基于成果導向的繼電保護課程教學

孫抗　杜少通　李曉明　王福忠　王玉梅

摘? 要：設計能夠支撐工程教育認證畢業要求的課程目標和確保課程目標達成的教學方法是一線教師在工程教育認證中必須考慮的關鍵問題，也是工程教育專業認證落地生根的關鍵。以繼電保護課程為例，通過梳理課程內容，對應工程教育專業認證的畢業要求，建立課程內容和畢業要求間的映射關系，以此為基礎建立教學目標;基于教學內容與教學目標的映射關系，從課堂理論教學、作業、實驗三個方面基于成果導向進行教學設計;歸納課程目標設計的流程，分析課程目標合理性及達成的關鍵因素。文章內容可為課程與不同畢業要求形成支撐，教師思考課程目標和設計課堂教學提供參考。

關鍵詞：成果導向;課程目標;教學設計;繼電保護

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）19-0092-03

Abstract： Designing the curriculum objectives that can support the graduation requirements of engineering education certification and the teaching methods to ensure the achievement of the curriculum objectives are the key issues that frontline teachers must consider in engineering education certification， and also the key to the success of engineering education professional certification. Taking the relay protection course as an example， based on the course content and the graduation requirements of the engineering education professional certification， the mapping relationship between the course content and the graduation requirements is established， based on which the teaching objectives are established. Based on the mapping relationship between teaching content and teaching objectives， the teaching design is based on results-oriented teaching in three aspects： classroom theory teaching， homework and experiment. The process of designing course objectives is summarized， and the rationality of the course objectives and key factors are analyzed.

Keywords： results orientation; curriculum objectives; teaching design; protective relaying

工程教育專業認證是我國銜接國際工程師教育，實現國際互認的重要舉措。其以學生為中心、成果導向、持續改進為三大理念，是當前工程教育的先進理念[1，2]。傳統以內容的教學設計是以掌握知識為主要目標，基于知識自然驅動學生各種能力的形成。基于成果導向的工程教育理念要求教學需對標準化的畢業要求提供明確的支撐，而畢業要求是解決復雜工程問題所需具備的基本能力，這就需要對教學內容按照明確的目標進行教學設計并實施。目的改變形式，成果導向下的教學過程自然也需要合理形式，文獻[3]廣義論述了反向設計原則，課程教學要由畢業要求決定，要支撐畢業要求。文獻[4]以有機化學為例進行了精細的教學設計，文獻[5]以工程圖學為例進行項目教學。基于成果導向的教學設計，是推進專業實現工程教育專業認證的基礎，是任課教師在工程教育認證背景下的重要工作之一。

萬里長征始于足下，工程教育專業認證的理念最終實現取決于課程教學，因此有必要基于成果導向的理念對現有教學做出一些變化。鑒于不同學校的畢業要求達成，需要思考課程對畢業要求的支撐，基于此形成課程目標并明確課程目標對畢業要求的支撐關系，最后形成教學大綱指導教學。因此梳理課程內容，建立課程內容與通用畢業要求一般性映射關系，基于該關系建立課程目標，設計達成課程目標的教學方法，進而形成教學內容、畢業要求、課程目標、教學方法四者的對應關系。該關系將為各學校依據自身專業建設需要，選擇性進行課程目標設計提供參考，為任課教師進行課程教學提供借鑒方案。

繼電保護是電氣工程及其自動化專業在電力系統方向一門重要課程，也是一門綜合性較強的專業課程。下面基于成果導向的理念，建立繼電保護課程的教學目標，并對課堂教學、作業與實驗進行初步的教學設計，歸納課程目標制定的流程。

一、成果導向下教學目標建立

繼電保護的核心內容包括：保護的原理，繼電器或元件的特性，保護整定原則，影響保護的因素與抑制措施，案例（大作業），實驗。下面依據上述內容基于畢業要求通用標準的技術因素初步建立課程目標。

保護原理的學習，達到的目標是：能夠運用電網元件的數學模型建立短路電流、零序電流、短路阻抗等特征參量的求解模型，并求解;能夠識別“短路故障”與“正常運行”兩種狀態，并能借助圖形與數學語言進行表達。該目標可對應于工程教育認證通用標準中第1條工程知識。

基于特征參量的數學模型與解，依據“選擇優先、力爭速動”的基本要求，能夠推演保護的構成。該目標主要針對問題的思考和分析方法，使學生掌握保護構成的一般方法，可對應于工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

繼電器（保護元件）特性，達到的目標是：能夠建立數學模型來表達繼電器（保護元件）的動作特性，該目標可對應于工程教育認證通用標準中第1條工程知識。能夠運用相關基礎知識建立數學模型，預測、表達接線形式對繼電器（保護元件）行為的影響。可對應工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

保護整定原則，達到的目標是：能結合多因素進行分析、判別，推演保護的整定原則。

該目標推演的結論屬于工程教育認證通用標準中第1條工程知識，推演的過程對應于工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

影響保護的因素與抑制措施，達到的目標是：能夠運用數學模型識別影響保護的因素，通過分析能夠預測因素影響下保護的行為，能認識抑制影響保護各因素解決方案的多樣性并選擇合理的方案。可對應工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

案例（大作業），達到的目標是：對具體電網絡，能夠了解保護配置與整定的全過程，能查閱文獻和規程完成具體保護的配置和整定，可對應工程教育認證通用標準中第3條設計開發。能借助仿真工具對保護配置與整定進行設計與驗證，并對仿真結果進行解釋分析。可對應工程教育認證通用標準中第4條研究和第5條使用現代工具。

實驗，達到的目標是：能對明確的目標設計實驗步驟，并分析實驗結果。可對應工程教育認證通用標準中第4條研究，設計分析解釋數據。

上述基于內容梳理建立了繼電保護課程內容與工程教育認證通用標準的技術因素，而通用標準中的非技術因素也需要專業課程能夠有所貢獻。

繼電保護對電力系統安全運行有重要的作用，而電力系統安全運行對人民生活和社會經濟有重要的影響，因此可以站在電力系統安全運行的角度使得學生思考繼電保護工程實踐對于社會的影響，進而樹立正確的責任意識，該內容可在結合繼電保護的作用進行講授，其對應于工程教育認證通用標準中第6條工程與社會。

針對“大作業”可讓學生分組進行匯報討論，可在該過程中體現工程教育認證通用標準中第10條溝通，目標是學生能就繼電保護的專業問題進行書面表達和交流。

二、基于教學目標的教學設計

成果導向下教學目標為動詞驅動[6]，以支撐學生達到畢業要求，因此教學設計應具有明確的目的性。

（一）課堂理論教學問題導向

對教學內容依據工程問題進行梳理、分解，課堂理論教學圍繞工程問題展開：突出對問題及解決方案的識別、表達，應促使學生能夠將數學、自然科學、專業知識等應用于解決復雜工程問題;

強調解決問題所采用方案的獲得過程，在推演中促使學生思考復雜工程問題，獲得思考復雜工程問題的一般性方法，能夠對復雜工程問題進行分析;探討局限性與不唯一性，探討中強化學生對工程知識的用和對工程問題的思考、分析方法，并提升學生學習興趣和鼓勵學生查閱一定的參考文獻、進行適當的仿真驗證。

繼電保護課程多按照保護種類分章節展開，其教學內容問題化相對容易。例如，以接地故障的保護為例。問題提出，如何以零序分量為特征參量構成接地故障的保護。零序分量分析需要通過電網的復合序網進行，需要深入利用不對稱短路的理論分析方法并建立抽象數學模型;對小電流接地系統的故障特征及接地電流補償方式需要建立合理的抽象數學模型;影響零序分量的因素涉及面廣;該問題應包含零序分量提取，保護構成的原理，整定，影響因素等，諸多因素相互關聯;上述特點均符合工程專業教育認證對復雜工程問題的界定。

繼電保護課程中每類保護的內容一般包含原理、整定、接線形式、影響因素幾個部分。其均能夠反映對工程知識的用和對工程問題的分析。例如，仍以接地故障的保護為例。大電流接地系統電網中零序分量的產生和數學、圖形表達，例如典型的有接地故障、斷線、非同期合閘時零序分量，涉及對不對稱電網分析的基本方法的應用，是針對能否區分故障與正常運行狀態這一關鍵問題的數學表達。小電流接地系統，采用消弧線圈進行補償這一教學內容。需要建立單相接地短路電流的數學模型，然后進一步分析該電流受消弧線圈與系統對地電容參數相互關系的影響，需要識別出過補償可能產生中性點高壓這一現象。

繼電保護授課內容中對保護原理和整定是課程的關鍵內容。該部分內容邏輯性強，講授中對結論獲得過程進行推演，能夠使學生學會構成保護的一般方法，是分析工程問題的好素材。例如，瞬時速斷中躲開線路末端短路的最大零序電流，限時速斷中與相鄰線路Ⅰ或Ⅱ段配合，零序Ⅲ段中時限的階梯配合，這些內容適宜通過推演得到結論。

由于電力系統的復雜性，各種保護的優缺點、評價和適用性就非常有指導意義，該部分內容非常適合探討。例如，零序電流保護相較相間短路的電流保護的優缺點，微電網中零序分量受逆變器控制方法影響與否等，即有教材內容也有一些新鮮有意思的問題。使得學生學會對工程問題解決方案的對比、評價。

（二）課下作業目標導向

繼電保護課程對前期課程的綜合應用較多，該特點可很好地支撐專業知識這一畢業目標，但學時有限，因此對各類保護特征參量的分析方法、計算方法可通過作業促使學生掌握，在課堂理論教學上體現如何用，而知識本身課下完成。

繼電保護每種保護為一相對完整的內容，有利于學生對保護配置和整定這一相對系統的全過程形成整體認識，該特點可較好地支撐開發、設計這一畢業目標，因此課下適宜采用至少兩次的實際工程案例進行作業，主要體現整個過程的完整性和對仿真工具的應用。

電力系統的電力電子化是當前電力系統的一個顯著趨勢和特征，繼電保護在這個過程中也面臨新的問題，該內容適合作為探討性內容的輔助，因此，適宜針對一個新的場景讓學生通過查閱文獻給出一種保護方法，例如，風電中變流器控制作用下短路電流減小。

（三）課程實驗設計導向

實驗的指導書以實驗臺的基本參數和基本操作為內容，具體實驗時只有實驗目的而無實驗具體步驟，要求學生依據實驗目的設計實驗步驟和預測實驗結論（Matlab 仿真），經過實驗后解釋實驗結果。按照該模式對現有的驗證性實驗進行改造，可更好地支撐畢業要求中的“研究”與“使用現代工具”。

三、課程目標建立流程的思考

基于第1節分析，可見從內容梳理上可以使繼電保護課程形成不同的課程目標，但一門課的課程目標也不宜太多，以避免給課程造成過重負擔。傳統教學中以“內容”進行教學，把內容講清楚就完成了教學，而產出導向下教學設計是課程目標確定的，同一課程內容，在不同課程目標要求下，其教學設計將有很大的不同。反之，同一課程內容，采用不同的教學設計，也一定程度上可以形成不同的教學目標。因此，在課程目標的制定中可按如下步驟進行。

（一）從課程體系出發初步梳理出課程與畢業要求之間的支撐關系

從大局出發，結合本專業培養目標、畢業要求與專業特色，按照技術因素和非技術因素初步對應課程與畢業要求的支撐關系，該環節可主要有熟悉課程體系的專業負責人帶工作組完成。

（二）課程團隊撰寫初步課程目標

課程團隊按照課程與畢業要求之間初步支撐關系，結合授課內容撰寫課程目標，并針對課程目標進行課程教學的初步設計。基于該環節，課程團隊形成該課程與畢業要求之間初步支撐關系的說明，主要包含支撐強弱、支撐是否合理。

（三）基于初步課程目標進一步梳理課程與畢業要求之間的支撐關系

專業負責人帶工作組，基于初步的課程目標設計并結合課程團隊反饋意見，統籌課程目標與畢業要求之間的支撐關系，確立支撐權重。

（四）形成教學大綱進行教學

課程團隊基于新的課程與畢業要求之間的支撐關系，撰寫教學大綱，并進行課程教學。

學期課程教學結束，形成課程評價，課程團隊就課程教學的產出情況形成自評，思考課程目標設計的合理性，形成建議。

（五）基于畢業要求達成評價持續改進課程與畢業要求之間的支撐關系

基于課程評價，專業負責人應對課程與畢業要求之間支撐關系進行思考，在達到畢業要求達成評價結果后，從第（三）步循環。

課程目標的建立是基于課程與畢業要求間的支撐關系，而該支撐關系的合理性是關鍵，否則會給授課團隊造成授課困難，也會影響畢業要求達成，因此該環節應結合教學團隊的教學體驗和課程目標達成結果，統籌考慮，持續改進。基于合理課程目標，課程目標的達成情況則取決于課程教學設計。

四、結束語

本文建立了繼電保護課程教學內容與教學目標的映射關系，并基于此探討了具體的教學設計，基于此歸納了課程目標的設計流程。基于成果導向的工程教育理念需要將教學內容按照明確的目標進行合理化教學設計，著重依據工程問題開展教學，強調對復雜工程問題的識別、表達、分析、對比、評價、研究，通過該過程促使學生學生畢業要求達成。而課程目標合理性的關鍵是畢業要求與課程之間的支撐關系，課程目標達成的關鍵是基于合理課程目標的合理教學設計。

參考文獻：

[1]李志義.對我國工程教育專業認證十年的回顧與反思之一：我們應該堅持和強化什么[J].中國大學教學，2016（11）：10-16.

[2]王金旭，朱正偉，李茂國.成果導向：從認證理念到教學模式[J].中國大學教學，2017（06）：77-82.

[3]李志義.成果導向的教學設計[J].中國大學教學，2015（03）：32-39.

[4]林世靜，佟拉嘎，劉姍姍，等.基于成果導向教育理念的有機化學教學過程設計[J].大學教育，2019（03）：87-89.

[5]莊宏，陳忠，唐文獻，等.CDIO項目式教學研究與設計——以面向工程教育專業認證的工程圖學課程為例[J].大學教育，2019（03）：18-21.

[6]樂清華.畢業要求的制定、分解與評價[R].專業認證第二期培訓會報告，2019，4.