《工廠供電》課程工程化教學(xué)模式探索

宋佳音，唐文秀，周洪威

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

《工廠供電》課程以工廠供配電設(shè)計為綱，注重理論與實踐相結(jié)合，具有工程實用性強的特點，因此被高等工科院校電氣信息類專業(yè)視為核心課程[1]。由于我國電氣及其產(chǎn)品制造業(yè)屬于國家支柱性產(chǎn)業(yè)，技術(shù)更新和發(fā)展速度快，傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方法造成理論與實際相脫節(jié)，為此特提出《工廠供電》課程工程化教學(xué)模式的研究方案，以工程實踐為依托，緊跟電氣行業(yè)發(fā)展步伐，以現(xiàn)代化大型生產(chǎn)企業(yè)為原型，切實落實高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才的基本要求，提升學(xué)生的工程實踐能力，使其適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。

1 整合教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化

《工廠供電》課程教學(xué)內(nèi)容雖然較多，但是學(xué)時有限，為了有效解決這一問題需要對教學(xué)內(nèi)容進行合理的整合，使其既能符合“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的基本要求，又能突出課程的實用性和針對性，同時體現(xiàn)理論聯(lián)系實際的特點。現(xiàn)將教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃為4個部分[2～3]，劃分原則是提出問題、分析問題、研究問題和解決問題，其中提出問題是指《工廠供電》課程內(nèi)容能夠解決什么樣的問題，即工廠供電的意義、任務(wù)和要求；分析問題是指剖析工廠供電系統(tǒng)，即工廠供電系統(tǒng)的基本理論；研究問題是指研究構(gòu)成工廠供電系統(tǒng)的2個基本組成部分，即一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)；解決問題是指應(yīng)用《工廠供電》課程內(nèi)容實現(xiàn)工廠變電站的設(shè)計，再結(jié)合自動化控制的技術(shù)與手段理解變電站和電網(wǎng)的自動化。教學(xué)具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)化教學(xué)內(nèi)容Fig.1 Systematic teaching contents

第1部分“提出問題”：在詳細介紹工廠供電系統(tǒng)的同時使學(xué)生清晰地了解課程任務(wù)，讓學(xué)生知道學(xué)什么、為什么學(xué)、怎樣學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

第2部分“分析問題”：了解電力系統(tǒng)的電壓與電能質(zhì)量及無功補償原理，明晰電力系統(tǒng)中性點運行方式及低壓配電系統(tǒng)接地型式，從而進行單相故障分析。工廠的電力負荷及其計算和短路電流及其計算是該部分的重點，也是難點，要求學(xué)生們熟練掌握。

第3部分“研究問題”：包含2類基本內(nèi)容，分別是電氣一次系統(tǒng)和電氣二次系統(tǒng)。在電氣一次系統(tǒng)中，首先明確工廠變配電所的任務(wù)和類型，其次根據(jù)任務(wù)和類型介紹典型的工廠變配電所的主接線圖，然后針對主接線圖說明電力變壓器、電流互感器、電壓互感器等高壓一次設(shè)備和低壓一次設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點及功能（包括防雷與接地），結(jié)合第2部分中負荷計算及短路電流的計算進行選型。最后對于連接所有設(shè)備的工廠電力線路介紹其接線方式、結(jié)構(gòu)、敷設(shè)以及導(dǎo)線和電纜截面的選擇計算。在電氣二次系統(tǒng)中重點研究線路和元件（變壓器、高壓電動機）保護，例如：過電流保護、電流速斷保護、單相接地保護、過負荷保護及差動保護等。重點為電氣式一次自動重合閘裝置原理及備用電源自動投入的基本原理，最后補充介紹微機監(jiān)控系統(tǒng)（以微機控制的工廠供電系統(tǒng)四遙裝置為例）。

第4部分“解決問題”：在應(yīng)用技術(shù)中概述變電站自動化、配電網(wǎng)自動化、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和EMS能量管理系統(tǒng)。這部分內(nèi)容使學(xué)生對整個電力系統(tǒng)的運行有所了解。

2 利用多種教學(xué)手段，使教學(xué)環(huán)節(jié)生動化

2.1 課堂教學(xué)與現(xiàn)場實物教學(xué)相結(jié)合

課堂教學(xué)與現(xiàn)場實物教學(xué)相結(jié)合，通過對變電所的實地考察增強學(xué)生學(xué)習(xí)的整體性和連貫性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使書本理論有的放矢。

系統(tǒng)化教學(xué)內(nèi)容第1部分的講解在變電所（東北林業(yè)大學(xué)變電所）現(xiàn)場進行，講授變電所的組成以及各部分的作用，尤其是主接線、線路結(jié)構(gòu)、主設(shè)備的連接等。在這部分介紹過程中重點強調(diào)高壓進線方式、母線連接方式以及低壓出現(xiàn)方式，指出主要設(shè)備（主變、隔離開關(guān)、斷路器、互感器、電容器等）的連接順序和基本作用，為后續(xù)教學(xué)建立感性認識；在此基礎(chǔ)上充實低壓配電方面內(nèi)容以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在現(xiàn)場教學(xué)中使學(xué)生對《工廠供電》課程的授課內(nèi)容有充分的認識，使學(xué)生切實感受到所學(xué)的理論看得見、用得上，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合

板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合，采用錄像、照片等資料輔助課堂教學(xué)，使學(xué)習(xí)內(nèi)容與生產(chǎn)實際相結(jié)合，讓學(xué)生能夠直觀地認識到如何利用理論知識解決實際問題[4～5]。

在電氣一次系統(tǒng)的主接線的授課過程中采用多媒體教學(xué)，可以將不同類型和功能的主接線直接給出并進行對比講解，例如裝有2臺主變的總降變電所常用的4種主接線和小型工廠變電所根據(jù)主變數(shù)量的不同分為6種類型主接線的對比[6]。

在電氣一次系統(tǒng)主要設(shè)備的介紹過程中采用多媒體授課方式，從原理到實物再到設(shè)備更新等內(nèi)容融合在一起，與生產(chǎn)實際保持同步。例如在電力變壓器、電流互感器、電壓互感器的講述過程中，首先講解其工作原理、接線方式以及注意事項，然后以圖片的形式展示其外形結(jié)構(gòu)（包括接線端子），最后提供實際產(chǎn)品的多角度拍攝照片，以220/20 kV群力變電站工程中使用的主變、電壓互感器、電流互感器為例，同時展示這些設(shè)備在實際工程中的安裝位置，使學(xué)生如親臨現(xiàn)場。

在電氣二次系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容中主要系統(tǒng)講授線路和元件保護的保護類型、保護原理以及保護范圍，這些內(nèi)容采用板書結(jié)合多媒體的授課方式更容易使學(xué)生理解深入。對于二次回路的接線以及供電系統(tǒng)的自動裝置與遠程化控制是很難在課堂上展現(xiàn)出來的，往往出現(xiàn)理論與實際脫節(jié)的情況，為有效解決這一問題，在授課過程中增加播放黑龍江省送變電工程公司試驗所提供的二次回路傳動試驗錄像環(huán)節(jié)，包括中央信號裝置動作實驗、控制回路操作實驗、保護回路操作實驗以及保護回路實驗。這些內(nèi)容均為實際工程的運行前測試，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合。

對于應(yīng)用技術(shù)的講解由于內(nèi)容較多，僅從結(jié)構(gòu)和功能的角度例如供配電系統(tǒng)的自動化[7]、變電站自動化的基本功能與結(jié)構(gòu)、配電自動化與DSCADA系統(tǒng)簡介、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成與通信方式、EMS能量關(guān)系系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及EMS系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的最新進展[8～10]進行概述。這部分完全采用多媒體授課方式，信息量大，并以哈爾濱市電力調(diào)度通訊中心為例說明其具體職能。目的是開闊學(xué)生眼界，不僅能夠使學(xué)生了解《工廠供電》課程所講述的理論在電網(wǎng)方面的進一步應(yīng)用，更重要的是使學(xué)生認識到多門專業(yè)課程（如自動控制系統(tǒng)、系統(tǒng)總線、通信技術(shù)等）知識的結(jié)合能夠產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用價值。

東北林業(yè)大學(xué)《工廠供電》課程理論教學(xué)共計48學(xué)時，具體學(xué)時安排和授課方式總結(jié)如表1所示。

表1 理論學(xué)時分配Tab.1 Time allocation of theory teaching

2.3 理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合

在電氣二次系統(tǒng)的線路和元件保護理論教學(xué)完成后，立即安排實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，該內(nèi)容在東北林業(yè)大學(xué)電氣工程實驗室完成，實驗儀器采用THLGP－1型供配電技術(shù)綜合實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)實驗室共有8臺，因此實驗需要分組進行，根據(jù)具體情況每組3～5人協(xié)作完成，這種學(xué)以致用的教學(xué)方式，能夠使學(xué)生對知識內(nèi)容的理解更加深刻。為了強化該部分的重要性，更好地提高此教學(xué)方式的有效性，特別充實了實際操作考核內(nèi)容，實際操作考核是在教師的監(jiān)督下，由每位學(xué)生依次獨立完成，目的是引起學(xué)生高度重視，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

東北林業(yè)大學(xué)《工廠供電》課程實驗共計8學(xué)時，實驗內(nèi)容如表2所示。

表2 實驗內(nèi)容Tab.2 Experiment contents

3 充實考核環(huán)節(jié)，使考核內(nèi)容工程化

考核環(huán)節(jié)在整個教學(xué)過程中具有指導(dǎo)性意義，不僅揭示課程內(nèi)容的重點，更體現(xiàn)課程培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)和要求。

3.1 考核內(nèi)容

考核內(nèi)容分為如下3個部分。

1）基本概念和基本理論

在基本概念和基本理論的考核中，考核電力系統(tǒng)電壓與電能質(zhì)量；中性點運行方式；一次設(shè)備的工作原理及注意事項；過電流保護的原理、類型和保護范圍以及防雷、接地保護原理和保護范圍；電力系統(tǒng)運行與調(diào)度自動化的結(jié)構(gòu)與功能等。

2）分析計算及設(shè)計

分析計算主要包括工廠電力負荷的計算和短路電流的計算，從而設(shè)計工廠變電所一次系統(tǒng)的主接線。

3）實際操作

實際操作考核表2實驗中的任意1個。

3.2 考核方式

對于一般概念和基本理論的考核采用筆試答卷的形式進行，考試時長由原來的120min縮減到90min，在全部課程結(jié)束后的2周內(nèi)完成。

分析計算及設(shè)計的考核在電氣一次系統(tǒng)內(nèi)容結(jié)束后以課程設(shè)計[11～13]的形式進行，該環(huán)節(jié)以大型企業(yè)為原型（齊齊哈爾第二機床廠）設(shè)計車間變電所，車間性質(zhì)分為機加車間和裝配車間。已知車間設(shè)備參數(shù)撰寫設(shè)計說明書（包括負荷計算、短路計算及穩(wěn)定度校驗、主接線設(shè)計等內(nèi)容）。設(shè)計時長為120min，題目共計3種，根據(jù)考生位置依次穿插分配，設(shè)計說明書規(guī)格為A4紙10頁，除提供題目、數(shù)據(jù)外還提供基本提綱類指導(dǎo)。

實際操作考核已在實驗學(xué)時中有明確安排，3個實驗隨機抽簽決定，5min原理講述，10min接線操作，3位老師分組在實驗室進行考核。

《工廠供電》課程考試滿分100分，各部分考核內(nèi)容所占比例如表3所示。

表3 考核方案Tab.3 Appraisal program 學(xué)時

4 結(jié)語

《工廠供電》課程工程化教學(xué)模式改革以東北林業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)（選修課）為試點進行實踐，從學(xué)生的反饋情況看，該教學(xué)模式的實施明顯提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，對知識點的理解和掌握程度也明顯提高，教學(xué)效果令人滿意，但是目前對于電氣工程及其自動化專業(yè)（必修課）沒有大范圍實施，主要原因為實際操作考核內(nèi)容需要進一步完善，課程設(shè)計內(nèi)容需要進一步調(diào)整，鼓勵個性化設(shè)計方案，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，避免千篇一律、墨守成規(guī)。同時在教學(xué)實踐過程進一步探索和總結(jié)，完善授課內(nèi)容，優(yōu)化學(xué)時安排，相信不久的將來在課程組全體老師的共同努力下一定會全面實行，為社會培養(yǎng)出合格的工程技術(shù)人才。

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