基于CDIO理念的電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革

孫玲玲+王寧梅+林謝平

[摘要]電力系統(tǒng)綜合實驗是電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)多門課程交叉的綜合性實驗，能夠使學(xué)生從全局、系統(tǒng)的角度直觀認(rèn)識理解電力系統(tǒng)。針對電力系統(tǒng)綜合實驗現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合項目式教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，提出基于CDIO理念的電力系統(tǒng)綜合實驗課程改革方案，并對改革方案中具體實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗方法及考核方式等進(jìn)行說明。實踐表明，上述改革方案在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)工程知識、個人能力、團隊合作能力、工程系統(tǒng)能力等方面取得了良好的教學(xué)效果，并為未來教學(xué)實踐的持續(xù)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]CDIO；項目式教學(xué)；電力系統(tǒng)綜合實驗；教學(xué)改革

[中圖分類號]TN41；G642[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]10054634（2017）03009705

0引言

電力系統(tǒng)綜合實驗是電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的重要實踐環(huán)節(jié)，主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識處理工程問題的能力。電力系統(tǒng)綜合實驗是涵蓋“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析”“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”“電力系統(tǒng)自動裝置”“變電站綜合自動化”等多門專業(yè)課程知識交叉的綜合性實驗。燕山大學(xué)電力實驗室中的實驗設(shè)備通過物理模擬及數(shù)字仿真等形式呈現(xiàn)電力系統(tǒng)運行及自動化控制的全過程，使學(xué)生從全局、系統(tǒng)的角度認(rèn)識理解電力系統(tǒng)[1，2]。

目前，實驗室開設(shè)的電力系統(tǒng)綜合實驗大多為傳統(tǒng)的驗證型實驗。在實驗過程中，學(xué)生按照指導(dǎo)教師所講及指導(dǎo)書中的實驗步驟操作即可得出結(jié)論。實驗教學(xué)內(nèi)容及考核方式陳舊單一，實驗過程中學(xué)生發(fā)揮獨立分析思考解決問題的能力受限，處于被動地位。從實驗教學(xué)效果來看，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式難以有效地提高學(xué)生實踐技能和綜合素質(zhì)[3]。

隨著CDIO現(xiàn)代工程教育培養(yǎng)模式的引入與逐漸推廣，對電力系統(tǒng)綜合實驗課程進(jìn)行項目式教學(xué)改革成為必然趨勢。電力系統(tǒng)綜合實驗的改革注重專業(yè)核心課程之間知識點的相互聯(lián)系，打破以理論驗證為主的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，強調(diào)實驗構(gòu)思、設(shè)計、運作、實踐基于項目進(jìn)行。轉(zhuǎn)變教師和學(xué)生在實驗中的地位，要求學(xué)生參與構(gòu)思、自主設(shè)計、協(xié)作實施，實現(xiàn)從被動教育到自主學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變[4，5]。

本文在研究CDIO工程教育理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合項目式教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，提出基于CDIO理念的電力系統(tǒng)綜合實驗課程改革方案，對實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗方法及實驗考核方式等進(jìn)行改革。以燕山大學(xué)2012級電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)本科生為對象的項目式培養(yǎng)教學(xué)實踐，獲得了豐富的教學(xué)經(jīng)驗和顯著效果，為未來教學(xué)改革實踐的持續(xù)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1綜合實驗項目實施方案

為推進(jìn)電力系統(tǒng)綜合實驗教改實施，對實驗課程教學(xué)大綱進(jìn)行調(diào)整。為提高教改課程的可行性，形成教學(xué)效果對比，只對綜合實驗中的部分項目進(jìn)行改革，其余項目按傳統(tǒng)方式授課，并在未來的課程改革中不斷持續(xù)改進(jìn)。

由表1可知，未改革的綜合實驗項目由指導(dǎo)教師講解實驗原理及設(shè)備使用方法，學(xué)生連接實驗電路，并按照指導(dǎo)書上的實驗步驟做實驗，記錄實驗結(jié)果。教改的綜合實驗項目與傳統(tǒng)驗證型實驗相比，在實驗內(nèi)容、實驗形式方面有較大的改變。

1.1綜合實驗改革項目實施形式

電力系統(tǒng)綜合實驗課程改革打破傳統(tǒng)“學(xué)與做”的教學(xué)模式，實驗項目選題具有工程環(huán)境與背景，實驗?zāi)康牟辉偈悄骋焕碚摰尿炞C，而是實現(xiàn)工程目標(biāo)。讓學(xué)生以小組形式共同完成項目，從構(gòu)思階段的概念設(shè)計開始，經(jīng)歷設(shè)計討論和實施階段，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)課程知識點之間的有機聯(lián)系。在教學(xué)過程中注重引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，開展啟發(fā)式、探究式、參與式教學(xué)[6]。

與傳統(tǒng)實驗流程不同，基于CDIO理念的綜合實驗教學(xué)改革按照項目開發(fā)過程設(shè)計實施，包括項目方案構(gòu)思討論、項目設(shè)計、系統(tǒng)接線方案設(shè)計、實驗操作及仿真測試。實驗過程中，遵從“構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作”的工程教育指導(dǎo)思想，強調(diào)綜合性學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)[710]，圖1為綜合實驗項目開展環(huán)節(jié)。

1） 構(gòu)思環(huán)節(jié)。實驗開始，由指導(dǎo)教師提出項目題目及設(shè)計任務(wù)，學(xué)生分組形成團隊，查閱項目實施涉及的課程基本原理，學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)備原理及操作方法，構(gòu)思項目實施方案。該階段的任務(wù)是每組學(xué)生至少提出兩種方案的設(shè)計，并進(jìn)行可行性分析與討論。指導(dǎo)教師對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，確定最合理的方案。

2） 設(shè)計環(huán)節(jié)。在完成項目實施方案的確定后，要求學(xué)生完成實驗原理圖及實驗電氣接線圖的設(shè)計及繪制，主要包括電網(wǎng)組網(wǎng)方式、主系統(tǒng)接線方式、電力系統(tǒng)一次設(shè)備及二次設(shè)備選型、繼電保護(hù)整定及二次設(shè)備接線方式設(shè)計等。學(xué)生還需對自己要完成實驗的操作步驟進(jìn)行設(shè)計。最后上交實驗接線圖及實驗操作步驟，由指導(dǎo)教師進(jìn)行檢查。

3） 實施環(huán)節(jié)。學(xué)生根據(jù)設(shè)計圖，在實際可操作的實驗臺或虛擬培訓(xùn)軟件進(jìn)行操作，教師對實驗設(shè)備的操作規(guī)范通過實物演示的方式進(jìn)行講述，學(xué)生可直觀地掌握該部分的知識和技能。學(xué)生利用實驗設(shè)備，完成設(shè)計圖的調(diào)試、連線、相關(guān)一次設(shè)備投切及二次設(shè)備控制整定。完成系統(tǒng)接線后，教師對每組系統(tǒng)接線進(jìn)行檢查，確定無誤后，方可讓學(xué)生上電操作。最終，學(xué)生通過設(shè)備上的軟件分析或相關(guān)參數(shù)的讀取，對自己設(shè)計系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行分析得出結(jié)論。

4） 運作環(huán)節(jié)。項目完成后，指導(dǎo)教師進(jìn)行項目驗收。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生需對項目成果進(jìn)行展示，對自己的設(shè)計思路、系統(tǒng)原理圖、關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新點、存在問題等內(nèi)容進(jìn)行公開匯報。然后，開展項目討論，進(jìn)行技術(shù)交流。

在整個實驗項目完成過程中，學(xué)生以具體應(yīng)用工程問題為驅(qū)動，通過查閱學(xué)習(xí)資料，綜合運用專業(yè)理論知識解決實踐中的問題，最終提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力。

1.2綜合實驗項目組織形式及評價設(shè)計

綜合實驗項目組織采用學(xué)生分組、團隊協(xié)作的形式，由5～6名學(xué)生組成一個小組，確定1名小組負(fù)責(zé)人；每個實驗設(shè)置4～5個工程項目，每組負(fù)責(zé)1個實驗項目；小組負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)實驗項目任務(wù)分解和人員分配，組內(nèi)人員分工協(xié)作完成整個實驗項目。以學(xué)生自我設(shè)計和實際操作為主、教師輔導(dǎo)為輔。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)評價主要采用“實驗結(jié)果+實驗報告”的考核方式，對學(xué)生動手能力和綜合素質(zhì)考察不足。基于工程教育的實驗教學(xué)模式是個循序漸進(jìn)的過程，要在不同階段針對學(xué)生不同能力的培養(yǎng)進(jìn)行評價，并在最后階段進(jìn)行整體效果評估[11，12]?；贑DIO理念的電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革評價考核方式將學(xué)生在構(gòu)思、設(shè)計和實踐等各環(huán)節(jié)的表現(xiàn)結(jié)合起來，從實驗態(tài)度、實驗操作技能、綜合素質(zhì)幾個方面進(jìn)行綜合評定。

總成績中，態(tài)度評價占10%，主要評價學(xué)生對實驗的興趣及重視程度；實驗方案設(shè)計占總成績的30%，主要評價學(xué)生設(shè)計實驗方案的可行性及實驗效果；實驗操作技能占30%，主要評價學(xué)生操作實驗設(shè)備的準(zhǔn)確性及完成實驗的情況；答辯及實驗報告占總成績20%，主要評價學(xué)生口頭報告及撰寫實驗報告的能力；組內(nèi)互評占10%，主要評價學(xué)生團隊溝通協(xié)作能力。

2綜合實驗項目主要內(nèi)容

電力系統(tǒng)綜合實驗課程改革內(nèi)容涉及電力系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃、調(diào)度、監(jiān)控、運行控制及二次設(shè)備調(diào)節(jié)、測量、保護(hù)的理論和技術(shù)。課程改革由配電網(wǎng)靜態(tài)模擬及微機保護(hù)設(shè)計實驗項目、電網(wǎng)虛擬仿真設(shè)計實驗項目及常規(guī)三相四線制系統(tǒng)設(shè)計及綜合監(jiān)測3個實驗項目組成。根據(jù)項目式教學(xué)電力專業(yè)畢業(yè)要求，使實驗項目內(nèi)容設(shè)置具有綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性。

2.1配電網(wǎng)靜態(tài)模擬及微機保護(hù)設(shè)計實驗項目

為了使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)運行與保護(hù)控制技術(shù)，通過實驗室中配電網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)及KLD94 300微機保護(hù)測控裝置，開設(shè)不同接地方式的配電網(wǎng)無功補償、線路故障電壓電流監(jiān)控測量、微機線路保護(hù)、距離保護(hù)、差動保護(hù)等實驗。

本實驗從構(gòu)思、設(shè)計、實施和運作4個環(huán)節(jié)設(shè)置項目內(nèi)容，項目技術(shù)路線如圖2所示。

實驗項目主要內(nèi)容如下。

1） 項目方案構(gòu)思。根據(jù)設(shè)計要求，構(gòu)思10 kV配電網(wǎng)運行及保護(hù)控制設(shè)計方案并進(jìn)行可行性分析討論。

2） 項目內(nèi)容設(shè)計。對中性點不接地、中性點經(jīng)電阻接地及中性點經(jīng)消弧線圈接地配電網(wǎng)主系統(tǒng)接線、無功補償進(jìn)行設(shè)計；通過分析不同接地方式配電網(wǎng)故障特性，設(shè)計保護(hù)方案，計算保護(hù)定值。

3） 項目實施。（1）無功補償。根據(jù)1）中設(shè)計，對系統(tǒng)進(jìn)行無功補償，在配電網(wǎng)靜態(tài)模擬裝置上，投切不同數(shù)值組合的無功補償裝置，使系統(tǒng)在設(shè)定的功率因數(shù)下運行；（2）故障特性分析。對1）中設(shè)計系統(tǒng)，進(jìn)行配電網(wǎng)的故障特性分析。在配電網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)上設(shè)置線路故障，從測量裝置中讀出不同接地方式配電網(wǎng)的故障電流及電壓，判斷其特征是否與理論分析一致，對比不同接地方式配電網(wǎng)接地故障特性的異同；（3）微機保護(hù)。對1）中設(shè)計的保護(hù)方法，進(jìn)行保護(hù)定值及參數(shù)的整定。在KLD9300微機保護(hù)裝置上設(shè)置整定控制字以控制保護(hù)的投退；通過在配網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)線路上設(shè)置故障，驗證自己所設(shè)計的保護(hù)方法及動作值整定是否有效。

4） 項目運作。在實驗臺上演示講解項目實施過程，展示項目設(shè)計成果，進(jìn)行技術(shù)交流。

2.2電網(wǎng)虛擬仿真綜合設(shè)計實驗項目

電網(wǎng)調(diào)度虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)運行、電網(wǎng)調(diào)度、變電站運行監(jiān)控巡視、繼電保護(hù)、系統(tǒng)事故分析和處理、電氣一二次設(shè)備操作等進(jìn)行全方位的模擬，3D場景單元再現(xiàn)真實變電站現(xiàn)場，仿真變電站工作人員的就地操作和操作結(jié)果。

本實驗項目充分利用虛擬實驗室技術(shù)，讓學(xué)生從角色上進(jìn)行轉(zhuǎn)變，切身感受作為變電站運維人員、電網(wǎng)調(diào)度人員、檢修人員在在企業(yè)及工程中具備的技能，體會專業(yè)崗位的職能特點。根據(jù)項目任務(wù)要求，學(xué)生分組完成項目設(shè)計及實施，最終以技能競賽的形式展示項目運作，技術(shù)路線如圖3所示。

1） 檢修任務(wù)。根據(jù)下達(dá)的檢修任務(wù)，構(gòu)思變電站設(shè)備檢修方案。設(shè)計檢修操作方案，包括開關(guān)及斷路器倒閘停送電操作、備用母線就地投切等。開操作票，在3D模擬的真實變電站現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行檢修。

2） 調(diào)度任務(wù)。根據(jù)接受的調(diào)令，構(gòu)思執(zhí)行調(diào)度任務(wù)。根據(jù)突發(fā)事件情況，設(shè)計調(diào)度指令，并協(xié)調(diào)、組織現(xiàn)場操作人員或自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，執(zhí)行動態(tài)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，并向上級匯報電網(wǎng)實際運行參數(shù)。

3） 五防開票。根據(jù)任務(wù)，完成五防開票、五防驗證的操作。在3D場景中的一次設(shè)備操作機構(gòu)中添加五防鎖，設(shè)計五防邏輯，執(zhí)行接收操作票，開五防鎖。

4） 繼電保護(hù)。對變電站內(nèi)保護(hù)室，根據(jù)繼電保護(hù)仿真軟件，進(jìn)行保護(hù)定值的整定，時間整定，控制字整定，定值換區(qū)等設(shè)計，對保護(hù)柜執(zhí)行壓板操作、開關(guān)操作并能夠?qū)崿F(xiàn)燈光信號字顯示。

2.3常規(guī)三相四線制系統(tǒng)設(shè)計及綜合監(jiān)測

電能綜合監(jiān)測實驗臺，能夠使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)常用二次設(shè)備的測量原理及接線方法，掌握不同類型負(fù)荷的三相四線制系統(tǒng)交流電量的特點。

本實驗項目要求學(xué)生分組完成以下實驗內(nèi)容，項目技術(shù)路線如圖4所示。

1） 項目方案構(gòu)思。根據(jù)設(shè)計要求，構(gòu)思常規(guī)三相四線制系統(tǒng)綜合電量監(jiān)測設(shè)計方案，進(jìn)行可行性分析討論。

2） 項目內(nèi)容設(shè)計。根據(jù)給定元件及所測電量，設(shè)計三相四線制系統(tǒng)接線圖，包括電源元件、電壓電流互感器、有功功率表、無功功率表、功率因數(shù)表、電壓表、電流表、阻性負(fù)荷、容性負(fù)荷、感性負(fù)荷。

3） 項目實施。根據(jù)設(shè)計的接線圖，在電能綜合監(jiān)測實驗臺上連接三相不對稱負(fù)載線路，模擬操作電力系統(tǒng)單相短路和斷路狀態(tài)，實現(xiàn)常規(guī)三相四線制系統(tǒng)綜合電量監(jiān)測。

4） 項目運作。在實驗臺上演示講解項目實施過程，展示項目設(shè)計成果，進(jìn)行技術(shù)交流。

3綜合實驗教學(xué)改革效果分析

基于CDIO以項目設(shè)計為導(dǎo)向的工程教育理念，調(diào)整和優(yōu)化了電力系統(tǒng)綜合實驗結(jié)構(gòu)與實驗內(nèi)容，教學(xué)方法及教學(xué)思路也進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新，豐富了實驗教學(xué)形式?；贑DIO理念的電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)改革實施以來，在實驗內(nèi)容、教學(xué)形式、考核方式及能力培養(yǎng)方面有很大的改進(jìn)，其中配電網(wǎng)靜態(tài)模擬及微機保護(hù)設(shè)計實驗項目與改革前單純的驗證性實驗相比，教學(xué)效果尤為突出（詳見表2）。從項目評價結(jié)果可以看出，學(xué)生通過項目設(shè)計實施能夠準(zhǔn)確掌握電力系統(tǒng)基本理論知識和使用技能。項目式教學(xué)更能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，增強學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。項目實踐過程中，培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力、團隊協(xié)作能力、分析和解決問題的能力，取得良好的教學(xué)效果。

4結(jié)束語

針對電力系統(tǒng)綜合實驗的現(xiàn)狀及存在問題，在現(xiàn)有的實驗條件下，結(jié)合項目式教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，對實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗方法及考核方式等進(jìn)行探索與研究，提出基于CDIO項目式教學(xué)的電力系統(tǒng)綜合實驗課程改革方案，通過將實驗教學(xué)內(nèi)容項目化，從構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作4個方面培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力、自學(xué)創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作精神及社會責(zé)任感。這種新的教學(xué)方法，以突出工程實踐應(yīng)用為特色，切實滿足電力相關(guān)行業(yè)對該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的迫切需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王莉麗.電力系統(tǒng)綜合實驗階梯實驗體系研究[J].實驗室科學(xué)，2012，15（5）：160166.

[2] 董繼民.電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)模式研究與實踐[J].高校實驗室工作研究，2010（3）：811.

[3] 樊艷芳.“電力系統(tǒng)分析”實驗教學(xué)的改革與實踐[J].中國電力教育，2014（11）：190191.

[4] 任坤，劉紅，楊旭東.CDIO指導(dǎo)下的創(chuàng)新性電工電子實驗設(shè)計[J].實驗室技術(shù)與管理，2012，29（4）：228230.

[5] 王亞良，張燁，陳勇，等.基于CDIO的實驗項目開發(fā)與實踐[J].實驗室技術(shù)與管理，2010，27（2）：119121.

[6] Crawley E，Malmqvist J.The CDIO syllabusan updated statement of goals for engineering education[C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copernhagen，2011：2023.

[7] 劉思遠(yuǎn)，姜萬錄，陳剛，等.基于CDIO項目式教學(xué)的課程改革與實踐——以電氣傳動與控制課程三級項目教學(xué)為例[J].教學(xué)研究，2012，35（3）：4447.

[8] 宋躍，胡勝，余熾業(yè)，等.基于OBE的嵌入式測控技術(shù)課程群研究與實踐[J].實驗室技術(shù)與管理，2016，33（2）：410.

[9] 閔永智，李紅，王秀華.電氣工程專業(yè)研究性實驗教學(xué)新模式探索[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（12）：177179.

[10] 董繼民.電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)模式研究與實踐[J].高校實驗室工作研究，2010（3）：810.

[11] 張莉莉，陳群.基于CDIO的電力系統(tǒng)及其自動化方向教學(xué)與實踐改革探索[J].科技教育，2015（2）：191192.

[12] 郭明良，王朋，郭松林.基于CDIO模式的電類本科實踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].中國電力教育，2015（2）：158160.

AbstractElectricalpower system comprehensive experiment is an integrated experiment of electric power system and automation majorsubjects，it can make students intuitive understanding electrical power system from the global and systematic perspective.In this paper，the curriculum reform scheme of electrical power system comprehensive experiment based on the concept of CDIO is proposed，which aiming at the current situation and problems of the comprehensive experiment and combining the training objectives of project teaching，and the experiment teaching content，experiment mode and evaluation method are instructed in detail.It is proved that this reform has achieved teaching effects in training students′ learning engineering knowledge，personal ability，team cooperation ability，engineering system ability，etc.Moreover，this reform can lay theoretical foundation for sustainable development of the experiment simultaneously.

KeywordsCDIO；project teaching；electrical power system comprehensive experiment；teaching reform