基于CDIO的電力系統及其自動化方向教學與實踐改革探索

張莉莉　陳群

摘 要：CDIO工程教育模式是目前我國高校培養高質量應用型專業人才的最新方法。本文簡要分析了洛陽師范學院電氣工程及其自動化專業發展和現狀，根據其存在的主要問題，提出在電氣工程及其自動化專業（電力系統方向）中引入CDIO工程教育理念，以項目驅動為導向，進行了理論教學與實踐教學的改革，通過改革將各門課程的教學效果達到最大化，為工科教學改革的教學模式提供參考，以切實滿足電力相關行業對該領域專業人才的迫切需求。

關鍵詞：電氣工程及其自動化 CDIO 電力系統 電力系統繼電保護

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

作者簡介：張莉莉（1982-），女，漢，河南省洛陽人，講師，碩士，畢業于江蘇大學，主要研究方向為電氣自動化、現代控制等。

電氣工程及其自動化是與電能生產和應用相關的技術，也是工程教育體系中的一個學科[1]。隨著社會經濟的發展，電力需求越來越大，電力后備人才的培養迫在眉睫。目前，我國許多大學都開設有該專業，是我國高校招收學生最多的專業之一。洛陽師范學院也開設了該專業，專業包含電力系統及其自動化、過程控制及其自動化、電力電子與拖動三個方向。 該專業安排的課程都是從事電力系統相關工作的基礎知識，有理論性強、且與實際工程聯系密切的特點，它要求學生有較高的動手能力。但由于傳統教學方式存在不足，所以至今教學效果不夠理想[2]。該文在已有教學改革和實踐的基礎上，引入CDIO工程教育理念，并將教學與工程實踐相結合，確定課程教學方案，最終得出一套基于CDIO的電氣工程及其自動化專業（電力系統及其自動化方向）的教學方法，進而培養出工程能力較強的學生。

1 洛陽師范學院電氣工程及其自動化專業發展和現狀

我校是師范院校，電氣工程及其自動化專業開設較晚，與重點工科大學相比，在學校軟硬件方面都存在一定的差距。我校原為師范院校，開設該專業后在課程體系及教學方面還沿用了師范教學的一套理論，難免出現各種問題。

在課程體系和教學內容中，出現了一些問題：一是注重理論教學，忽略了實踐教學，學生實踐能力較差；二是各門課程老師交流較少，各課程教師只是專注于自己教學課程，與相關課程老師交流過少，導致學習內容上的連貫性不是很好；三是校企合作還有待提高；四是教學設備和設施不完善，校內實驗實訓基地和校外實踐教學基地尚未建設好；五是電氣工程及其自動化是長線專業，具有很大的社會需求，尤其服務洛陽地方經濟和相關行業的能力仍待提高。

2 改革思路及方向

2.1 基于CDIO的理論教學改革

CDIO由構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate）四個英文單詞的首字母組成。它涵蓋了從產品研發到產品運行的整個周期，引導學生主動學習工程，并注重實踐以及課程之間的聯系，集中體現了“做中學”和“基于項目的教育和學習”的理念，因此理論教學時應注重實踐中的應用內容的講授。

2.1.1電力系統及其自動化方向專業課程設置

電力系統是由多個環節組成的電能生產與消費系統，包括發電、輸電、變電、配電和用電等。為保證系統的良好運作，還在各個環節和不同層次之間設立了相應的信息與控制系統，用來測量、調節、控制、保護、通信和調度電能生產的全過程，以保證用戶獲得安全、經濟、優質的電能。電氣工程及其自動化（電力系統及其自動化方向）主要任務就是理解、掌握并能設計電力系統各個環節。因此該專業主要開設的專業主干課程有：電力電子技術、高電壓技術、發電廠電氣部分、電力系統分析、電力系統繼電保護、計算機仿真、電力系統規劃等課程等。

2.1.2理論教學改革

學生通過學習專業主干課程對電力系統有一個全面深入的了解，為今后從事相關的工作打下堅實的理論基礎。為了達到好的教學效果，以上各門與實際聯系緊密的課程講授時應以CDIO的教學方式進行教學，使學生主動學習，牢牢掌握電力系統的相關知識。

以《電力系統繼電保護》課程為例[3]，對課程基于CDIO的教學，講解內容應分步實現。首先，要讓學生透徹理解繼電保護的內涵，引導學生通過對大型事故案例的分析來主動地發現問題并構思（conceive）。因為繼電保護作用重大，能保護一次系統的安全穩定運行，學生們只有在分析系統正常運行和故障運行的電氣量特性差別的基礎上，才能設定保護方案，所以學生必須牢牢掌握。其次，掌握繼電保護方法是思考和解決保護問題的基礎，學生只有在此基礎上，才能對一次系統故障進行分析，找出相對的辦法來切除故障，并完成設計（design）和實現（implement）過程；再次，典型完備的保護方案應從企業那里借鑒，因為企業在這方面配置十分成熟，啟發學生在配置保護時形成完整的概念，完成運作（operate）過程。上述這種教學內容設計，彌補了原來的繼電保護課程偏重于基本原理的介紹、不注重應用的缺陷。

2.2 基于 CDIO 工程教育模式的實踐性教學環節的改革與實踐

目前我國工程教育不僅重視科學基礎，還重視對學生個人能力、團隊合作能力以及系統適應和調控能力的培養。要真要做到這些，要改革工程人才培養模式。參照CDIO理念進行改革是一種有效可行的思路。這種理念以項目設計為導向、以能力培養為目標，可通過項目設計將整個課程體系系統地、有機地結合起來。該研究為學生設置了1級、2級、3級三個級別的項目。1級項目涵蓋該專業核心課程，體現專業主要能力要求，貫穿于整個本科教學階段，對學生進行構思、設計、實現、運作的整體訓練；2級項目則僅涉及一組相關核心課程的學習，重點突出對某項能力的要求；3級項目則針對單門課程，專為增加學生對該門課程的理解而設。各級項目設立的必要性、所涉及的能力要求等，均根據課程需要而定。通過以上設計，整個培養計劃形成有機整體。

2.2.1基于 CDIO 模式的課程設計的設置（3級項目）

該校電氣工程及其自動化專業有多達二十幾門的專業課課程設計，為了達到實際效果，電力系統及其自動化方向的學生重點對電力電子技術、高電壓技術、發電廠電氣部分、電力系統分析、電力系統繼電保護、電力系統調度自動化、電力系統自動裝置原理、Matlab控制系統與仿真、單片機原理及應用等課程進行課程設計環節。通過增加實踐環節，增設每一門課的課程設計，可以很好的提高學生的動手能力，改善學生對知識的理解水平，為使學生形成完整的知識體系以及應用能力打下良好的基礎。

3級項目設計旨在鼓勵學生主動學習和綜合學習。項目通過開展學術研討活動，推動學生學習系統建模、模型分析、仿真開發等技能。教師在課程設計項目中要引導學生通過技術研討、方案選擇等形式啟發創新思維。在這種新型模式的課程設計下，學生對研究對象進行系統模型分析計算，可培養其用數學邏輯方法精確描述電力系統的能力。項目內容設計時要考慮學生個體能力的差異，為不同水平的學生提供不同復雜程度的選擇。按照各自的要求完成設計任務，也可以達到鞏固知識和鍛煉能力的目的。比如電力電子技術課程設計設置：⑴單結晶體管觸發電路的設計；⑵正弦波同步移相觸發電路的設計；⑶單相半波可控整流電路的設計；⑷單相橋式半控整流電路的設計；⑸單相橋式全控整流電路的設計；⑹三相半波可控整流電路的設計；⑺三相橋式半控整流電路的設計；⑻三相橋式全控整流電路的設計；⑼單相正弦波脈寬調制SPWM逆變電路的設計；⑽半橋型開關穩壓電源的設計；⑾單相交流調壓電路的設計。以上設計難易程度有所差別，適合不同水平的學生，使不同層次學生都能得到鍛煉。

2.2.2基于 CDIO 工程教育理念的“課程群“綜合設計或實驗設置（2級項目）

2級項目則引導一組相關核心課程的學習，重點突出對某項能力要求。我校把電氣工程及其自動化專業的所有課程建立了四個課程群，其中專業課程群有四個：電子電路課程群、自動控制類課程群、電力系統及自動化課程群、嵌入式系統課程群。這里重點討論電力系統及其自動化方向的課程群。

電力系統及自動化課程群主要涉及電能的產生、變換、輸送、分配、控制的理論，電力系統的規劃、設計、安裝調試、運行規律，以及相應的設備、測量、保護、調節、控制系統的理論和技術。本課程群建設的目的就是將電力電子、電力系統分析等相關的理論課程和繼電保護、發電廠電氣部分、高電壓等技術課程同實際電氣設備和電力系統有機地結合起來， 通過上述訓練，學生能掌握電力系統的設計方法，并鍛煉了分析、計算和解決實際工程問題的能力。因此，該課程群的設置對培養從事與電氣工程有關的系統運行、自動控制、技術開發、信息處理、設計施工等領域工作的應用型工程技術人才具有重要意義。

課程群綜合設計或實驗項目的設置有個原則，那就是必須注重專業核心課程之間知識點的相互聯系，強調設計或實驗構思、設計、實現、運作都要基于項目進行。讓課程群綜合設計給學生更多參與實踐的機會。如該院進行不同電壓等級變電站設計與保護的課程群綜合設計時，將具有很強內在聯系的電力系統分析、電力系統繼電保護、發電廠電氣部分、計算機仿真等課程融合成一個課程群設計。以發電廠電氣主接線方案為平臺，依托短路計算和潮流計算來實現電力系統中設備選擇與運行，通過分析故障特征并進行整定計算來設定保護、最后通過計算機動態過程仿真分析等環節[4]。在這一個課程群設計下，學生工程實踐能力得到提高，而且在學習理論課之前，就能對立電力系統整體知識點有宏觀把握。綜合性設計通過利用開放性實驗室實踐，可以獲得遠遠超過課內實驗學時的實踐操作訓練時間。通過自主性、綜合性、設計性、創新性實驗內容的設置，可以進一步提高學生的學習效率和質量。

2.2.3基于 CDIO 模式的“產、學、研”相結合的畢業設計過程改革（1級項目）

CDIO 工程教育思想要求學生主動學習工程技術，并將課程和實踐有機聯系起來。這符合當前高等教育改革和發展趨勢：即將教學過程與相關行業發展緊密聯系起來。該院1級項目必須完整的貫穿于整個本科教學階段，使學生完整的得到構思、設計、實現、運作等方面的系統訓練。該校電氣工程及其自動化專業的1級項目分初級階段和高級階段。初級階段在一到三年級完成，任務是：了解CDIO理念，通過解剖產品實例來了解其組成部分及設計原理，使學生增加感性認識，并了解本專業核心課程與實際產品之間的對應關系，讓他們可以未來工程師的角色定位去看待所學知識；學生經歷項目構思與設計的實踐過程后，對專業的興趣會大大提高，創新思維也能得到鍛煉。畢業設計是1級項目的高級階段，任務是：學生在完成課程學習與項目訓練后，利用所學知識，完成一個產品項目的構思、設計、實現、運作等的訓練。設置1級項旨在讓學生從解決實際問題出發學習專業知識，激發學生對工程問題的興趣，引導其探索并掌握解決問題的方法。

該院鼓勵學生的畢業設計與工礦企業相結合，具體參與到某個產品或者是某個電力建設過程中去，通過畢業設計著重培養學生綜合分析和解決問題、組織管理、社交、獨立工作等各種能力，以及嚴謹、扎實的工作作風和強烈的事業心、責任感。只有具備這些能力和素養，學生將來走上工作崗位后，才能順利完成所承擔的建設任務。

電氣工程及其自動化專業畢業設計的任務是，通過學習和訓練，使學生了解電氣工程設計基本原理和方法，掌握一般電氣工程設計的基本技能；根據情況合理選擇實施方案；熟練進行電氣工程各方面的計算，并設計出合乎規范的電氣工程施工圖紙。評估學生畢業設計時，要將實施過程和成果相結合進行，要重視過程和社會需求者的評價，對于結果則可以看得輕些，做到以社會需求為導向進行評價。學生畢業設計成績評估由畢業設計撰寫（40%）、畢業設計項目實施過程（40%）、社會需求評價（10%）和平時表現（10%）四部分組成。以項目實施與理論掌握情況考核為主，兼顧社會需求與平時成績，這樣才可以較為全面地評估學生的能力。

3 小結

該文介紹了基于 CDIO 的電氣工程及其自動化（電力系統及其自動化方向）專業教學的改革與實踐，通過將教學內容項目化，培養了學生系統工程技術能力，以及自學創新能力、團隊協作精神和社會責任感。轉變學生的學習方式，讓他們主動結合實踐學習，從而使該課程由偏重理論性逐步轉變為理論與實踐并重。這種新的教學思維模式，以突出工程實踐應用為特色，能夠切實滿足電力相關行業對該領域專業人才的迫切需求。

參考文獻

[1] 范瑜.電氣工程概論[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] 顧佩華等.從 CDIO 到 EIP-CDIO[J]，高等工程教育研究，2008（1）.

[3] 王洪梅，鄭曉丹等. 基于CDIO的電力系統繼電保護課程課堂教學改革[J].學術交流，2012（7）：177-178.

[4] 徐其迎，查叢梅等. 電氣工程及其自動化專業（電力系統方向）實踐性教學的改革與實踐[J].學園，2013（22）：78-79.