xué)校軟硬件方面都存在一定的差距。我校原為師范院校，開(kāi)設(shè)該專業(yè)后在課程體系及教學(xué)方面還沿用了師范教學(xué)的一套理論，難免出現(xiàn)各種問(wèn)題。

在課程體系和教學(xué)內(nèi)容中，出現(xiàn)了一些問(wèn)題：一是注重理論教學(xué)，忽略了實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生實(shí)踐能力較差；二是各門(mén)課程老師交流較少，各課程教師只是專注于自己教學(xué)課程，與相關(guān)課程老師交流過(guò)少，導(dǎo)致學(xué)習(xí)內(nèi)容上的連貫性不是很好；三是校企合作還有待提高；四是教學(xué)設(shè)備和設(shè)施不完善，校內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地和校外實(shí)踐教學(xué)基地尚未建設(shè)好；五是電氣工程及其自動(dòng)化是長(zhǎng)線專業(yè)，具有很大的社會(huì)需求，尤其服務(wù)洛陽(yáng)地方經(jīng)濟(jì)和相關(guān)行業(yè)的能力仍待提高。

2 改革思路及方向

2.1 基于CDIO的理論教學(xué)改革

CDIO由構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)作（Operate）四個(gè)英文單詞的首字母組成。它涵蓋了從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的整個(gè)周期，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)工程，并注重實(shí)踐以及課程之間的聯(lián)系，集中體現(xiàn)了“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的理念，因此理論教學(xué)時(shí)應(yīng)注重實(shí)踐中的應(yīng)用內(nèi)容的講授。

2.1.1電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向?qū)I(yè)課程設(shè)置

電力系統(tǒng)是由多個(gè)環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)，包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等。為保證系統(tǒng)的良好運(yùn)作，還在各個(gè)環(huán)節(jié)和不同層次之間設(shè)立了相應(yīng)的信息與控制系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)、通信和調(diào)度電能生產(chǎn)的全過(guò)程，以保證用戶獲得安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的電能。電氣工程及其自動(dòng)化（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向）主要任務(wù)就是理解、掌握并能設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)。因此該專業(yè)主要開(kāi)設(shè)的專業(yè)主干課程有：電力電子技術(shù)、高電壓技術(shù)、發(fā)電廠電氣部分、電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)仿真、電力系統(tǒng)規(guī)劃等課程等。

2.1.2理論教學(xué)改革

學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)專業(yè)主干課程對(duì)電力系統(tǒng)有一個(gè)全面深入的了解，為今后從事相關(guān)的工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。為了達(dá)到好的教學(xué)效果，以上各門(mén)與實(shí)際聯(lián)系緊密的課程講授時(shí)應(yīng)以CDIO的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，牢牢掌握電力系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。

以《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)》課程為例[3]，對(duì)課程基于CDIO的教學(xué)，講解內(nèi)容應(yīng)分步實(shí)現(xiàn)。首先，要讓學(xué)生透徹理解繼電保護(hù)的內(nèi)涵，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)大型事故案例的分析來(lái)主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并構(gòu)思（conceive）。因?yàn)槔^電保護(hù)作用重大，能保護(hù)一次系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，學(xué)生們只有在分析系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障運(yùn)行的電氣量特性差別的基礎(chǔ)上，才能設(shè)定保護(hù)方案，所以學(xué)生必須牢牢掌握。其次，掌握繼電保護(hù)方法是思考和解決保護(hù)問(wèn)題的基礎(chǔ)，學(xué)生只有在此基礎(chǔ)上，才能對(duì)一次系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，找出相對(duì)的辦法來(lái)切除故障，并完成設(shè)計(jì)（design）和實(shí)現(xiàn)（implement）過(guò)程；再次，典型完備的保護(hù)方案應(yīng)從企業(yè)那里借鑒，因?yàn)槠髽I(yè)在這方面配置十分成熟，啟發(fā)學(xué)生在配置保護(hù)時(shí)形成完整的概念，完成運(yùn)作（operate）過(guò)程。上述這種教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了原來(lái)的繼電保護(hù)課程偏重于基本原理的介紹、不注重應(yīng)用的缺陷。

2.2 基于 CDIO 工程教育模式的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與實(shí)踐

目前我國(guó)工程教育不僅重視科學(xué)基礎(chǔ)，還重視對(duì)學(xué)生個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及系統(tǒng)適應(yīng)和調(diào)控能力的培養(yǎng)。要真要做到這些，要改革工程人才培養(yǎng)模式。參照CDIO理念進(jìn)行改革是一種有效可行的思路。這種理念以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向、以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，可通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)將整個(gè)課程體系系統(tǒng)地、有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。該研究為學(xué)生設(shè)置了1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)三個(gè)級(jí)別的項(xiàng)目。1級(jí)項(xiàng)目涵蓋該專業(yè)核心課程，體現(xiàn)專業(yè)主要能力要求，貫穿于整個(gè)本科教學(xué)階段，對(duì)學(xué)生進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的整體訓(xùn)練；2級(jí)項(xiàng)目則僅涉及一組相關(guān)核心課程的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)突出對(duì)某項(xiàng)能力的要求；3級(jí)項(xiàng)目則針對(duì)單門(mén)課程，專為增加學(xué)生對(duì)該門(mén)課程的理解而設(shè)。各級(jí)項(xiàng)目設(shè)立的必要性、所涉及的能力要求等，均根據(jù)課程需要而定。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，整個(gè)培養(yǎng)計(jì)劃形成有機(jī)整體。

2.2.1基于 CDIO 模式的課程設(shè)計(jì)的設(shè)置（3級(jí)項(xiàng)目）

該校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)有多達(dá)二十幾門(mén)的專業(yè)課課程設(shè)計(jì)，為了達(dá)到實(shí)際效果，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向的學(xué)生重點(diǎn)對(duì)電力電子技術(shù)、高電壓技術(shù)、發(fā)電廠電氣部分、電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化、電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理、Matlab控制系統(tǒng)與仿真、單片機(jī)原理及應(yīng)用等課程進(jìn)行課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。通過(guò)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，增設(shè)每一門(mén)課的課程設(shè)計(jì)，可以很好的提高學(xué)生的動(dòng)手能力，改善學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解水平，為使學(xué)生形成完整的知識(shí)體系以及應(yīng)用能力打下良好的基礎(chǔ)。

3級(jí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)旨在鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和綜合學(xué)習(xí)。項(xiàng)目通過(guò)開(kāi)展學(xué)術(shù)研討活動(dòng)，推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)建模、模型分析、仿真開(kāi)發(fā)等技能。教師在課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)技術(shù)研討、方案選擇等形式啟發(fā)創(chuàng)新思維。在這種新型模式的課程設(shè)計(jì)下，學(xué)生對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)模型分析計(jì)算，可培養(yǎng)其用數(shù)學(xué)邏輯方法精確描述電力系統(tǒng)的能力。項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)要考慮學(xué)生個(gè)體能力的差異，為不同水平的學(xué)生提供不同復(fù)雜程度的選擇。按照各自的要求完成設(shè)計(jì)任務(wù)，也可以達(dá)到鞏固知識(shí)和鍛煉能力的目的。比如電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)置：⑴單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)；⑵正弦波同步移相觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)；⑶單相半波可控整流電路的設(shè)計(jì)；⑷單相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)；⑸單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)；⑹三相半波可控整流電路的設(shè)計(jì)；⑺三相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)；⑻三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)；⑼單相正弦波脈寬調(diào)制SPWM逆變電路的設(shè)計(jì)；⑽半橋型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)；⑾單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)。以上設(shè)計(jì)難易程度有所差別，適合不同水平的學(xué)生，使不同層次學(xué)生都能得到鍛煉。

2.2.2基于 CDIO 工程教育理念的“課程群“綜合設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)設(shè)置（2級(jí)項(xiàng)目）

2級(jí)項(xiàng)目則引導(dǎo)一組相關(guān)核心課程的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)突出對(duì)某項(xiàng)能力要求。我校把電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的所有課程建立了四個(gè)課程群，其中專業(yè)課程群有四個(gè)：電子電路課程群、自動(dòng)控制類課程群、電力系統(tǒng)及自動(dòng)化課程群、嵌入式系統(tǒng)課程群。這里重點(diǎn)討論電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向的課程群。

電力系統(tǒng)及自動(dòng)化課程群主要涉及電能的產(chǎn)生、變換、輸送、分配、控制的理論，電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、運(yùn)行規(guī)律，以及相應(yīng)的設(shè)備、測(cè)量、保護(hù)、調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)的理論和技術(shù)。本課程群建設(shè)的目的就是將電力電子、電力系統(tǒng)分析等相關(guān)的理論課程和繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣部分、高電壓等技術(shù)課程同實(shí)際電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)， 通過(guò)上述訓(xùn)練，學(xué)生能掌握電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并鍛煉了分析、計(jì)算和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。因此，該課程群的設(shè)置對(duì)培養(yǎng)從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行、自動(dòng)控制、技術(shù)開(kāi)發(fā)、信息處理、設(shè)計(jì)施工等領(lǐng)域工作的應(yīng)用型工程技術(shù)人才具有重要意義。

課程群綜合設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目的設(shè)置有個(gè)原則，那就是必須注重專業(yè)核心課程之間知識(shí)點(diǎn)的相互聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作都要基于項(xiàng)目進(jìn)行。讓課程群綜合設(shè)計(jì)給學(xué)生更多參與實(shí)踐的機(jī)會(huì)。如該院進(jìn)行不同電壓等級(jí)變電站設(shè)計(jì)與保護(hù)的課程群綜合設(shè)計(jì)時(shí)，將具有很強(qiáng)內(nèi)在聯(lián)系的電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣部分、計(jì)算機(jī)仿真等課程融合成一個(gè)課程群設(shè)計(jì)。以發(fā)電廠電氣主接線方案為平臺(tái)，依托短路計(jì)算和潮流計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中設(shè)備選擇與運(yùn)行，通過(guò)分析故障特征并進(jìn)行整定計(jì)算來(lái)設(shè)定保護(hù)、最后通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真分析等環(huán)節(jié)[4]。在這一個(gè)課程群設(shè)計(jì)下，學(xué)生工程實(shí)踐能力得到提高，而且在學(xué)習(xí)理論課之前，就能對(duì)立電力系統(tǒng)整體知識(shí)點(diǎn)有宏觀把握。綜合性設(shè)計(jì)通過(guò)利用開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐，可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的實(shí)踐操作訓(xùn)練時(shí)間。通過(guò)自主性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。

2.2.3基于 CDIO 模式的“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程改革（1級(jí)項(xiàng)目）

CDIO 工程教育思想要求學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)工程技術(shù)，并將課程和實(shí)踐有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。這符合當(dāng)前高等教育改革和發(fā)展趨勢(shì)：即將教學(xué)過(guò)程與相關(guān)行業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系起來(lái)。該院1級(jí)項(xiàng)目必須完整的貫穿于整個(gè)本科教學(xué)階段，使學(xué)生完整的得到構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作等方面的系統(tǒng)訓(xùn)練。該校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的1級(jí)項(xiàng)目分初級(jí)階段和高級(jí)階段。初級(jí)階段在一到三年級(jí)完成，任務(wù)是：了解CDIO理念，通過(guò)解剖產(chǎn)品實(shí)例來(lái)了解其組成部分及設(shè)計(jì)原理，使學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)，并了解本專業(yè)核心課程與實(shí)際產(chǎn)品之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，讓他們可以未來(lái)工程師的角色定位去看待所學(xué)知識(shí)；學(xué)生經(jīng)歷項(xiàng)目構(gòu)思與設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程后，對(duì)專業(yè)的興趣會(huì)大大提高，創(chuàng)新思維也能得到鍛煉。畢業(yè)設(shè)計(jì)是1級(jí)項(xiàng)目的高級(jí)階段，任務(wù)是：學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)與項(xiàng)目訓(xùn)練后，利用所學(xué)知識(shí)，完成一個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作等的訓(xùn)練。設(shè)置1級(jí)項(xiàng)旨在讓學(xué)生從解決實(shí)際問(wèn)題出發(fā)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的興趣，引導(dǎo)其探索并掌握解決問(wèn)題的方法。

該院鼓勵(lì)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)與工礦企業(yè)相結(jié)合，具體參與到某個(gè)產(chǎn)品或者是某個(gè)電力建設(shè)過(guò)程中去，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)著重培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問(wèn)題、組織管理、社交、獨(dú)立工作等各種能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)、扎實(shí)的工作作風(fēng)和強(qiáng)烈的事業(yè)心、責(zé)任感。只有具備這些能力和素養(yǎng)，學(xué)生將來(lái)走上工作崗位后，才能順利完成所承擔(dān)的建設(shè)任務(wù)。

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是，通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生了解電氣工程設(shè)計(jì)基本原理和方法，掌握一般電氣工程設(shè)計(jì)的基本技能；根據(jù)情況合理選擇實(shí)施方案；熟練進(jìn)行電氣工程各方面的計(jì)算，并設(shè)計(jì)出合乎規(guī)范的電氣工程施工圖紙。評(píng)估學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，要將實(shí)施過(guò)程和成果相結(jié)合進(jìn)行，要重視過(guò)程和社會(huì)需求者的評(píng)價(jià)，對(duì)于結(jié)果則可以看得輕些，做到以社會(huì)需求為導(dǎo)向進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)估由畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫(xiě)（40%）、畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程（40%）、社會(huì)需求評(píng)價(jià)（10%）和平時(shí)表現(xiàn)（10%）四部分組成。以項(xiàng)目實(shí)施與理論掌握情況考核為主，兼顧社會(huì)需求與平時(shí)成績(jī)，這樣才可以較為全面地評(píng)估學(xué)生的能力。

3 小結(jié)

該文介紹了基于 CDIO 的電氣工程及其自動(dòng)化（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向）專業(yè)教學(xué)的改革與實(shí)踐，通過(guò)將教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化，培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力，以及自學(xué)創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和社會(huì)責(zé)任感。轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，讓他們主動(dòng)結(jié)合實(shí)踐學(xué)習(xí)，從而使該課程由偏重理論性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撆c實(shí)踐并重。這種新的教學(xué)思維模式，以突出工程實(shí)踐應(yīng)用為特色，能夠切實(shí)滿足電力相關(guān)行業(yè)對(duì)該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的迫切需求。

參考文獻(xiàn)

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