新工科背景下“電力系統保護與控制”課程教學改革

［摘 要］ “電力系統保護與控制”是電氣工程及其自動化專業的核心課程，基于新工科背景，通過對該課程現狀深入分析，發現其存在教材內容繁多且交叉、授課方式不夠豐富、評價標準不夠完善、立德樹人環節較為薄弱等問題，從課程思政建設、教學手段和方法改進、考核評價方式制定以及加強校企聯合培養四個方面提出了相應的措施進行改革創新，以提升學生的學習興趣，培養學生專業知識融合、理論聯系實際、分析問題、解決問題和創新的能力，并在傳授專業知識的同時，實現對學生的價值引領。

［關鍵詞］ 電力系統保護與控制；教學改革；能力培養

［基金項目］ 2022年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“新工科背景下電力系統保護與控制課程教學改革與實踐”（HNJG-2022-0470）

［作者簡介］ 孫妙平（1978—），女，湖南益陽人，博士，中南大學自動化學院副教授，主要從事電力系統保護與控制研究；萬 輝（1974—），女，河南鄧州人，碩士，中南大學自動化學院助理研究員（通信作者），主要從事計算機科學與技術、教育管理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）19-0005-04 ［收稿日期］ 2023-04-14

引言

“電力系統保護與控制”是電氣工程及其自動化專業的核心課程，是一門理論性和實踐性都很強的專業課。通過本課程的學習，學生了解和掌握了電力系統保護與控制的基本作用、基本概念、基本原理、基本構成、實現技術和工程應用等，學會用辯證統一的思想分析和解決問題，為學生從事電力系統保護、安全運行及電力工程設計或畢業后繼續深造打下堅實的基礎。

一、存在的問題

新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養多元化、創新型卓越工程人才［1-2］。以推進新工程建設與發展為目標，發現中南大學的“電力系統保護與控制”課程存在以下一些問題。

教學內容繁雜，既包含故障分析與短路計算，也包含硬件結構、數字算法和軟件實現，還有正常運行與事故下的自動控制與裝置等，主要內容應側重于將電力系統繼電保護技術最新原理、裝置和相關整定計算有機結合到一起，使學生理解傳統的保護原理和控制技術及其數字式保護與控制的軟件實現，但該內容又與其他如“單片機原理與應用”“電氣工程基礎”和“電力系統分析”等課程有交叉和重復。

以教師講授為中心的傳統授課模式相對落后，教學主體單一，學生被動接受課程內容，學習積極性不高，授課課件內容以文字和推導公式為主，直觀性較差。

課程偏向工科實踐，實踐、實驗環節的訓練能使學生更好地理解和掌握理論知識，但由于實驗條件有限和實驗安全問題，教學過程中不太重視實踐能力的培養。

課程思政與思政課程要同向同行，如何在知識傳授過程中融入課程思政是專業課必須思考的問題，但目前該環節較為薄弱，因此必須在“電力系統保護與控制”授課過程中，潤物無聲地融入思政育人點，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

此外，作業+考勤+期末考試的考核方式不夠完善，重結果，不能對學生整個學習過程中的學習狀態和效果進行全方位的評價，還會導致學生自主性差，不利于能力的培養。

因此，為了促進新工科發展和建設，需對目前存在的問題進行深入剖析，采取有效舉措，從內容、方法、實踐和考核各環節進行改革創新。

二、改革舉措

（一）開展全方位課程思政建設，落實立德樹人

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人［3］。因此，不斷提升自身的課程思政意識、素養和能力，在理論和實驗環節深入挖掘本課程蘊含的思政元素，探討專業知識點與中國電力企業文化和社會主義核心價值觀等思政育人點的有機融合，將價值觀的培育和塑造“基因式”地植入課程，將知識傳授與價值引領相結合，寓道于教、寓德于教、寓教于樂，在向學生傳授專業知識的同時，培養學生的愛國主義情懷、倫理意識、責任擔當和工匠精神，把立德樹人和教書育人落實在具體的教學實踐中［4］。

思政映射與融入點主要包括：（1）通過圖片或者視頻播放，介紹賀家李、楊奇遜、沈國榮等前輩的成長成才經歷和尖端成果，以及我國電力工業的發展歷程及社會基礎領域發展的變遷過程和偉大成就，堅定學生的專業自信和民族自信，提高學生的民族自豪感和從事專業科學研究的興趣；分析和理解繼電保護的四性，引入唯物辯證法，啟發學生用辯證的觀點分析問題，強化學生的科學價值觀、唯物辯證思想和責任意識與擔當精神。（2）討論保護中分支系數的影響時，助增電流會使保護區縮小，引起拒動，外汲電流又使得保護區伸長，引起誤動，所以保護裝置必須考慮在最惡劣的情況下都能滿足性能要求，由此引入習近平總書記指出的“堅持底線思維，做到居安思危、未雨綢繆”［5］，告誡學生要有憂患意識，人生路上總會遇到風險和挑戰，要不懈追求，踏實肯干，才能下好先手棋，迎來新征程。（3）結合歷史上一些著名的大停電事件，介紹為了電網安全，應對故障擾動的三道防線，讓學生對電網安全有全面深刻的認識，增強課程自信，再對一些人為因素進行分析，培養學生嚴謹細致的工匠精神。（4）通過播放電力安全事故，講解實驗課的安全注意事項和分析影響實驗數據準確性的因素等，進一步培養學生的安全意識，以及一絲不茍、科學嚴謹的科研態度和實事求是、“打破砂鍋——問到底”的科學精神。（5）通過對自動裝置原理的動作情況和動作順序進行分析，培養學生的獨立探索和合作精神，提高學生分析問題、解決問題的能力。

（二）采用多樣化教學手段，提高教學效果

除了常規的PPT授課外，在教學過程中還應注重傳遞知識的多樣性、學生實踐能力和創新能力的培養，基于此，我們做了以下幾點改革。

1.“電力系統保護與控制”課程涉及大量的概念介紹、保護原理分析和控制過程分解，具有學習難度大、抽象且實踐性強的特點，特別是我校由于多方面原因，先修課程“電力系統分析”只能同步授課，都安排在第六學期，使得學生對一些電氣現象的結論難以理解。為了加強學生對原理的理解，提升學習興趣，指導學生對一些知識點基于Matlab平臺設計了圖形用戶界面，不僅加深了基礎課程“系統仿真技術”在電力系統中的應用，還直觀深刻地展示了電力系統運行，更有助于培養學生的創新探索能力，實現事半功倍的效果。

2.本課程內容多，教學時既要精選經典教學內容，又要反映電力系統保護與控制原理和技術的最新成果和發現，且本課程與“單片機原理與應用”“電氣工程基礎”和“電力系統分析”等課程有交叉和重復，為了保證課程內容的完整性，又不重復講授，教師可以在課程群里發布帶標注的課件供學生復習或回顧，并布置一些課程融合的探究項目，如準同期并列模擬裝置的設計、數字式電流保護裝置的設計、勵磁系統穩定器的仿真與分析、電力經濟調度算法設計與仿真等，要求學生分組完成。學生分工合作完成項目任務，期末再驗收并納入平時成績考核，完成較好的小組在課堂上分享項目經歷，同時解答其他學生的疑問。這樣，既能使學生深入掌握相關前沿知識或技術，培養查閱資料和知識綜合運用的能力、創新實踐能力和解決工程問題的能力，又能提升學生的專業自信，提高學習興趣和學習主動性，增強溝通和合作能力［6-7］。

3.對比式教學法貫穿全課程，通過新舊事物之間的聯系，幫助理解新知識。例如，討論電力系統頻率及有功功率的自動調節時，與無功及電壓控制進行對比；學習發電機保護時，與電力變壓器保護的學習方法對比；講解三段式距離保護的整定時，與三段式電流保護的整定方法進行對比等。通過對比教學，找出他們之間的共性和個性、聯系與區別，激發學習興趣，增強學生對知識點的理解和鞏固［8］。

4.由于本課程實踐性很強，因此，在教學過程中，將課程知識點與實踐聯系起來，講解一些現場獲取的實物照片或者播放一些相關的視頻資料，激起學生的求知欲和好奇心；以圖片或視頻的形式展示工程實物或工作情況，讓學生在課堂上獲取更多的實際內容，幫助他們更加生動形象地了解理論知識，更好地培養其理論聯系實際的能力和終生自主學習能力［9］。

此外，在講解《繼電保護》章節時，讓學生圍繞五個方面開展：（1）保護原理，即如何甄別區內區外故障和正常運行狀態；（2）接線形式，即互感器和繼電器如何連接；（3）繼電器參數整定和保護裝置的靈敏度校驗，即如何處理好保護選擇性、速動性、可靠性和靈敏性的辯證統一關系；（4）保護的實現，即保護裝置的介紹；（5）在使用過程中可能遇到的問題及解決措施。幫助學生有效構建知識體系。每章結束時，還會要求學生整理知識點，繪制思維導圖，對所學知識進行記錄和儲存。這樣，學生的學習就有目標和方向，思路也很清晰，學習起來有動力，學習效率更高。

（三）利用校外聯合培養基地，加強校企合作

中南大學自動化學院歷來重視校企聯合人才培養，積極加強校企聯合育人，以企業需求為導向，以學校和企業共同參與人才培養為宗旨，以培養學生的工程意識和工程實踐能力為目標，將企業一線需求信息和科技開發與應用成果引入電氣工程及其自動化專業教學中，使課程與內容更具先進性、應用性和針對性。通過多年探索與實踐，在電氣專業形成了涵蓋電力系統發電、輸電、變電、配電、用電以及電氣設備生產制造等各環節的完成實訓鏈。

繼電保護和自動控制是保障電力系統安全穩定運行的重要手段，隨著電子技術、計算機技術、網絡通信技術和智能電網技術的快速發展，電力系統的保護與運行控制技術正在突破傳統的技術框架和分工模式，向著相互融合與一體化發展。利用到國網湖南省電力公司星沙培訓分中心為期7天的生產實習，讓學生進一步了解正在使用的電力系統保護與控制裝置和設備，包括對全網系統實時監控和必要干預的調度自動化系統、快速切除系統任何部位發生故障的繼電保護系統、嚴重故障切除后能維持系統安全穩定運行的區域安全穩定控制系統、系統穩定性遭受破壞時避免長時間大面積停電實施緊急控制的就地穩控系統等［10］，以110 kV東升變電站為專題進行繼電保護、調度自動化、變電運行、變電檢修和電氣試驗的實操實訓和講解培訓，通過沙坪與鼎功兩座超高壓500 kV變電站和祁韶直流輸電±800 kV特高壓韶山換流站的參觀學習，學生不僅全面了解了實際生產現場保護與控制裝置的重要性、運行和使用情況，增強感性認識和學習興趣，學以致用，還鍛煉了動手操作能力，提高專業素質、工程實踐能力和創新能力，提升多主體協同育人效果。

（四）采用多元化考核方式，注重能力評價

在教學改革中，考核與評價方式應全面準確，考核不僅要關注學生的理論知識水平，更要對學生的創新能力和問題分析能力進行考核。因此，在新版培養大綱修訂中，加強實踐、項目環節和互動環節的考核，采用多元化方法檢測學習效果，主要為：期末考試占總成績的60%，增加結合工程案例的綜合分析題，從理論應用角度更好地考核學生的綜合分析能力；平時成績占總成績的40%，除了平時作業、考勤和實驗及實驗報告外，增加課堂教學互動和項目完成度的考核，考勤和互動占10%，主要考核出勤率、課堂活躍度、課堂內容的質疑、答問準確性和思維導圖；作業占10%，主要考核作業是否按期提交、作業完成度、知識點的理解和掌握度、結果的正確性；探究式項目占10%，主要考核任務難度、完成度、答辯效果和報告質量；實驗及分析占10%，主要考核對實驗內容的理解與運用能力和采用現代工具及科學方法進行研究的能力以及實驗報告中對實驗結果的分析。

結語

著眼于提升學生的學習興趣，培養學生的專業知識融合，理論聯系實際，分析問題、解決問題和創新能力，實現對學生的價值引領。本文深入剖析了“電力系統保護與控制”課程的現有問題，從課程思政建設、教學手段和方法改進、考核評價方式制定和加強校企合作四個方面提出了相應的措施進行改革創新，教學實踐和探索表明取得了較好的教學效果。今后還要在制作優秀課件、開展線上線下相結合的教學方式［11］、加強實踐教學等方面下功夫，力求更好地提高教學效果。

參考文獻

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［3］習近平在全國高校思想政治工作會議上強調 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面［N］.人民日報，2016-12-09（1）.

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［10］周建新.電力系統保護與控制基礎［M］.北京：中國電力出版社，2014：9-10.

［11］李長城，韓昆龍.新時代《電力系統繼電保護》課程教學改革探索［J］.中國電力教育，2021（1）：72-73.

The Teaching Reform in the Course of Power System Protection and Control under the Background of Emerging Engineering Education

SUN Miao-ping， WAN Hui

（School of Automation， Central South University， Changsha， Hunan 410083， China）

Abstract： Power System Protection and Control is a professional core course for the majors of electrical engineering and automation. Based on the background of Emerging Engineering Education， an in-depth analysis of the current situation of the course reveals that the teaching materials are diverse and cross-cutting， the teaching methods are not rich enough， the evaluation standards are not perfect， and the link of moral education is relatively weak， etc. The corresponding measures are put forward for reform and innovation in four aspects： construction of curriculum ideology and politics， improvement of teaching methods and approaches， development of assessment and evaluation methods and strengthening of collaboration cultivation between universities and enterprises， in order to enhance students’ interest in learning， cultivate students’ professional knowledge integration， theory integration with practice， analyzing problem， problem-solving， and innovation abilities， and achieve value guidance for students while imparting professional knowledge.

Key words： Power System Protection and Control; teaching reform; competence development