“電力系統(tǒng)繼電保護”混合教學(xué)探索與實踐

徐曉寧 付 強 尹金良 李 超 問虎龍 趙 磊

(1. 天津理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院, 天津 300384)

(2. 天津瑞源電氣有限公司, 天津 300308)

隨著“新工科”教育理念的提出[1-2],國內(nèi)高校對其教育內(nèi)涵及教學(xué)模式都進行了積極的解讀和探索[3-5]。天津理工大學(xué)于2019年開展了新一輪培養(yǎng)方案的調(diào)整和課程大綱的修訂,將“新工科”及“工程認(rèn)證”的思想融入到課程教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計中,旨在有效地提升課程的教學(xué)效果,為培養(yǎng)“創(chuàng)新型、復(fù)合型、綜合素質(zhì)高”的人才提供強有力的支撐。

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程是電氣工程專業(yè)的專業(yè)核心課程。該課程理論與實踐并重,主要任務(wù)是講授電力系統(tǒng)繼電保護的基本概念、基本原理和基本方法,使學(xué)生在學(xué)習(xí)了電力系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,進一步從繼電保護的角度了解電力系統(tǒng)的各種不正常運行狀態(tài)和故障狀態(tài),并掌握各類繼電保護的基本理論和方法,為今后從事電氣工程領(lǐng)域的工程設(shè)計、運行維護和優(yōu)化電力系統(tǒng)及其繼電保護系統(tǒng)打下良好的理論及實踐基礎(chǔ)。

該課程的課程目標(biāo)制定基于工程認(rèn)證的OBE理念,支撐畢業(yè)要求中的設(shè)計/開發(fā)解決方案和研究兩個方面。據(jù)此將課程目標(biāo)所需達(dá)成的能力目標(biāo)設(shè)定為:

1)課程目標(biāo)1

能夠?qū)Ω鞣N繼電保護的工作原理、故障特性及保護動作過程進行詳細(xì)分析,并能夠?qū)^電保護進行整定與合理配置。

2)課程目標(biāo)2

能夠搭建實驗平臺,進行繼電保護相關(guān)實驗的測試,并正確地分析實驗結(jié)果,得出一定結(jié)論。

1 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的主要問題

圖1所示為2016級本科生“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的學(xué)生成績分布,參加考試總?cè)藬?shù)為70人,其中優(yōu)秀率為2%,不及格率達(dá)到44%。

圖1 2016級本科生“電力系統(tǒng)繼電保護”成績分布

經(jīng)過教學(xué)研討及學(xué)生座談,對課程存在的問題進行了深刻的剖析:

1.1 灌輸式教學(xué)模式

“電力系統(tǒng)繼電保護”的課程知識點多、抽象且理論性強,教師難教且效果不佳,學(xué)生難學(xué)且積極性不高。傳統(tǒng)教學(xué)課程中,任課教師是主角,教學(xué)手段以多媒體的方式為主,板書為輔。如果老師經(jīng)驗不足或準(zhǔn)備不充分,將會直接影響教學(xué)效果;此外,由于課程內(nèi)容多,學(xué)時有限,任課教師雖已完成教學(xué)任務(wù),但卻忽略了授課過程中與學(xué)生間的良好互動,無法及時了解學(xué)生對重點及難點知識點的掌握程度,沒有反饋。

1.2 先修課程基礎(chǔ)不牢

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的先修課程均為電氣工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,課程間的關(guān)聯(lián)緊密如圖2所示。如:在電流保護或距離保護的整定中會用到“電力系統(tǒng)分析”課程中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)及元件的等值、潮流計算、短路分析等知識;在方向性電流保護的工作原理、接線方式、振蕩對距離保護的影響及基于故障分量的縱聯(lián)保護中會用到“電路”課程中的電路分析方法,如戴維南定理、基爾霍夫定律等,還會用到“電力系統(tǒng)分析”中的相量分析法和對稱分量法等。在電力元件保護中,會用到“電機與拖動”及“電力系統(tǒng)分析”課程中關(guān)于發(fā)電機和變壓器等的工作原理、結(jié)構(gòu)特點及系統(tǒng)等值方法等。同樣,“電力系統(tǒng)繼電保護”課程知識的綜合應(yīng)用中也同樣會體現(xiàn)學(xué)生對先修課程知識的聯(lián)系能力。

圖2 電力系統(tǒng)繼電保護與先修課程之間的關(guān)系

在先修課程的基礎(chǔ)上,該課程著重分析和討論電力系統(tǒng)繼電保護方面的相關(guān)知識。如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對某部分內(nèi)容掌握得欠佳,使得他們跟不上任課教師的講課節(jié)奏,將直接影響學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的自信心和積極性,從而削弱課程的學(xué)習(xí)效果,形成“知識拖欠”的惡性循環(huán)。

1.3 理論教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)分離

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程是“強電”類課程,實驗環(huán)節(jié)的設(shè)置能夠幫助學(xué)生們充分理解各類繼電保護的原理、結(jié)構(gòu)及與重合閘系統(tǒng)等的配合過程。傳統(tǒng)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)安排以“先講理論知識,后進行實驗”的模式,受實驗教學(xué)環(huán)境及多門課程同時開展實驗的條件約束,導(dǎo)致理論教學(xué)任務(wù)完成后,不能與理論教學(xué)內(nèi)容有效銜接,不但會影響教學(xué)效果,更會降低學(xué)生對課程的興趣。

可見,傳統(tǒng)教學(xué)模式導(dǎo)致教學(xué)效果陷入“教師講得深,學(xué)生聽不懂”“作業(yè)太多,學(xué)生反感”“學(xué)完課程,啥也不懂”及“大學(xué)上完,啥都不會”的惡性循環(huán)中[6]。因此,如何對課程教學(xué)方式進行改革,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,不斷根據(jù)學(xué)生對知識點的反饋情況調(diào)整教學(xué)進度,從而提高教學(xué)質(zhì)量是此課程亟待解決的關(guān)鍵問題。

2 混合教學(xué)模式探索

南國農(nóng)先生曾提出“把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和數(shù)字化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢結(jié)合起來,使兩者優(yōu)勢互補,才能獲得最佳的學(xué)習(xí)效果”,而Bonk Curtis J.將混合學(xué)習(xí)定義為“面對面教學(xué)和在線學(xué)習(xí)的結(jié)合”[7]。

在“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的混合教學(xué)模式中,課程團隊重視將傳統(tǒng)的“以教師為主”逐步轉(zhuǎn)變成“教師引導(dǎo)、學(xué)生為主”,強調(diào)“教”與“學(xué)”的高度融合,并在教學(xué)過程中注重師生之間課堂教學(xué)的有效交流,不斷反饋,逐漸完善,最終實現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)。“電力系統(tǒng)繼電保護”課程線上線下混合式教學(xué)過程包括課前、課中及課后三個階段,每個階段任課教師會通過布置不同的學(xué)習(xí)任務(wù),各階段的關(guān)系如表1所示。

表1 線上線下各階段教學(xué)安排

課前,課程組對互聯(lián)網(wǎng)上公開的數(shù)字化教學(xué)資源進行有效整合,挑選與本課程相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容,如:先修課相關(guān)知識點及本課程基本概念、原理等,利用“雨課堂”制作手機課件并將其推送給學(xué)生,同時,在雨課堂的討論區(qū)布置與該預(yù)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的簡單任務(wù),對學(xué)生的線上自學(xué)情況及預(yù)習(xí)效果進行評估,有助于針對性地優(yōu)化課中的教學(xué)內(nèi)容,并能夠培養(yǎng)學(xué)生“獨立學(xué)習(xí)”及“主動學(xué)習(xí)”的能力。

課中,任課教師根據(jù)課前任務(wù)的完成情況進行補充講解,以“基于問題”的啟發(fā)式教學(xué)方法,讓更多的學(xué)生參與討論,培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和工匠的責(zé)任擔(dān)當(dāng);同時,利用“雨課堂”中的“試題發(fā)送”“彈幕”或“點擊不懂”等互動方式及時了解學(xué)生對重點難點知識的掌握程度,以提升有限時間內(nèi)的課堂教學(xué)效果。

課后,任課教師準(zhǔn)備作業(yè)任務(wù),利用雨課堂制作手機試卷發(fā)送給學(xué)生,通過學(xué)生的作業(yè)完成情況掌握對課上內(nèi)容的理解和接受情況。對仍然有問題的地方,任課教師有針對性地錄制“微課”對重點難點知識進一步講解,多角度地幫助學(xué)生在“知其然”的基礎(chǔ)上“知其所以然”,并能夠準(zhǔn)確地“應(yīng)用于實踐”。

除此以外,為了使學(xué)生能夠?qū)⒃诒菊n程中學(xué)到的知識學(xué)以致用,并能夠與先修課程之間形成完整的知識體系,分別在第一章緒論和第五章自動重合閘講完后,布置兩次課程報告任務(wù):

1)調(diào)研報告

了解繼電保護的發(fā)展史及前沿技術(shù),淺談與其他學(xué)科技術(shù)發(fā)展的相關(guān)性,完成調(diào)研報告;

2)技術(shù)分析報告

以“美加大停電”“印度大停電”“2008年我國冰雪災(zāi)害造成的南方大面積停電”等為案例,對事故產(chǎn)生的原因及由此引起的危害進行技術(shù)和人為因素的分析及討論,完成技術(shù)分析報告。

2.2 調(diào)整課程考核方式,強調(diào)過程成果記錄

為提高學(xué)生在課程教學(xué)過程中各環(huán)節(jié)的參與度,培養(yǎng)學(xué)生的“創(chuàng)新意識”,在課程中加強了對教學(xué)過程的管理,采取“多維度”的考評體系,豐富課程的考核方式,具體的“課程目標(biāo)達(dá)成考核與評價方式”如表2所示。

表2 課程目標(biāo)達(dá)成考核與評價方式

1) 結(jié)果性考核

結(jié)果性考核即為本課程結(jié)束時的期末考試,以閉卷答題方式完成,占總評成績的50%。題目涉及簡答題、證明推導(dǎo)題、計算題及綜合設(shè)計題等多種形式,既包含對理論教學(xué)中各種繼電保護基礎(chǔ)知識的考評,又包括對實驗環(huán)節(jié)中的實際接線及數(shù)據(jù)分析能力的考核。

2) 過程性考核

過程性考核占總評成績的50%,弱化了結(jié)果性考核的力量,重視對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中自學(xué)能力、思考能力及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。主要包括:

(1)實驗:本課程依據(jù)課程內(nèi)容設(shè)置了5個實驗內(nèi)容,分別為常規(guī)繼電器特性實驗、輸電線路電流電壓常規(guī)保護實驗、輸電線路距離保護實驗、三段式電流保護與自動重合閘裝置綜合實驗及變壓器差動保護實驗,基本覆蓋了課程的理論教學(xué)內(nèi)容中的重要保護類型,占總評成績的20%。

(2)期中考核:期中考核環(huán)節(jié)以隨堂閉卷答題形式開展,時長45 min,根據(jù)教學(xué)任務(wù)的安排,期中考核內(nèi)容涉及繼電保護概述、電流保護和距離保護三章內(nèi)容,以簡答題和計算題為主要題型,占總評成績的10%。

(3)過程表現(xiàn):這部分的考核內(nèi)容及形式與前述線上線下結(jié)合的教學(xué)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系,占總評成績的5%。主要包括課前預(yù)習(xí)任務(wù)、課中隨堂發(fā)布練習(xí)題及討論以及課后學(xué)習(xí)任務(wù)的完成情況等幾個部分,分別占總評成績的1%、2%和2%。

(4)作業(yè):以書后每章練習(xí)題為主,也會根據(jù)學(xué)生對知識點的掌握程度布置相關(guān)內(nèi)容的證明或者分析作業(yè),占總評成績的5%。

(5)課程報告:兩次報告均以小組形式完成并進行答辯,成績包括任課教師打分、小組互評打分及組內(nèi)成員互評打分三部分構(gòu)成,比例分別為20%、40%和40%,最后由任課教師進行點評。在此環(huán)節(jié)的考核中,弱化了教師的打分角色,讓學(xué)生分別從橫、縱兩個維度對自己的工作進行評價,從而更全面地衡量學(xué)生的能力水平。占總評成績的10%。

3 教學(xué)改革效果

3.1 近三年學(xué)生成績對比

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的教學(xué)模式從2017級本科生開始調(diào)整,經(jīng)過了兩次變革。第一次是在傳統(tǒng)課堂(2016級及以前)基礎(chǔ)上,通過利用雨課堂進行隨機點名、實時發(fā)送試題及彈幕的手段,豐富了課堂形式;第二次變革是在第一階段的基礎(chǔ)上將課程任務(wù)進一步分解,充分利用課前預(yù)習(xí)、課上拓展和課后復(fù)習(xí)的層遞關(guān)系,通過“雨課題+微課”的方式幫助學(xué)生多維度地理解和掌握重點和難點知識。經(jīng)過兩次課程的教學(xué)改革,其教學(xué)效果是明顯的,連續(xù)三屆學(xué)生的成績分布如圖3所示。

圖3 連續(xù)三屆學(xué)生的成績分布圖

圖3中,2016級本科生是課程改革前的一屆,總評成績不及格人數(shù)30余人,優(yōu)秀人數(shù)只有1個。教學(xué)改革的正式執(zhí)行時從2017級開始,相較于2016級學(xué)生的成績,有了明顯的改善,不及格人數(shù)維持在10人以內(nèi),再到2018級學(xué)生,不及格人數(shù)只有2人,優(yōu)秀6人,較2017級又有了更進一步的提升。可見,“電力系統(tǒng)繼電保護”混合教學(xué)模式的探索是有必要的,教學(xué)效果也是顯而易見的。

3.2 課程目標(biāo)達(dá)成情況評價

持續(xù)改進是工程認(rèn)證的核心理念之一[8-9],但持續(xù)改進的前提是正確評價和發(fā)現(xiàn)問題。以往的考核及評價過程仍然以任課教師為主,由任課老師針對學(xué)生在各考核環(huán)節(jié)的表現(xiàn)給出評價,這樣做的優(yōu)勢在于操作簡單,但是缺少學(xué)生對課程的反饋。因此,在對課程目標(biāo)的達(dá)成情況進行評價的內(nèi)容中加入“學(xué)生評價”。課程結(jié)束時,針對學(xué)生所需達(dá)成的能力進行問卷調(diào)查,并將結(jié)果作為本課程目標(biāo)達(dá)成情況評價的重要指標(biāo),客觀地反映教學(xué)效果,精確地查找教學(xué)過程中存在的薄弱環(huán)節(jié),表3列出了課程目標(biāo)的考核與評價方式。

表3 課程目標(biāo)的考核與評價方式

學(xué)生對本課程的達(dá)成自評結(jié)果及課程整體達(dá)成情況分別如圖4和圖5所示。圖4中,三條折線分別代表2016級、2017級和2018級學(xué)生對表3中的每一項達(dá)成考核內(nèi)容的自我評價的平均分,圖5是綜合所有考核項目及學(xué)生自評結(jié)果后的本課程的達(dá)成情況對比圖。

圖4 連續(xù)三屆學(xué)生的課程達(dá)成自評情況對比圖

圖5 課程總達(dá)成情況對比圖

可以看出,從學(xué)生自評的課程達(dá)成情況及課程總的達(dá)成情況均出現(xiàn)逐年遞增的好現(xiàn)象,客觀地反映了混合教學(xué)模式所達(dá)到的實際教學(xué)效果。

與此同時,在圖4的每一條折線上都能夠找出最低點,即:分?jǐn)?shù)最低的代表達(dá)成情況不好的課程目標(biāo)所對應(yīng)的具體教學(xué)內(nèi)容,今后的教學(xué)環(huán)節(jié)中可以進一步加強此內(nèi)容的講解及練習(xí)。

4 結(jié)語

課程團隊在分析傳統(tǒng)“電力系統(tǒng)繼電保護”課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題基礎(chǔ)上,以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立思考、應(yīng)用創(chuàng)新的能力為抓手,對課程提出了切實有效的教學(xué)改革措施,既能夠幫助學(xué)生充分理解電力系統(tǒng)繼電保護的原理并掌握系統(tǒng)分析及配置方法,又鍛煉了其針對實際電氣工程領(lǐng)域的保護問題,提出合理方案并進行驗證性實驗的能力。

教學(xué)實施過程中充分體現(xiàn)“新工科”思想和工程教育認(rèn)證的OBE理念,圍繞課程目標(biāo),細(xì)化教學(xué)環(huán)節(jié),組織實施教學(xué)過程,根據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成的評價結(jié)果,發(fā)現(xiàn)問題,進行持續(xù)改進,達(dá)到了很好的教學(xué)效果。