实践教学解决复杂工程问题的探索

甘辉霞 黄景光 陈铁 王峥

摘 要：实践教学如何培养学生解决复杂工程问题的能力已经成为当前工程教育专业教学中的重要课题。文章以继电保护综合实验为对象，依托工程实际，围绕复杂工程问题的内涵，从实验目标、任务安排和教学方法等3个方面对实验进行了设计。使得学生解决复杂工程问题的能力稳步提高。

关键词：复杂工程问题；继电保护综合实验；实验设计

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）23-0106-03

Abstract： How to train students to solve complex engineering problems in practical teaching has become an important subject in the teaching of engineering education. In this paper， aiming at the comprehensive experiment of relay protection， based on the engineering practice， on the connotation of complex engineering problems， the experiment was designed from 3 aspects： experiment target， task arrangement and teaching method， to enable students to improve the ability to solve complex engineering problems steadily.

Keywords： complex engineering problems； comprehensive experiment of relay protection； experiment design

企业对毕业生工程实践能力的要求与日俱增[1]，尤其是中国加入了华盛顿协议之后，如何培养出具有解决复杂工程问题能力的毕业生，已经成为工程教育专业当前和今后必须重视和做好的重要工作。实践教学是提升学生工程实践能力的重要手段，培养学生解决复杂工程问题的能力方面具有举足轻重的作用。继电保护实验是电气工程及其自动化专业的重要实验课程，本文以繼电保护综合实验对象，围绕复杂工程问题的内涵，从继电保护综合实验的教学目标、教学内容和教学方法等方面入手，逐步提高学生解决复杂工程问题的能力。

一、复杂工程问题的内涵分析

要培养学生解决复杂工程问题的能力，首先要理解复杂工程问题的内涵。

复杂首先体现在结构上，包含多个子系统，子系统之间相互依赖、相互协同，并具有层次的结构；其次是非线性，即系统内部诸要素之间的相互作用是非线性而不是线性的；第三是各要素在非线性作用上复合而成的一个整体。“工程”首先强调的是理论和技术的应用，而不是科学研究；其次，表现为具有整体性的、有组织的活动，需要借助工具来完成；第三，实施过程中需要团队分工协作；第四，需要考虑成本和经济效益。

由此可见复杂工程问题涉及很多专业的技术，无法使用单一的专业技术和传统思路给出答案；问题可能超越常规场景，存在着技术上的冲突，需要探索新的思路、标准、技术和方法；还涉及外部与工程本身无关的约束、利益冲突。

针对复杂工程的以上特性，中国工程教育认证协会了对复杂工程问题进行了界定，它包含了七个基本要素，包括必备条件（1）和其余（2）-（7）的部分或者全部。标准及对应的属性见表1。

因此培养学生解决复杂工程问题的能力，其实质就是需要学生能够应对复杂性、全局性的问题，在不具备成熟工具的条件下创新性地运用基础知识和基本理论，在综合考虑多因素的场景下通过分析、研究、评估、设计、实施等活动带领多学科背景团队高效完成工程目标[2]。

在实践教学中要做到这一点，必须要考虑以下的三个问题：1.如何设计复杂工程问题；2.如何围绕复杂工程问题开展实验教学；3.如何使复杂工程问题所需要的工程原理和各种工程知识在实验教学中得到深入地运用。

二、继电保护综合实验的设计思路

复杂工程问题来源于工程，实践教学必然要如实地展现工程。继电保护综合实验是电力系统继电保护课程的拓展和补充。继电保护是电力系统安全运行的第一道防线，它是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施和设备。一般将实现这种自动化措施的成套设备称为继电保护装置。当电力系统或重要设备（线路、变压器、发电机、母线、断路器及电抗器）发生了故障危及电力系统和设备安全，继电保护装置能够向运行值班人员及时发出警告信号，并直接控制的断路器跳闸以终止事故的发展。

工程实践中继电保护装置必须经过调试才能投运，调试过程包括二次回路的检查、保护装置调试、定值计算、整定及校验，各保护功能测试、整组测试等诸多环节。如图1所示，调试过程满足了复杂工程问题（1）、（2）、（3）、（4）方面的要求。

首先，工程中必须深入地分析继电保护保护原理、保护的功能逻辑、装置的功能逻辑才能够合理运用专业技术完成调试工作。满足了复杂工程问题（1）的要求。其次，装置的调试包括保护的回路测试、保护的功能测试和装置的功能测试，涉及到电气、控制、通信、微机专业，各保护功能之间不仅存在逻辑配合，保护功能与保护回路之间同样也存在逻辑关联，保护工作人员必须能够熟练地运用上述专业技术，在相应保护标准、规程的指引下完成测试，并确保保护动作的准确性，既不能发生误动情况，也不能出现拒动的情况。满足了复杂工程问题（2）的要求。

第三，保护功能和保护指标是针对各种短路事故设计和开发的，只有在各种复杂故障和运行方式下才能够有效地测试保护动作的准确性。因此要完成测试，就要对保护装置实际应用环境下可能应对的各种复杂短路故障和运行方式进行模拟，确保在各种故障和正常运行的环境下，保护能够满足规范要求。满足了复杂工程问题（3）的要求。

此外，调试中除了要使用万用表、兆欧表、示波器等常规工具外，还要使用专用的保护测试仪，如继保之星。满足了复杂工程问题（4）的要求。

因此，将保护装置的调试过程作为实验的核心内容，可以让学生把理论知识、测试设备、保护装置、标准及规范有机结合起来，培养他们深入运用所学专业知识解决保护装置测试中的复杂工程问题。

三、实验目标和实验任务

（一）实验目标

围绕装置调试的实际流程制定计划，对电力系统继电保护装置的各项功能和指标的进行测试，目标如下：

1. 能够自行设计测试方案，并按照测试方案开展实验、记录数据、分析结果并对实验效果进行评价。

2. 能够根据保护装置的作用及保护对象，对装置的各项保护功能进行整定计算。

3. 能够对保护整定值进行保护功能和指标的测试，确保装置整定值有效，工作正常，达到运行规范的要求。

4. 能够对保护装置进行严格的实验测试，确保保护装置各项保护功能是否正常，达到运行规范的要求。

（二）实验任务

结合实验目标，按照学生知识和能力发展的基本规律制订实验任务。

任务1：掌握完成实验的基本方法和基本理论。包括保护整定值的计算方法、完成装置测试的基本流程；理解及分析保护功能流程所必需的知识储备；实验测试设备和保护装置的操作方法、操作步骤；如何计算测试过程中的数据和关键性指标，包括装置状态、保护状态、设备状态及报文等；如何利用这些指标对测试的结果进行判断、总结和分析。

任务2：整定值的计算。包括装置中所有保护的整定值计算，并将整定值输入装置。

任务3：保护基本功能检查与分析，包括开机检查装置启动、显示，是否有报警信号，电源检查，模拟输入通道零漂检查，逻辑输入、压板、手柄状态检查，光纤通道信号检查；模拟输入通道采样值检查，保护装置差动电流、零序电流等计算值检查。

任务4：保护功能测试与分析，根据实验方案及保护功能逻辑流程，进行各个保护功能的整定值、动作时间、方向性测试校核，跳闸出口、报文信息、报警信号检查；着重检查保护动作过程的保护功能逻辑流程，要求不存在误动和拒动现象，若发生误动和拒动现象应详细分析原因，并重新检查实验方案。

任务5：保护装置整组实验与分析：根据实验方案及保护功能逻辑流程，投入整组保护功能、重合闸、模拟断路器，以及必要的与其他保护装置的逻辑配合，如外部启动信号、纵联通道信号等，进行保护功能整组实验，模拟保护装置实际应用环境下应对系统发生各种复杂短路故障和运行方式，检查跳闸逻辑、断路器跳闸合闸、报文信息、报警信号，着重检查保护装置整組动作过程的保护功能逻辑流程，要求保护装置不存在设置、整定的冲突或不合理，保护装置整定值可靠有效、工作正常、动作正确，达到运行规范的要求。

（三）教学模式改革

实验教学中采用以学生为主的教学模式，根据学生的毕业要求，通过教师引导把学生推到了教学的主体地位。

在实验前要求学生通过查阅资料学习相关知识，了解保护背景、基本原理；能够对电气工程相关的各类物理现象进行研究和实验验证。

任务1以认知为主，主要采用教师讲课的方式，完成相应规程规范、实验步骤、设备操作方法、实验的进度安排及相关的理论知识的讲授。

自任务2起，在学生掌握了实验计划、实验任务、实验方法和实验规程之后，要求学生根据实验任务自行制定实验方案，包括整定计算、功能测试和装置测试。学生先按照规程和标准制定出相应的实验方案并对实验方案进行验证，再按照实验方案完成实验，自行记录实验数据、分析结果并对实验过程进行反思。在这一过程中，学生能够选用或搭建实验装置，采用科学的实验方法，安全地开展实验。教师可以减少对理论性和专业性知识的讲解，仅安排实验任务、检查实验方案、控制实验进度、提醒学生实验中的注意事项、解答实验过程中出现的问题等，并采用随机提问的方式，考核学生对实验原理、过程、方法的掌握程度。检查学生是否能正确采集、整理实验数据，对实验结果进行关联、建模、分析和解释，获取合理有效的结论；做到能够了解和初步掌握与电力系统规划设计、仿真计算、运行维护、产品开发相关的技术、资源和工具；能把相关技术、资源和工具应用于电气工程问题的解决过程，对电力系统复杂工程问题进行分析、预测与模拟，并理解其局限性；具有工程实习和社会实践的经历。

在成绩评定方面，改变针对实验报告进行评分的传统方式。教师根据课堂考勤及课堂表现、实验操作规范及实验数据结果是否正确、专题讨论、实验报告完成情况进行综合考核。实验完成后，教师对考核结果进行反思，通过对比考核结果对实验目标的达成度进行分析，分析实验是否达到了预期的实验目标。1.人才培养方案制订（修订）。培养目标和毕业要求的确定，考虑到学校、社会、学生等利益相关方的需求；课程体系按照期望学生达到的毕业要求（包含知识、能力和素质要求）进行组织。2.教学导向。教学重点关注output，学生怎样取得学习成果，实际学习成果如何，怎样评估学生的学习成果。3.教学组织与实施。教学组织体现以学生为中心，以启发式讲授、互动式交流、探究式讨论等方式，激发学生主动学习和有效学习，教学过程突出学生深度参与、与实践体验的紧密结合以及批判性思维养成等。4.教学评价与改进。以学生学习成果的评价改进教学；用多种方式评价（包括非标准答案考试）；跟踪、反馈、改进等形成持续改进的机制。

四、结束语

实践教学如何提升学生解决工程问题的能力是当前工程专业面临的重要问题。本文以继电保护的综合实验为例，从实验设计、实验开展及实验教学三个方面阐述了如何在实践教学中培养学生解决复杂工程问题的能力，可以为专业的其他实验提供借鉴。

参考文献：

[1]徐高明.社会需求视域中的大学课程变革[D].南京：南京大学， 2011.

[2]杨毅刚，孟斌，伟楠.如何破解工程教育中有关“复杂工程问题”的难点[J].高等工程教育研究，2017，2：72-78.

[3]蔡培君.实践教学培养学生解决复杂工程问题能力探索[J].阴山学刊，2017，31（2）：148-149.

[4]林健.如何理解和解决复杂工程问题——基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016，5：17-26，38.

[5]中国工程教育专业认证协会秘书处.工程教育认证工作指南（2016年版）[Z].

[6]郭浩淼，李彦哲，王英凯.基于创新创业能力导向的实践教学体系建设研究--以地方高校国贸专业为例[J].高教学刊，2017（22）：30-32.

[7]吴跃本.融情与导悟：PBL理论视阈下的高校思想政治理论课实践教学模型构建[J].高教学刊，2017（22）：177-179.