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(guó)際互認(rèn)資格的注冊(cè)類工程師。課程目標(biāo)從傳統(tǒng)的掌握知識(shí)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(huì)需要的未來(lái)工程師，或者是為學(xué)生盡快成為未來(lái)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(shí)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(shí)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(cè)電氣工程師（發(fā)輸變電）”資格，通過(guò)探討對(duì)“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(jiān)持“以本為本，以綱為綱”，同時(shí)又不能拘泥于教材，要不斷地豐富教材知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵，適當(dāng)拓展知識(shí)點(diǎn)外延。

第一，建立課程內(nèi)容各“知識(shí)點(diǎn)工程模型”，筑牢基礎(chǔ)理論知識(shí)。“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程是電氣工程及其自動(dòng)化的一門(mén)專業(yè)核心課程。理論抽象性很強(qiáng)，難度高，由于學(xué)生沒(méi)有接觸過(guò)實(shí)際工程，很難建立起感性認(rèn)識(shí)，一些抽象思維能力較弱的同學(xué)學(xué)了本課程很長(zhǎng)時(shí)間，還沒(méi)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(mén)課程到底講的是什么。針對(duì)這一問(wèn)題現(xiàn)象，本文提出了對(duì)于本課程抽象理論各個(gè)知識(shí)點(diǎn)建立起具體形象生動(dòng)的“知識(shí)點(diǎn)工程模型”。以工程問(wèn)題幫助闡述理論基礎(chǔ)知識(shí)。

比如，對(duì)于課程中“故障特征”這一基礎(chǔ)概念，教材在闡述這個(gè)概念時(shí)，用的是很抽象的文字進(jìn)行描述，并無(wú)具體圖形展示故障特征，難以使學(xué)生建立起感性認(rèn)識(shí)。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(guò)比較，了解在電網(wǎng)正常運(yùn)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(shí)的電流是正常運(yùn)行時(shí)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(shí)到電流可以作為判斷電網(wǎng)短路故障一個(gè)故障特征，并且可以設(shè)定一個(gè)門(mén)檻動(dòng)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(shí)例，切實(shí)體會(huì)課程實(shí)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(shuō)這門(mén)課程多么重要，那門(mén)課程多么重要，但是又無(wú)法感受到具體用途，感覺(jué)學(xué)什么都沒(méi)真正的用處，久而久之，失去了學(xué)習(xí)的動(dòng)力與興趣。針對(duì)這一問(wèn)題，根據(jù)本課程與實(shí)際實(shí)踐緊密結(jié)合的特點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)踐應(yīng)用具有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，本文提出了引入電力工程具體實(shí)例，展示相關(guān)知識(shí)的實(shí)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(mén)課程以一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于理解繼電保護(hù)的基本任務(wù)、繼電保護(hù)的4個(gè)基本要求以及基本原理應(yīng)用分析方法等知識(shí)點(diǎn)起著非常重要的作用，同時(shí)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(shí)時(shí)，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(shí)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(huì)工程要求，破解工程問(wèn)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(shí)也很有實(shí)際應(yīng)用，但是在教學(xué)過(guò)程中，就是給學(xué)生遠(yuǎn)離實(shí)際應(yīng)用的感覺(jué)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有種神秘感，學(xué)生感覺(jué)知識(shí)掌握難度很大。“電力系統(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(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)范圍，在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用做了很多工程應(yīng)用闡述。同時(shí)本課程一個(gè)很大特點(diǎn)就是，每個(gè)知識(shí)的工程應(yīng)用都有國(guó)家的規(guī)程規(guī)范，或電力行業(yè)的規(guī)程規(guī)范，對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)要求有明確的約束規(guī)定。可以在教學(xué)過(guò)程中對(duì)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(chǎng)合的規(guī)程規(guī)范應(yīng)用課程知識(shí)的能力，破解工程問(wèn)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(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》的4.8.1條規(guī)定“對(duì)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(yǔ)氣最強(qiáng)“必須”的意思，具有強(qiáng)制意思，而不是語(yǔ)氣比較弱“應(yīng)該”之意；4.8.2條規(guī)定“對(duì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jí)應(yīng)用場(chǎng)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(shí)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(gè)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(shí)點(diǎn)講解與工程應(yīng)用實(shí)例緊密結(jié)合。“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”既是一門(mén)高度抽象的理論性課程，同時(shí)又是具有強(qiáng)實(shí)踐性的課程，它的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)在電力工程實(shí)踐中都有直接應(yīng)用。因此，本課程理論每個(gè)知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)踐有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。基于此，在教學(xué)過(guò)程中，可將理論知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)踐建立起一對(duì)一甚至一對(duì)多的關(guān)系。這樣可以強(qiáng)化知識(shí)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(duì)應(yīng)的工程現(xiàn)場(chǎng)圖分別如圖3（a）和3（b）所示。以工程實(shí)物圖展示相關(guān)知識(shí)，既可以幫助學(xué)生更生動(dòng)形象地掌握了理論知識(shí)，同時(shí)幫助學(xué)生了解實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，給學(xué)生留下深刻印象，為他們?cè)谝院蠊ぷ髦械膶?shí)踐打下堅(jiān)實(shí)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(shí)點(diǎn)模型化、可視化方法授課。將抽象性強(qiáng)的理性知識(shí)點(diǎn)通過(guò)可視化手段，建立感性認(rèn)知，所見(jiàn)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(wèn)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(duì)這些知識(shí)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(duì)抽象性知識(shí)進(jìn)行感性認(rèn)知，可使學(xué)生將知識(shí)掌握得既快又牢，極大地提升教學(xué)成效。比如對(duì)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(shí)變得簡(jiǎn)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(duì)于典型關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)展專題研究課題，使學(xué)生深入強(qiáng)化學(xué)習(xí)，重點(diǎn)突破關(guān)鍵理論。“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程具有理論性強(qiáng)、實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)這門(mén)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(dòng)重合閘等幾大理論模塊。為了使學(xué)生對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)達(dá)到熟練掌握并具有相應(yīng)的分析應(yīng)用能力，對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的專題研究課題，要求學(xué)生分組開(kāi)展專題研究分析，以達(dá)到深入掌握相關(guān)知識(shí)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(kāi)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(chǎng)教學(xué)為主，線上拓展相關(guān)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，線下線上相得益彰。為了使學(xué)生更多地體會(huì)到課程實(shí)際效用，在課程教學(xué)過(guò)程中引入不少工程實(shí)例以及對(duì)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(shí)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(píng)價(jià)模式

好的能力培養(yǎng)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。線下課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)形式采用傳統(tǒng)的課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、期中測(cè)試和期末考試等形式。②線上課程評(píng)價(jià)。線上知識(shí)點(diǎn)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(lì)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(píng)價(jià)，偏重廣度考核，并計(jì)入最終考核成績(jī)。③專題研究評(píng)價(jià)。專題研究是針對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)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(píng)價(jià)主要對(duì)課題研究?jī)?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(duì)研究深度與質(zhì)量考查。同時(shí)考查專題研究過(guò)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(shí)點(diǎn)工程模型”、引入工程實(shí)例和解讀相關(guān)規(guī)程規(guī)范對(duì)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(duì)授課方法從課程知識(shí)點(diǎn)講解與工程應(yīng)用實(shí)例緊密結(jié)合、基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)模型化、可視化方法授課、典型關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)開(kāi)展專題研究課題以及線下現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)為主結(jié)合線上拓展相關(guān)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容等方面進(jìn)行改革。最后，培養(yǎng)效果評(píng)價(jià)模式采用線下課程評(píng)價(jià)、線上課程評(píng)價(jià)和專題研究評(píng)價(jià)3種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合。“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程授課通過(guò)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(guó)際潮流，將在以后的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步完善具體實(shí)施方案。