工程認(rèn)證背景下“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程教學(xué)創(chuàng)新改革＊

郭振威，吳軍科，謝 興，羅 奕，高 鵬

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541000）

根據(jù)工程認(rèn)證“華盛頓協(xié)議”要求，新工科的目標(biāo)是培養(yǎng)具有國際互認(rèn)資格的注冊類工程師。課程目標(biāo)從傳統(tǒng)的掌握知識轉(zhuǎn)向應(yīng)用能力的培養(yǎng)。課程目標(biāo)是培養(yǎng)滿足社會需要的未來工程師，或者是為學(xué)生盡快成為未來合格工程做準(zhǔn)備。因此，工程認(rèn)證背景下的課程教學(xué)，在筑牢基礎(chǔ)理論知識的前提下，應(yīng)盡可能地體現(xiàn)工程應(yīng)用，盡可能地體現(xiàn)與工程實踐相結(jié)合，授課內(nèi)容盡可能地添加“工程元素”。筆者們擁有“注冊電氣工程師（發(fā)輸變電）”資格，通過探討對“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”授課內(nèi)容和授課方法進(jìn)行創(chuàng)新改革，以盡可能地滿足工程認(rèn)證“華盛頓協(xié)議”要求。

1 創(chuàng)新“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”授課內(nèi)容

良好的授課內(nèi)容是取得良好授課效果的保證，授課內(nèi)容既要堅持“以本為本，以綱為綱”，同時又不能拘泥于教材，要不斷地豐富教材知識點的內(nèi)涵，適當(dāng)拓展知識點外延。

第一，建立課程內(nèi)容各“知識點工程模型”，筑牢基礎(chǔ)理論知識?！半娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)”課程是電氣工程及其自動化的一門專業(yè)核心課程。理論抽象性很強(qiáng)，難度高，由于學(xué)生沒有接觸過實際工程，很難建立起感性認(rèn)識，一些抽象思維能力較弱的同學(xué)學(xué)了本課程很長時間，還沒建立基本概念。甚至有同學(xué)反映重修了4遍之后，他仍然不知道這門課程到底講的是什么。針對這一問題現(xiàn)象，本文提出了對于本課程抽象理論各個知識點建立起具體形象生動的“知識點工程模型”。以工程問題幫助闡述理論基礎(chǔ)知識。

比如，對于課程中“故障特征”這一基礎(chǔ)概念，教材在闡述這個概念時，用的是很抽象的文字進(jìn)行描述，并無具體圖形展示故障特征，難以使學(xué)生建立起感性認(rèn)識。本文用Matlab/Simulink建立起線路短路故障的“電流故障特征”工程模型，如圖1所示，通過比較，了解在電網(wǎng)正常運行和故障情況下這些電流故障特征的不同表現(xiàn)。比較圖1所示的故障前正常電流幅值和短路故障后電流幅值從而可以明顯看出，短路時的電流是正常運行時的電流11倍多，電流幅值在故障前后具有顯著區(qū)別，從而認(rèn)識到電流可以作為判斷電網(wǎng)短路故障一個故障特征，并且可以設(shè)定一個門檻動作值作為故障判據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行故障判斷。

圖1 電流故障特征模型與電壓故障特征模型

第二，引入工程實例，切實體會課程實際效用，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。大學(xué)里面，很多課程的學(xué)習(xí)都讓學(xué)生感到很迷茫，都說這門課程多么重要，那門課程多么重要，但是又無法感受到具體用途，感覺學(xué)什么都沒真正的用處，久而久之，失去了學(xué)習(xí)的動力與興趣。針對這一問題，根據(jù)本課程與實際實踐緊密結(jié)合的特點、知識點與工程實踐應(yīng)用具有直接對應(yīng)關(guān)系的特點，本文提出了引入電力工程具體實例，展示相關(guān)知識的實際用途以及如何應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生摩拳擦掌、躍躍欲試的學(xué)習(xí)熱情。比如，距離保護(hù)是“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”這門課程以一個重點和難點，對于理解繼電保護(hù)的基本任務(wù)、繼電保護(hù)的4個基本要求以及基本原理應(yīng)用分析方法等知識點起著非常重要的作用，同時距離保護(hù)在110 kV以上電網(wǎng)中有著重要而廣泛的應(yīng)用。在講授課程相關(guān)知識時，引入了如圖2所示的某地區(qū)110 kV電網(wǎng)的距離保護(hù)實際工程保護(hù)配置進(jìn)行闡述。

圖2 某地區(qū)110 kV電網(wǎng)距離保護(hù)配置圖

第三，解讀相關(guān)規(guī)程規(guī)范，提前體會工程要求，破解工程問題神秘感，增強(qiáng)自信心。大學(xué)學(xué)習(xí)的很多課程都是理論性很強(qiáng)的課程，同時也很有實際應(yīng)用，但是在教學(xué)過程中，就是給學(xué)生遠(yuǎn)離實際應(yīng)用的感覺，對實際工程應(yīng)用有種神秘感，學(xué)生感覺知識掌握難度很大?！半娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)”是電氣工程專業(yè)核心課程之一，在電網(wǎng)中有直接對應(yīng)業(yè)務(wù)范圍，在教學(xué)過程中，對實際工程應(yīng)用做了很多工程應(yīng)用闡述。同時本課程一個很大特點就是，每個知識的工程應(yīng)用都有國家的規(guī)程規(guī)范，或電力行業(yè)的規(guī)程規(guī)范，對相關(guān)業(yè)務(wù)要求有明確的約束規(guī)定?？梢栽诮虒W(xué)過程中對相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)解讀，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合工程應(yīng)用場合的規(guī)程規(guī)范應(yīng)用課程知識的能力，破解工程問題神秘感，增強(qiáng)自信心。

比如GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》的4.8.1條規(guī)定“對于220～500 kV電壓的母線，應(yīng)裝設(shè)有選擇性地切除故障的母線保護(hù)”，這里的“應(yīng)”在電力工程中是語氣最強(qiáng)“必須”的意思，具有強(qiáng)制意思，而不是語氣比較弱“應(yīng)該”之意；4.8.2條規(guī)定“對于發(fā)電廠和變壓器的35～110 kV電壓的母線，在三種情況下，應(yīng)裝設(shè)專用的母線保護(hù)”；4.8.3條規(guī)定“發(fā)電廠和變壓器的3～10 kV分段母線及并列運行的雙母線，一般可由發(fā)電機(jī)和變壓器的后備保護(hù)實現(xiàn)對母線的保護(hù)”，這里的“可”是建議采用的意思，但并不強(qiáng)制采用。從4.8.1、4.8.2、4.8.3條中可以看出，同為母線專用保護(hù)，但是在不同的電壓等級應(yīng)用場合不一樣，其要求不同，體現(xiàn)了保護(hù)的快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的矛盾統(tǒng)一的緊密關(guān)系，工程實際應(yīng)用應(yīng)根據(jù)多方面因素，最終綜合確定結(jié)果。

2 創(chuàng)新“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”授課方法

授課方法與授課內(nèi)容是緊密相關(guān)的2個方面，授課內(nèi)容只有與授課方法相協(xié)調(diào)相互促進(jìn)，才能取得好的授課效果。本課程在傳統(tǒng)授課方法的基礎(chǔ)上，增加以下授課方式。

第一，課程知識點講解與工程應(yīng)用實例緊密結(jié)合?！半娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)”既是一門高度抽象的理論性課程，同時又是具有強(qiáng)實踐性的課程，它的每個知識點在電力工程實踐中都有直接應(yīng)用。因此，本課程理論每個知識點與工程實踐有直接對應(yīng)關(guān)系。基于此，在教學(xué)過程中，可將理論知識點與工程實踐建立起一對一甚至一對多的關(guān)系。這樣可以強(qiáng)化知識的理解與掌握，并且可以更好地培養(yǎng)應(yīng)用能力。比如如圖3所示的電力線載波通信構(gòu)成及阻波器，其作用原理圖及所對應(yīng)的工程現(xiàn)場圖分別如圖3（a）和3（b）所示。以工程實物圖展示相關(guān)知識，既可以幫助學(xué)生更生動形象地掌握了理論知識，同時幫助學(xué)生了解實際工程現(xiàn)場應(yīng)用，給學(xué)生留下深刻印象，為他們在以后工作中的實踐打下堅實基礎(chǔ)。

圖3 電力線載波通信構(gòu)成及阻波器作用

第二，基礎(chǔ)理論知識點模型化、可視化方法授課。將抽象性強(qiáng)的理性知識點通過可視化手段，建立感性認(rèn)知，所見即所得，印象深刻。適度引進(jìn)專業(yè)軟件輔助教學(xué)，形象化闡述抽象思維問題。“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程中許多原理概念抽象性強(qiáng)，引入Power World Simulator電網(wǎng)可視化專業(yè)軟件可對這些知識內(nèi)容進(jìn)行很好的可視化輔導(dǎo)教學(xué)，能極大地幫助學(xué)生對抽象性知識進(jìn)行感性認(rèn)知，可使學(xué)生將知識掌握得既快又牢，極大地提升教學(xué)成效。比如對于雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，采用Power World Simulator講授電網(wǎng)的功率方向或功率元件方向以及短路電流幅值變化和主要流通路徑，使知識變得簡單明了，一目了然，學(xué)生記憶深刻，如圖4所示。

圖4 Power World Simulator展示短路電流方向/幅值/路徑

第三，對于典型關(guān)鍵知識點，開展專題研究課題，使學(xué)生深入強(qiáng)化學(xué)習(xí)，重點突破關(guān)鍵理論?！半娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)”課程具有理論性強(qiáng)、實際應(yīng)用性強(qiáng)的特點，同時這門課程基礎(chǔ)理論可概括歸納為電流保護(hù)、電壓保護(hù)、距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)、非電氣量的保護(hù)和自動重合閘等幾大理論模塊。為了使學(xué)生對關(guān)鍵知識點達(dá)到熟練掌握并具有相應(yīng)的分析應(yīng)用能力，對這些知識點開發(fā)了相應(yīng)的專題研究課題，要求學(xué)生分組開展專題研究分析，以達(dá)到深入掌握相關(guān)知識并培養(yǎng)其能力的目的。比如目前本課程根據(jù)循序漸進(jìn)的原則開展了“單側(cè)電源的三段式電流保護(hù)專題研究”和“雙側(cè)電源的電網(wǎng)距離保護(hù)專題研究”。

第四，以線下現(xiàn)場教學(xué)為主，線上拓展相關(guān)知識點內(nèi)容，線下線上相得益彰。為了使學(xué)生更多地體會到課程實際效用，在課程教學(xué)過程中引入不少工程實例以及對相關(guān)規(guī)程規(guī)范的解讀。這部分內(nèi)容廣泛，信息量知識量大，課堂教學(xué)只能擇其一二作為范例講解，更多的內(nèi)容制作成線上資源，供學(xué)生課后線上自主學(xué)習(xí)。

3 創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果評價模式

好的能力培養(yǎng)評價模式同樣能助燃起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為了配合“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程新的授課內(nèi)容和新授課模式，采用以下考核方式：①線下課程評價。線下課程學(xué)習(xí)評價形式采用傳統(tǒng)的課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、期中測試和期末考試等形式。②線上課程評價。線上知識點拓展內(nèi)容主要采用課后學(xué)生自我研習(xí)的模式，為了鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)激情，從其學(xué)習(xí)的廣度和深度2方面進(jìn)行相應(yīng)考核評價，偏重廣度考核，并計入最終考核成績。③專題研究評價。專題研究是針對重點難點內(nèi)容而設(shè)置的分組研討式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。其考核評價主要對課題研究內(nèi)容全面性和研究深度與質(zhì)量2方面考察，這部分側(cè)重對研究深度與質(zhì)量考查。同時考查專題研究過程中學(xué)生之間分工協(xié)作、交流表達(dá)溝通能力的鍛煉情況。

4 總結(jié)

本課程授課改革首先從建立課程內(nèi)容各“知識點工程模型”、引入工程實例和解讀相關(guān)規(guī)程規(guī)范對授課內(nèi)容進(jìn)行了創(chuàng)新改革。然后，為適應(yīng)授課內(nèi)容，對授課方法從課程知識點講解與工程應(yīng)用實例緊密結(jié)合、基礎(chǔ)理論知識點模型化、可視化方法授課、典型關(guān)鍵知識點開展專題研究課題以及線下現(xiàn)場教學(xué)為主結(jié)合線上拓展相關(guān)知識點內(nèi)容等方面進(jìn)行改革。最后，培養(yǎng)效果評價模式采用線下課程評價、線上課程評價和專題研究評價3種評價方法相結(jié)合?！半娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)”課程授課通過創(chuàng)新改革后，取得了顯著成效，達(dá)到了工程認(rèn)證培養(yǎng)學(xué)生能力的要求，符合教學(xué)發(fā)展的國際潮流，將在以后的教學(xué)實踐中進(jìn)一步完善具體實施方案。