實(shí)踐教學(xué)解決復(fù)雜工程問題的探索

甘輝霞 黃景光 陳鐵 王崢

摘 要：實(shí)踐教學(xué)如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力已經(jīng)成為當(dāng)前工程教育專業(yè)教學(xué)中的重要課題。文章以繼電保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)為對象，依托工程實(shí)際，圍繞復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵，從實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、任務(wù)安排和教學(xué)方法等3個(gè)方面對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。使得學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力穩(wěn)步提高。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題；繼電保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）23-0106-03

Abstract： How to train students to solve complex engineering problems in practical teaching has become an important subject in the teaching of engineering education. In this paper， aiming at the comprehensive experiment of relay protection， based on the engineering practice， on the connotation of complex engineering problems， the experiment was designed from 3 aspects： experiment target， task arrangement and teaching method， to enable students to improve the ability to solve complex engineering problems steadily.

Keywords： complex engineering problems； comprehensive experiment of relay protection； experiment design

企業(yè)對畢業(yè)生工程實(shí)踐能力的要求與日俱增[1]，尤其是中國加入了華盛頓協(xié)議之后，如何培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜工程問題能力的畢業(yè)生，已經(jīng)成為工程教育專業(yè)當(dāng)前和今后必須重視和做好的重要工作。實(shí)踐教學(xué)是提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要手段，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力方面具有舉足輕重的作用。繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要實(shí)驗(yàn)課程，本文以繼電保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)對象，圍繞復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵，從繼電保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面入手，逐步提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

一、復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵分析

要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，首先要理解復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵。

復(fù)雜首先體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上，包含多個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間相互依賴、相互協(xié)同，并具有層次的結(jié)構(gòu)；其次是非線性，即系統(tǒng)內(nèi)部諸要素之間的相互作用是非線性而不是線性的；第三是各要素在非線性作用上復(fù)合而成的一個(gè)整體?！肮こ獭笔紫葟?qiáng)調(diào)的是理論和技術(shù)的應(yīng)用，而不是科學(xué)研究；其次，表現(xiàn)為具有整體性的、有組織的活動，需要借助工具來完成；第三，實(shí)施過程中需要團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作；第四，需要考慮成本和經(jīng)濟(jì)效益。

由此可見復(fù)雜工程問題涉及很多專業(yè)的技術(shù)，無法使用單一的專業(yè)技術(shù)和傳統(tǒng)思路給出答案；問題可能超越常規(guī)場景，存在著技術(shù)上的沖突，需要探索新的思路、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和方法；還涉及外部與工程本身無關(guān)的約束、利益沖突。

針對復(fù)雜工程的以上特性，中國工程教育認(rèn)證協(xié)會了對復(fù)雜工程問題進(jìn)行了界定，它包含了七個(gè)基本要素，包括必備條件（1）和其余（2）-（7）的部分或者全部。標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)的屬性見表1。

因此培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，其實(shí)質(zhì)就是需要學(xué)生能夠應(yīng)對復(fù)雜性、全局性的問題，在不具備成熟工具的條件下創(chuàng)新性地運(yùn)用基礎(chǔ)知識和基本理論，在綜合考慮多因素的場景下通過分析、研究、評估、設(shè)計(jì)、實(shí)施等活動帶領(lǐng)多學(xué)科背景團(tuán)隊(duì)高效完成工程目標(biāo)[2]。

在實(shí)踐教學(xué)中要做到這一點(diǎn)，必須要考慮以下的三個(gè)問題：1.如何設(shè)計(jì)復(fù)雜工程問題；2.如何圍繞復(fù)雜工程問題開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)；3.如何使復(fù)雜工程問題所需要的工程原理和各種工程知識在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到深入地運(yùn)用。

二、繼電保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

復(fù)雜工程問題來源于工程，實(shí)踐教學(xué)必然要如實(shí)地展現(xiàn)工程。繼電保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的拓展和補(bǔ)充。繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的第一道防線，它是研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運(yùn)行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施和設(shè)備。一般將實(shí)現(xiàn)這種自動化措施的成套設(shè)備稱為繼電保護(hù)裝置。當(dāng)電力系統(tǒng)或重要設(shè)備（線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、母線、斷路器及電抗器）發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)和設(shè)備安全，繼電保護(hù)裝置能夠向運(yùn)行值班人員及時(shí)發(fā)出警告信號，并直接控制的斷路器跳閘以終止事故的發(fā)展。

工程實(shí)踐中繼電保護(hù)裝置必須經(jīng)過調(diào)試才能投運(yùn)，調(diào)試過程包括二次回路的檢查、保護(hù)裝置調(diào)試、定值計(jì)算、整定及校驗(yàn)，各保護(hù)功能測試、整組測試等諸多環(huán)節(jié)。如圖1所示，調(diào)試過程滿足了復(fù)雜工程問題（1）、（2）、（3）、（4）方面的要求。

首先，工程中必須深入地分析繼電保護(hù)保護(hù)原理、保護(hù)的功能邏輯、裝置的功能邏輯才能夠合理運(yùn)用專業(yè)技術(shù)完成調(diào)試工作。滿足了復(fù)雜工程問題（1）的要求。其次，裝置的調(diào)試包括保護(hù)的回路測試、保護(hù)的功能測試和裝置的功能測試，涉及到電氣、控制、通信、微機(jī)專業(yè)，各保護(hù)功能之間不僅存在邏輯配合，保護(hù)功能與保護(hù)回路之間同樣也存在邏輯關(guān)聯(lián)，保護(hù)工作人員必須能夠熟練地運(yùn)用上述專業(yè)技術(shù)，在相應(yīng)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程的指引下完成測試，并確保保護(hù)動作的準(zhǔn)確性，既不能發(fā)生誤動情況，也不能出現(xiàn)拒動的情況。滿足了復(fù)雜工程問題（2）的要求。

第三，保護(hù)功能和保護(hù)指標(biāo)是針對各種短路事故設(shè)計(jì)和開發(fā)的，只有在各種復(fù)雜故障和運(yùn)行方式下才能夠有效地測試保護(hù)動作的準(zhǔn)確性。因此要完成測試，就要對保護(hù)裝置實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下可能應(yīng)對的各種復(fù)雜短路故障和運(yùn)行方式進(jìn)行模擬，確保在各種故障和正常運(yùn)行的環(huán)境下，保護(hù)能夠滿足規(guī)范要求。滿足了復(fù)雜工程問題（3）的要求。

此外，調(diào)試中除了要使用萬用表、兆歐表、示波器等常規(guī)工具外，還要使用專用的保護(hù)測試儀，如繼保之星。滿足了復(fù)雜工程問題（4）的要求。

因此，將保護(hù)裝置的調(diào)試過程作為實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容，可以讓學(xué)生把理論知識、測試設(shè)備、保護(hù)裝置、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有機(jī)結(jié)合起來，培養(yǎng)他們深入運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識解決保護(hù)裝置測試中的復(fù)雜工程問題。

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和實(shí)驗(yàn)任務(wù)

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

圍繞裝置調(diào)試的實(shí)際流程制定計(jì)劃，對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的各項(xiàng)功能和指標(biāo)的進(jìn)行測試，目標(biāo)如下：

1. 能夠自行設(shè)計(jì)測試方案，并按照測試方案開展實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)、分析結(jié)果并對實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行評價(jià)。

2. 能夠根據(jù)保護(hù)裝置的作用及保護(hù)對象，對裝置的各項(xiàng)保護(hù)功能進(jìn)行整定計(jì)算。

3. 能夠?qū)ΡＷo(hù)整定值進(jìn)行保護(hù)功能和指標(biāo)的測試，確保裝置整定值有效，工作正常，達(dá)到運(yùn)行規(guī)范的要求。

4. 能夠?qū)ΡＷo(hù)裝置進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測試，確保保護(hù)裝置各項(xiàng)保護(hù)功能是否正常，達(dá)到運(yùn)行規(guī)范的要求。

（二）實(shí)驗(yàn)任務(wù)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，按照學(xué)生知識和能力發(fā)展的基本規(guī)律制訂實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

任務(wù)1：掌握完成實(shí)驗(yàn)的基本方法和基本理論。包括保護(hù)整定值的計(jì)算方法、完成裝置測試的基本流程；理解及分析保護(hù)功能流程所必需的知識儲備；實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備和保護(hù)裝置的操作方法、操作步驟；如何計(jì)算測試過程中的數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性指標(biāo)，包括裝置狀態(tài)、保護(hù)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)及報(bào)文等；如何利用這些指標(biāo)對測試的結(jié)果進(jìn)行判斷、總結(jié)和分析。

任務(wù)2：整定值的計(jì)算。包括裝置中所有保護(hù)的整定值計(jì)算，并將整定值輸入裝置。

任務(wù)3：保護(hù)基本功能檢查與分析，包括開機(jī)檢查裝置啟動、顯示，是否有報(bào)警信號，電源檢查，模擬輸入通道零漂檢查，邏輯輸入、壓板、手柄狀態(tài)檢查，光纖通道信號檢查；模擬輸入通道采樣值檢查，保護(hù)裝置差動電流、零序電流等計(jì)算值檢查。

任務(wù)4：保護(hù)功能測試與分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案及保護(hù)功能邏輯流程，進(jìn)行各個(gè)保護(hù)功能的整定值、動作時(shí)間、方向性測試校核，跳閘出口、報(bào)文信息、報(bào)警信號檢查；著重檢查保護(hù)動作過程的保護(hù)功能邏輯流程，要求不存在誤動和拒動現(xiàn)象，若發(fā)生誤動和拒動現(xiàn)象應(yīng)詳細(xì)分析原因，并重新檢查實(shí)驗(yàn)方案。

任務(wù)5：保護(hù)裝置整組實(shí)驗(yàn)與分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案及保護(hù)功能邏輯流程，投入整組保護(hù)功能、重合閘、模擬斷路器，以及必要的與其他保護(hù)裝置的邏輯配合，如外部啟動信號、縱聯(lián)通道信號等，進(jìn)行保護(hù)功能整組實(shí)驗(yàn)，模擬保護(hù)裝置實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下應(yīng)對系統(tǒng)發(fā)生各種復(fù)雜短路故障和運(yùn)行方式，檢查跳閘邏輯、斷路器跳閘合閘、報(bào)文信息、報(bào)警信號，著重檢查保護(hù)裝置整組動作過程的保護(hù)功能邏輯流程，要求保護(hù)裝置不存在設(shè)置、整定的沖突或不合理，保護(hù)裝置整定值可靠有效、工作正常、動作正確，達(dá)到運(yùn)行規(guī)范的要求。

（三）教學(xué)模式改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用以學(xué)生為主的教學(xué)模式，根據(jù)學(xué)生的畢業(yè)要求，通過教師引導(dǎo)把學(xué)生推到了教學(xué)的主體地位。

在實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生通過查閱資料學(xué)習(xí)相關(guān)知識，了解保護(hù)背景、基本原理；能夠?qū)﹄姎夤こ滔嚓P(guān)的各類物理現(xiàn)象進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

任務(wù)1以認(rèn)知為主，主要采用教師講課的方式，完成相應(yīng)規(guī)程規(guī)范、實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)備操作方法、實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度安排及相關(guān)的理論知識的講授。

自任務(wù)2起，在學(xué)生掌握了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)規(guī)程之后，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)自行制定實(shí)驗(yàn)方案，包括整定計(jì)算、功能測試和裝置測試。學(xué)生先按照規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)制定出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案并對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，再按照實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)，自行記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果并對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行反思。在這一過程中，學(xué)生能夠選用或搭建實(shí)驗(yàn)裝置，采用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，安全地開展實(shí)驗(yàn)。教師可以減少對理論性和專業(yè)性知識的講解，僅安排實(shí)驗(yàn)任務(wù)、檢查實(shí)驗(yàn)方案、控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)、解答實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題等，并采用隨機(jī)提問的方式，考核學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、過程、方法的掌握程度。檢查學(xué)生是否能正確采集、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)、建模、分析和解釋，獲取合理有效的結(jié)論；做到能夠了解和初步掌握與電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、運(yùn)行維護(hù)、產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)的技術(shù)、資源和工具；能把相關(guān)技術(shù)、資源和工具應(yīng)用于電氣工程問題的解決過程，對電力系統(tǒng)復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、預(yù)測與模擬，并理解其局限性；具有工程實(shí)習(xí)和社會實(shí)踐的經(jīng)歷。

在成績評定方面，改變針對實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評分的傳統(tǒng)方式。教師根據(jù)課堂考勤及課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果是否正確、專題討論、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況進(jìn)行綜合考核。實(shí)驗(yàn)完成后，教師對考核結(jié)果進(jìn)行反思，通過對比考核結(jié)果對實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成度進(jìn)行分析，分析實(shí)驗(yàn)是否達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。1.人才培養(yǎng)方案制訂（修訂）。培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的確定，考慮到學(xué)校、社會、學(xué)生等利益相關(guān)方的需求；課程體系按照期望學(xué)生達(dá)到的畢業(yè)要求（包含知識、能力和素質(zhì)要求）進(jìn)行組織。2.教學(xué)導(dǎo)向。教學(xué)重點(diǎn)關(guān)注output，學(xué)生怎樣取得學(xué)習(xí)成果，實(shí)際學(xué)習(xí)成果如何，怎樣評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。3.教學(xué)組織與實(shí)施。教學(xué)組織體現(xiàn)以學(xué)生為中心，以啟發(fā)式講授、互動式交流、探究式討論等方式，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和有效學(xué)習(xí)，教學(xué)過程突出學(xué)生深度參與、與實(shí)踐體驗(yàn)的緊密結(jié)合以及批判性思維養(yǎng)成等。4.教學(xué)評價(jià)與改進(jìn)。以學(xué)生學(xué)習(xí)成果的評價(jià)改進(jìn)教學(xué)；用多種方式評價(jià)（包括非標(biāo)準(zhǔn)答案考試）；跟蹤、反饋、改進(jìn)等形成持續(xù)改進(jìn)的機(jī)制。

四、結(jié)束語

實(shí)踐教學(xué)如何提升學(xué)生解決工程問題的能力是當(dāng)前工程專業(yè)面臨的重要問題。本文以繼電保護(hù)的綜合實(shí)驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)開展及實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)方面闡述了如何在實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，可以為專業(yè)的其他實(shí)驗(yàn)提供借鑒。

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