基于成果导向的继电保护课程教学

孙抗　杜少通　李晓明　王福忠　王玉梅

摘  要：设计能够支撑工程教育认证毕业要求的课程目标和确保课程目标达成的教学方法是一线教师在工程教育认证中必须考虑的关键问题，也是工程教育专业认证落地生根的关键。以继电保护课程为例，通过梳理课程内容，对应工程教育专业认证的毕业要求，建立课程内容和毕业要求间的映射关系，以此为基础建立教学目标;基于教学内容与教学目标的映射关系，从课堂理论教学、作业、实验三个方面基于成果导向进行教学设计;归纳课程目標设计的流程，分析课程目标合理性及达成的关键因素。文章内容可为课程与不同毕业要求形成支撑，教师思考课程目标和设计课堂教学提供参考。

关键词：成果导向;课程目标;教学设计;继电保护

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：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

工程教育专业认证是我国衔接国际工程师教育，实现国际互认的重要举措。其以学生为中心、成果导向、持续改进为三大理念，是当前工程教育的先进理念[1，2]。传统以内容的教学设计是以掌握知识为主要目标，基于知识自然驱动学生各种能力的形成。基于成果导向的工程教育理念要求教学需对标准化的毕业要求提供明确的支撑，而毕业要求是解决复杂工程问题所需具备的基本能力，这就需要对教学内容按照明确的目标进行教学设计并实施。目的改变形式，成果导向下的教学过程自然也需要合理形式，文献[3]广义论述了反向设计原则，课程教学要由毕业要求决定，要支撑毕业要求。文献[4]以有机化学为例进行了精细的教学设计，文献[5]以工程图学为例进行项目教学。基于成果导向的教学设计，是推进专业实现工程教育专业认证的基础，是任课教师在工程教育认证背景下的重要工作之一。

万里长征始于足下，工程教育专业认证的理念最终实现取决于课程教学，因此有必要基于成果导向的理念对现有教学做出一些变化。鉴于不同学校的毕业要求达成，需要思考课程对毕业要求的支撑，基于此形成课程目标并明确课程目标对毕业要求的支撑关系，最后形成教学大纲指导教学。因此梳理课程内容，建立课程内容与通用毕业要求一般性映射关系，基于该关系建立课程目标，设计达成课程目标的教学方法，进而形成教学内容、毕业要求、课程目标、教学方法四者的对应关系。该关系将为各学校依据自身专业建设需要，选择性进行课程目标设计提供参考，为任课教师进行课程教学提供借鉴方案。

继电保护是电气工程及其自动化专业在电力系统方向一门重要课程，也是一门综合性较强的专业课程。下面基于成果导向的理念，建立继电保护课程的教学目标，并对课堂教学、作业与实验进行初步的教学设计，归纳课程目标制定的流程。

一、成果导向下教学目标建立

继电保护的核心内容包括：保护的原理，继电器或元件的特性，保护整定原则，影响保护的因素与抑制措施，案例（大作业），实验。下面依据上述内容基于毕业要求通用标准的技术因素初步建立课程目标。

保护原理的学习，达到的目标是：能够运用电网元件的数学模型建立短路电流、零序电流、短路阻抗等特征参量的求解模型，并求解;能够识别“短路故障”与“正常运行”两种状态，并能借助图形与数学语言进行表达。该目标可对应于工程教育认证通用标准中第1条工程知识。

基于特征参量的数学模型与解，依据“选择优先、力争速动”的基本要求，能够推演保护的构成。该目标主要针对问题的思考和分析方法，使学生掌握保护构成的一般方法，可对应于工程教育认证通用标准中第2条问题分析。

继电器（保护元件）特性，达到的目标是：能够建立数学模型来表达继电器（保护元件）的动作特性，该目标可对应于工程教育认证通用标准中第1条工程知识。能够运用相关基础知识建立数学模型，预测、表达接线形式对继电器（保护元件）行为的影响。可对应工程教育认证通用标准中第2条问题分析。

保护整定原则，达到的目标是：能结合多因素进行分析、判别，推演保护的整定原则。

该目标推演的结论属于工程教育认证通用标准中第1条工程知识，推演的过程对应于工程教育认证通用标准中第2条问题分析。

影响保护的因素与抑制措施，达到的目标是：能够运用数学模型识别影响保护的因素，通过分析能够预测因素影响下保护的行为，能认识抑制影响保护各因素解决方案的多样性并选择合理的方案。可对应工程教育认证通用标准中第2条问题分析。

案例（大作业），达到的目标是：对具体电网络，能够了解保护配置与整定的全过程，能查阅文献和规程完成具体保护的配置和整定，可对应工程教育认证通用标准中第3条设计开发。能借助仿真工具对保护配置与整定进行设计与验证，并对仿真结果进行解释分析。可对应工程教育认证通用标准中第4条研究和第5条使用现代工具。

实验，达到的目标是：能对明确的目标设计实验步骤，并分析实验结果。可对应工程教育认证通用标准中第4条研究，设计分析解释数据。

上述基于内容梳理建立了继电保护课程内容与工程教育认证通用标准的技术因素，而通用标准中的非技术因素也需要专业课程能够有所贡献。

继电保护对电力系统安全运行有重要的作用，而电力系统安全运行对人民生活和社会经济有重要的影响，因此可以站在电力系统安全运行的角度使得学生思考继电保护工程实践对于社会的影响，进而树立正确的责任意识，该内容可在结合继电保护的作用进行讲授，其对应于工程教育认证通用标准中第6条工程与社会。

针对“大作业”可让学生分组进行汇报讨论，可在该过程中体现工程教育认证通用标准中第10条沟通，目标是学生能就继电保护的专业问题进行书面表达和交流。

二、基于教学目标的教学设计

成果导向下教学目标为动词驱动[6]，以支撑学生达到毕业要求，因此教学设计应具有明确的目的性。

（一）课堂理论教学问题导向

对教学内容依据工程問题进行梳理、分解，课堂理论教学围绕工程问题展开：突出对问题及解决方案的识别、表达，应促使学生能够将数学、自然科学、专业知识等应用于解决复杂工程问题;

强调解决问题所采用方案的获得过程，在推演中促使学生思考复杂工程问题，获得思考复杂工程问题的一般性方法，能够对复杂工程问题进行分析;探讨局限性与不唯一性，探讨中强化学生对工程知识的用和对工程问题的思考、分析方法，并提升学生学习兴趣和鼓励学生查阅一定的参考文献、进行适当的仿真验证。

继电保护课程多按照保护种类分章节展开，其教学内容问题化相对容易。例如，以接地故障的保护为例。问题提出，如何以零序分量为特征参量构成接地故障的保护。零序分量分析需要通过电网的复合序网进行，需要深入利用不对称短路的理论分析方法并建立抽象数学模型;对小电流接地系统的故障特征及接地电流补偿方式需要建立合理的抽象数学模型;影响零序分量的因素涉及面广;该问题应包含零序分量提取，保护构成的原理，整定，影响因素等，诸多因素相互关联;上述特点均符合工程专业教育认证对复杂工程问题的界定。

继电保护课程中每类保护的内容一般包含原理、整定、接线形式、影响因素几个部分。其均能够反映对工程知识的用和对工程问题的分析。例如，仍以接地故障的保护为例。大电流接地系统电网中零序分量的产生和数学、图形表达，例如典型的有接地故障、断线、非同期合闸时零序分量，涉及对不对称电网分析的基本方法的应用，是针对能否区分故障与正常运行状态这一关键问题的数学表达。小电流接地系统，采用消弧线圈进行补偿这一教学内容。需要建立单相接地短路电流的数学模型，然后进一步分析该电流受消弧线圈与系统对地电容参数相互关系的影响，需要识别出过补偿可能产生中性点高压这一现象。

继电保护授课内容中对保护原理和整定是课程的关键内容。该部分内容逻辑性强，讲授中对结论获得过程进行推演，能够使学生学会构成保护的一般方法，是分析工程问题的好素材。例如，瞬时速断中躲开线路末端短路的最大零序电流，限时速断中与相邻线路Ⅰ或Ⅱ段配合，零序Ⅲ段中时限的阶梯配合，这些内容适宜通过推演得到结论。

由于电力系统的复杂性，各种保护的优缺点、评价和适用性就非常有指导意义，该部分内容非常适合探讨。例如，零序电流保护相较相间短路的电流保护的优缺点，微电网中零序分量受逆变器控制方法影响与否等，即有教材内容也有一些新鲜有意思的问题。使得学生学会对工程问题解决方案的对比、评价。

（二）课下作业目标导向

继电保护课程对前期课程的综合应用较多，该特点可很好地支撑专业知识这一毕业目标，但学时有限，因此对各类保护特征参量的分析方法、计算方法可通过作业促使学生掌握，在课堂理论教学上体现如何用，而知识本身课下完成。

继电保护每种保护为一相对完整的内容，有利于学生对保护配置和整定这一相对系统的全过程形成整体认识，该特点可较好地支撑开发、设计这一毕业目标，因此课下适宜采用至少两次的实际工程案例进行作业，主要体现整个过程的完整性和对仿真工具的应用。

电力系统的电力电子化是当前电力系统的一个显著趋势和特征，继电保护在这个过程中也面临新的问题，该内容适合作为探讨性内容的辅助，因此，适宜针对一个新的场景让学生通过查阅文献给出一种保护方法，例如，风电中变流器控制作用下短路电流减小。

（三）课程实验设计导向

实验的指导书以实验台的基本参数和基本操作为内容，具体实验时只有实验目的而无实验具体步骤，要求学生依据实验目的设计实验步骤和预测实验结论（Matlab 仿真），经过实验后解释实验结果。按照该模式对现有的验证性实验进行改造，可更好地支撑毕业要求中的“研究”与“使用现代工具”。

三、课程目标建立流程的思考

基于第1节分析，可见从内容梳理上可以使继电保护课程形成不同的课程目标，但一门课的课程目标也不宜太多，以避免给课程造成过重负担。传统教学中以“内容”进行教学，把内容讲清楚就完成了教学，而产出导向下教学设计是课程目标确定的，同一课程内容，在不同课程目标要求下，其教学设计将有很大的不同。反之，同一课程内容，采用不同的教学设计，也一定程度上可以形成不同的教学目标。因此，在课程目标的制定中可按如下步骤进行。

（一）从课程体系出发初步梳理出课程与毕业要求之间的支撑关系

从大局出发，结合本专业培养目标、毕业要求与专业特色，按照技术因素和非技术因素初步对应课程与毕业要求的支撑关系，该环节可主要有熟悉课程体系的专业负责人带工作组完成。

（二）课程团队撰写初步课程目标

课程团队按照课程与毕业要求之间初步支撑关系，结合授课内容撰写课程目标，并针对课程目标进行课程教学的初步设计。基于该环节，课程团队形成该课程与毕业要求之间初步支撑关系的说明，主要包含支撑强弱、支撑是否合理。

（三）基于初步课程目标进一步梳理课程与毕业要求之间的支撑关系

专业负责人带工作组，基于初步的课程目标设计并结合课程团队反馈意见，统筹课程目标与毕业要求之间的支撑关系，确立支撑权重。

（四）形成教学大纲进行教学

课程团队基于新的课程与毕业要求之间的支撑关系，撰写教学大纲，并进行课程教学。

学期课程教学结束，形成课程评价，课程团队就课程教学的产出情况形成自评，思考课程目标设计的合理性，形成建议。

（五）基于毕业要求达成评价持续改进课程与毕业要求之间的支撑关系

基于课程评价，专业负责人应对课程与毕业要求之间支撑关系进行思考，在达到毕业要求达成评价结果后，从第（三）步循环。

课程目标的建立是基于课程与毕业要求间的支撑关系，而该支撑关系的合理性是关键，否则会给授课团队造成授课困难，也会影响毕业要求达成，因此该环节应结合教学团队的教学体验和课程目标达成结果，统筹考虑，持续改进。基于合理课程目标，课程目标的达成情况则取决于课程教学设计。

四、结束语

本文建立了继电保护课程教学内容与教学目标的映射关系，并基于此探讨了具体的教学设计，基于此归纳了课程目标的设计流程。基于成果导向的工程教育理念需要将教学内容按照明确的目标进行合理化教学设计，着重依据工程问题开展教学，强调对复杂工程问题的识别、表达、分析、对比、评价、研究，通过该过程促使学生学生毕业要求达成。而课程目标合理性的关键是毕业要求与课程之间的支撑关系，课程目标达成的关键是基于合理课程目标的合理教学设计。

参考文献：

[1]李志义.对我国工程教育专业认证十年的回顾与反思之一：我们应該坚持和强化什么[J].中国大学教学，2016（11）：10-16.

[2]王金旭，朱正伟，李茂国.成果导向：从认证理念到教学模式[J].中国大学教学，2017（06）：77-82.

[3]李志义.成果导向的教学设计[J].中国大学教学，2015（03）：32-39.

[4]林世静，佟拉嘎，刘姗姗，等.基于成果导向教育理念的有机化学教学过程设计[J].大学教育，2019（03）：87-89.

[5]庄宏，陈忠，唐文献，等.CDIO项目式教学研究与设计——以面向工程教育专业认证的工程图学课程为例[J].大学教育，2019（03）：18-21.

[6]乐清华.毕业要求的制定、分解与评价[R].专业认证第二期培训会报告，2019，4.