基于圖形可編程繼電保護平臺的實驗教學(xué)模式改進*

程 剛 ，焦尚彬 ，劉 涵 ，李生民 ，孫旭霞

（1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué) 信息與控制工程國家級實驗教學(xué)示范中心，陜西 西安710048）

《電力系統(tǒng)繼電保護》是一門與實際聯(lián)系密切，綜合性、實踐性非常強的專業(yè)課程，因此，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)顯得尤為重要，不僅是溝通課堂教學(xué)與工程實踐的橋梁，也是將理論知識轉(zhuǎn)換為實踐能力的紐帶[1-6]。實驗中心結(jié)合自主建設(shè)的圖形可編程繼電保護實驗平臺，開發(fā)探索新型實驗教學(xué)模式，提出 “一主三輔”的實驗教學(xué)指導(dǎo)思想，即以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力為主體，輔以先進的硬件實驗資源、漸進式實驗內(nèi)容體系以及創(chuàng)新型實驗教學(xué)手段，三位一體軟硬結(jié)合，全面提升學(xué)生綜合實踐能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[7，8]。

一、目前存在的問題

1.實驗硬件資源落后

當前電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)已全面進入微機保護時代，然而一些院校仍然進行傳統(tǒng)的模擬式繼電保護實驗，與工程實踐嚴重脫節(jié)，重理論輕實踐，不利于培養(yǎng)新工科背景下的應(yīng)用型人才。當然，也有很多院校新建微機保護實驗室，采用先進的繼電保護設(shè)備，但隨即帶來的問題是學(xué)生面對新型繼電保護實驗柜，多以驗證性、觀察性實驗為主，因為多數(shù)實驗保護程序都是寫好集成在保護裝置中隨用即可，這樣就大大降低了學(xué)生實踐動手環(huán)節(jié)，起不到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的效果。只有從根本上解決這個問題，才可以談后續(xù)的實驗教學(xué)模式的改革，否則實驗硬件資源跟不上，不管怎么變革都是治標不治本[9]。

2.實驗教學(xué)理念落后

隨著我國新工科改革序幕的拉開以及 《華盛頓協(xié)議》的正式加入，人才培養(yǎng)的模式也悄然發(fā)生改變，應(yīng)加大對實驗教學(xué)的投入，改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)理念。而多數(shù)院校仍然以傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式為主，教師講學(xué)生做，最后交一份實驗報告，期間學(xué)生是否真正去主觀思考完成實踐，還是被動完成任務(wù)敷衍了事，無從考查。因此，應(yīng)當順應(yīng)當前工程人才培養(yǎng)的趨勢，摒棄舊的實驗教學(xué)理念，緊跟時代潮流[10，11]。

3.實驗教學(xué)手段落后

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興盛，“互聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)無處不在，而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段還是相對比較單一落后，因此，應(yīng)當充分利用新技術(shù)帶來的福利，更好地服務(wù)實驗教學(xué)，采用多種渠道和學(xué)生交流互動，提高學(xué)習(xí)效率[12]。

二、實驗教學(xué)模式的改進

實驗中心教師通過走訪調(diào)研和自身摸索，在繼電保護實驗教學(xué)領(lǐng)域做了一些創(chuàng)新性改進，提出了“一主三輔”實驗教學(xué)的指導(dǎo)思想，旨在培養(yǎng)新形式下復(fù)合型工程人才。

1.設(shè)計創(chuàng)新型圖形可編程實驗平臺

如何既能保持傳統(tǒng)實驗設(shè)備便于學(xué)生直觀理解繼電保護原理的優(yōu)勢，同時緊跟當前工程實際的主流，采用新型繼電保護裝置，讓學(xué)生上手操作多實踐，避免簡單的觀察性、驗證性實驗。

鑒于此，中心設(shè)計的創(chuàng)新型圖形可編程實驗平臺（見圖1）采用了工業(yè)級繼電保護裝置M7D，其特點是編程接口完全對學(xué)生開放，采用圖形化邏輯編程（見圖2）簡單易學(xué)。學(xué)生可根據(jù)所學(xué)繼電保護原理知識，針對不同實驗自行編寫相應(yīng)繼電保護程序，靈活度高、實踐性強，利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維和實踐工程能力。

圖1 圖形可編程實驗平臺

圖2 圖形化邏輯編程界面

2.更新繼電保護實驗教學(xué)理念

基于新型實驗平臺，改變傳統(tǒng)繼電保護實驗授課模式，提出工程項目模式的實驗教學(xué)理念，即學(xué)生自行組成項目小組，把每次實驗當成一個工程項目，從讀懂圖紙、硬件接線、軟件編程、上位設(shè)計、通訊調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等各個方面，全方位地培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，同時建立合理的考核機制，激發(fā)學(xué)生的熱情和創(chuàng)新能力。下面，筆者以三段式電流保護工程項目為例進行詳細說明。

圖3 保護裝置背板端子圖

圖4 線路保護電氣接線圖

圖5 繼電保護實驗平臺內(nèi)部接線

（1）熟悉裝置，讀懂圖紙。讀懂電氣圖紙是一名工程師最基本的素養(yǎng)，也是其必備能力。在工程項目實施前，必須要充分了解其內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，才能保證項目有序地開展。其可分為三個步驟：①如圖3所示，給出了保護裝置的背板端子圖，這樣就可使學(xué)生對裝置有一個總的概念，明白各端子的含義和接線方式，比較直觀；②給出實驗平臺線路保護電氣接線圖集，其中圖4為電氣接線圖部分圖紙。學(xué)生通過識圖，充分了解其內(nèi)部電氣接線，起到追本溯源的效果；③理論與實際相結(jié)合，結(jié)合圖紙與實物裝置，如圖5所示，加深學(xué)生印象，便于學(xué)生對繼電保護控制柜有直觀認識，快速步入實戰(zhàn)狀態(tài)。

（2）編寫下位保護程序，設(shè)計上位監(jiān)控界面。本部分主要是軟件編程和上位組態(tài)，分兩個步驟：①學(xué)生根據(jù)三段式電流保護原理，編寫保護程序并下載至保護裝置中。②設(shè)計上位監(jiān)控界面，如圖6所示，利用保護裝置自帶的485通訊口，進行上下位通信調(diào)試，形成一個完整的工業(yè)自動化閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖6 上位監(jiān)控界面

（3）項目匯報，評價考核。每個項目組完成項目后，采取項目匯報的形式，向所有師生演講答辯，闡述項目實施過程及所遇到的問題、解決方案等?？己嗽u價標準分為兩部分：一部分由課程組教師給出，占考核總分的80%，嚴格遵照表1的考核矩陣客觀公正地給出評價；另一部分由學(xué)生互評，占考核總分的20%，充分調(diào)動學(xué)生積極性，既是參與者也是評價者，取人之長，補己之短。

表1 考核評價矩陣

3.探索新型實驗教學(xué)手段

在當前“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，課程組教師在實驗教學(xué)手段上推陳出新，不拘束于傳統(tǒng)單一的實驗教學(xué)手段，體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）建立群組，及時互聯(lián)。每個項目組建立微信、QQ群，可及時與教師溝通，匯報項目進展，咨詢相關(guān)技術(shù)問題，反過來教師也能實時掌握項目進度予以適當指導(dǎo)，增進師生之間的互動性，確保學(xué)生真正學(xué)到東西，而不是得過且過、敷衍了事。

（2）利用平臺，科學(xué)管理。合理利用學(xué)校的實驗室管理系統(tǒng)平臺，如圖7所示，學(xué)生可以預(yù)約開放實驗室，這樣教學(xué)手段更加靈活，為學(xué)生提供了一個非常便利的平臺，不僅可以做一些基礎(chǔ)類實驗項目，也可以做一些創(chuàng)新性、綜合性實驗，同時也可以跟隨教師做一些科研方面的實驗，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力有很大的幫助。

圖7 實驗室管理系統(tǒng)界面

（3）錄制視頻，網(wǎng)上學(xué)習(xí)。隨著MOOC、微課的興起，課程組教師也正在籌備錄制基于新型圖形可編程實驗平臺的微課視頻，這樣方便了學(xué)生提前預(yù)習(xí)或上課沒聽懂的地方，線下可看視頻學(xué)習(xí)，慢慢咀嚼消化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，打破了時間和空間的限制，實現(xiàn)了隨時隨地都是課堂[13-15]。

4.合理規(guī)劃實驗內(nèi)容體系

在實驗內(nèi)容體系規(guī)劃方面，堅持以工程項目形式為載體，本著實驗難度遞進式增長的思路，教師在實驗內(nèi)容安排方面依次是：基礎(chǔ)類實驗—提高類實驗—綜合類實驗（見表2）。每類實驗有多個選題，項目組成員可根據(jù)自身情況選擇題目，通過這種體系安排，遵循由淺入深的基本原則，一方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助其快速入門；另一方面，學(xué)生的思維能力、實踐能力也在這個過程中逐漸提升。

新工科背景下，各大院校都在積極響應(yīng)國家號召，以培養(yǎng)創(chuàng)新型、實踐型人才為目標，加大改革力度、加快創(chuàng)新步伐，尤其在實驗教學(xué)方面，是培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力的重要環(huán)節(jié)。學(xué)校在繼電保護實驗教學(xué)領(lǐng)域，積極探索合適的實驗教學(xué)道路，遵循“一主三輔”的指導(dǎo)思想，通過設(shè)計合理的實驗內(nèi)容體系、新穎的教學(xué)模式以及科學(xué)的評價機制，有效地訓(xùn)練了學(xué)生思考能力、實踐能力、創(chuàng)新能力以及解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)符合社會需求的高素質(zhì)人才。

表2 實驗內(nèi)容體系規(guī)劃表