工程认证背景下“电力系统继电保护”课程教学创新改革＊

郭振威，吴军科，谢 兴，罗 奕，高 鹏

（桂林电子科技大学，广西 桂林541000）

根据工程认证“华盛顿协议”要求，新工科的目标是培养具有国际互认资格的注册类工程师。课程目标从传统的掌握知识转向应用能力的培养。课程目标是培养满足社会需要的未来工程师，或者是为学生尽快成为未来合格工程做准备。因此，工程认证背景下的课程教学，在筑牢基础理论知识的前提下，应尽可能地体现工程应用，尽可能地体现与工程实践相结合，授课内容尽可能地添加“工程元素”。笔者们拥有“注册电气工程师（发输变电）”资格，通过探讨对“电力系统继电保护”授课内容和授课方法进行创新改革，以尽可能地满足工程认证“华盛顿协议”要求。

1 创新“电力系统继电保护”授课内容

良好的授课内容是取得良好授课效果的保证，授课内容既要坚持“以本为本，以纲为纲”，同时又不能拘泥于教材，要不断地丰富教材知识点的内涵，适当拓展知识点外延。

第一，建立课程内容各“知识点工程模型”，筑牢基础理论知识。“电力系统继电保护”课程是电气工程及其自动化的一门专业核心课程。理论抽象性很强，难度高，由于学生没有接触过实际工程，很难建立起感性认识，一些抽象思维能力较弱的同学学了本课程很长时间，还没建立基本概念。甚至有同学反映重修了4遍之后，他仍然不知道这门课程到底讲的是什么。针对这一问题现象，本文提出了对于本课程抽象理论各个知识点建立起具体形象生动的“知识点工程模型”。以工程问题帮助阐述理论基础知识。

比如，对于课程中“故障特征”这一基础概念，教材在阐述这个概念时，用的是很抽象的文字进行描述，并无具体图形展示故障特征，难以使学生建立起感性认识。本文用Matlab/Simulink建立起线路短路故障的“电流故障特征”工程模型，如图1所示，通过比较，了解在电网正常运行和故障情况下这些电流故障特征的不同表现。比较图1所示的故障前正常电流幅值和短路故障后电流幅值从而可以明显看出，短路时的电流是正常运行时的电流11倍多，电流幅值在故障前后具有显著区别，从而认识到电流可以作为判断电网短路故障一个故障特征，并且可以设定一个门槛动作值作为故障判据，进而进行故障判断。

图1 电流故障特征模型与电压故障特征模型

第二，引入工程实例，切实体会课程实际效用，激发学习热情。大学里面，很多课程的学习都让学生感到很迷茫，都说这门课程多么重要，那门课程多么重要，但是又无法感受到具体用途，感觉学什么都没真正的用处，久而久之，失去了学习的动力与兴趣。针对这一问题，根据本课程与实际实践紧密结合的特点、知识点与工程实践应用具有直接对应关系的特点，本文提出了引入电力工程具体实例，展示相关知识的实际用途以及如何应用，激发学生摩拳擦掌、跃跃欲试的学习热情。比如，距离保护是“电力系统继电保护”这门课程以一个重点和难点，对于理解继电保护的基本任务、继电保护的4个基本要求以及基本原理应用分析方法等知识点起着非常重要的作用，同时距离保护在110 kV以上电网中有着重要而广泛的应用。在讲授课程相关知识时，引入了如图2所示的某地区110 kV电网的距离保护实际工程保护配置进行阐述。

图2 某地区110 kV电网距离保护配置图

第三，解读相关规程规范，提前体会工程要求，破解工程问题神秘感，增强自信心。大学学习的很多课程都是理论性很强的课程，同时也很有实际应用，但是在教学过程中，就是给学生远离实际应用的感觉，对实际工程应用有种神秘感，学生感觉知识掌握难度很大。“电力系统继电保护”是电气工程专业核心课程之一，在电网中有直接对应业务范围，在教学过程中，对实际工程应用做了很多工程应用阐述。同时本课程一个很大特点就是，每个知识的工程应用都有国家的规程规范，或电力行业的规程规范，对相关业务要求有明确的约束规定。可以在教学过程中对相关规程规范进行适当解读，培养学生结合工程应用场合的规程规范应用课程知识的能力，破解工程问题神秘感，增强自信心。

比如GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》的4.8.1条规定“对于220～500 kV电压的母线，应装设有选择性地切除故障的母线保护”，这里的“应”在电力工程中是语气最强“必须”的意思，具有强制意思，而不是语气比较弱“应该”之意；4.8.2条规定“对于发电厂和变压器的35～110 kV电压的母线，在三种情况下，应装设专用的母线保护”；4.8.3条规定“发电厂和变压器的3～10 kV分段母线及并列运行的双母线，一般可由发电机和变压器的后备保护实现对母线的保护”，这里的“可”是建议采用的意思，但并不强制采用。从4.8.1、4.8.2、4.8.3条中可以看出，同为母线专用保护，但是在不同的电压等级应用场合不一样，其要求不同，体现了保护的快速性、可靠性和经济性的矛盾统一的紧密关系，工程实际应用应根据多方面因素，最终综合确定结果。

2 创新“电力系统继电保护”授课方法

授课方法与授课内容是紧密相关的2个方面，授课内容只有与授课方法相协调相互促进，才能取得好的授课效果。本课程在传统授课方法的基础上，增加以下授课方式。

第一，课程知识点讲解与工程应用实例紧密结合。“电力系统继电保护”既是一门高度抽象的理论性课程，同时又是具有强实践性的课程，它的每个知识点在电力工程实践中都有直接应用。因此，本课程理论每个知识点与工程实践有直接对应关系。基于此，在教学过程中，可将理论知识点与工程实践建立起一对一甚至一对多的关系。这样可以强化知识的理解与掌握，并且可以更好地培养应用能力。比如如图3所示的电力线载波通信构成及阻波器，其作用原理图及所对应的工程现场图分别如图3（a）和3（b）所示。以工程实物图展示相关知识，既可以帮助学生更生动形象地掌握了理论知识，同时帮助学生了解实际工程现场应用，给学生留下深刻印象，为他们在以后工作中的实践打下坚实基础。

图3 电力线载波通信构成及阻波器作用

第二，基础理论知识点模型化、可视化方法授课。将抽象性强的理性知识点通过可视化手段，建立感性认知，所见即所得，印象深刻。适度引进专业软件辅助教学，形象化阐述抽象思维问题。“电力系统继电保护”课程中许多原理概念抽象性强，引入Power World Simulator电网可视化专业软件可对这些知识内容进行很好的可视化辅导教学，能极大地帮助学生对抽象性知识进行感性认知，可使学生将知识掌握得既快又牢，极大地提升教学成效。比如对于双侧电源网络保护，采用Power World Simulator讲授电网的功率方向或功率元件方向以及短路电流幅值变化和主要流通路径，使知识变得简单明了，一目了然，学生记忆深刻，如图4所示。

图4 Power World Simulator展示短路电流方向/幅值/路径

第三，对于典型关键知识点，开展专题研究课题，使学生深入强化学习，重点突破关键理论。“电力系统继电保护”课程具有理论性强、实际应用性强的特点，同时这门课程基础理论可概括归纳为电流保护、电压保护、距离保护、纵联保护、非电气量的保护和自动重合闸等几大理论模块。为了使学生对关键知识点达到熟练掌握并具有相应的分析应用能力，对这些知识点开发了相应的专题研究课题，要求学生分组开展专题研究分析，以达到深入掌握相关知识并培养其能力的目的。比如目前本课程根据循序渐进的原则开展了“单侧电源的三段式电流保护专题研究”和“双侧电源的电网距离保护专题研究”。

第四，以线下现场教学为主，线上拓展相关知识点内容，线下线上相得益彰。为了使学生更多地体会到课程实际效用，在课程教学过程中引入不少工程实例以及对相关规程规范的解读。这部分内容广泛，信息量知识量大，课堂教学只能择其一二作为范例讲解，更多的内容制作成线上资源，供学生课后线上自主学习。

3 创新能力培养效果评价模式

好的能力培养评价模式同样能助燃起学生的学习热情，为了配合“电力系统继电保护”课程新的授课内容和新授课模式，采用以下考核方式：①线下课程评价。线下课程学习评价形式采用传统的课堂表现、课后作业、期中测试和期末考试等形式。②线上课程评价。线上知识点拓展内容主要采用课后学生自我研习的模式，为了鼓励学生学习激情，从其学习的广度和深度2方面进行相应考核评价，偏重广度考核，并计入最终考核成绩。③专题研究评价。专题研究是针对重点难点内容而设置的分组研讨式学习环节。其考核评价主要对课题研究内容全面性和研究深度与质量2方面考察，这部分侧重对研究深度与质量考查。同时考查专题研究过程中学生之间分工协作、交流表达沟通能力的锻炼情况。

4 总结

本课程授课改革首先从建立课程内容各“知识点工程模型”、引入工程实例和解读相关规程规范对授课内容进行了创新改革。然后，为适应授课内容，对授课方法从课程知识点讲解与工程应用实例紧密结合、基础理论知识点模型化、可视化方法授课、典型关键知识点开展专题研究课题以及线下现场教学为主结合线上拓展相关知识点内容等方面进行改革。最后，培养效果评价模式采用线下课程评价、线上课程评价和专题研究评价3种评价方法相结合。“电力系统继电保护”课程授课通过创新改革后，取得了显著成效，达到了工程认证培养学生能力的要求，符合教学发展的国际潮流，将在以后的教学实践中进一步完善具体实施方案。