工科专业课程中“横向贯通-纵向衔接”教学体系构建与探讨

2024-11-02 00:00:00陈璐高辉

大学教育 2024年20期

［摘要］针对工科专业课程较抽象、难理解、学科交叉等特点，文章以继电保护课程为例，结合课程目标构建 “横向贯通-纵向衔接”的井字形课程教学体系，具体阐述基于横向贯通模式的三段式电流保护知识点教学策略，提出纵向衔接模式下“复用为主，差异迭代”的多种电流保护场景协同教学策略，以有效促进学生对专业课程内容的理解及掌握应用。

［关键词］继电保护；工科专业课程；保护原理；教学体系构建

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）20-0036-05

工科教育作为培养工程人才的重要途径，是我国工程创新的活力源泉，为人工智能、移动互联、大数据等科技和产业的发展提供了不竭动力[1-2]。然而当前，工科专业课程的部分教师在教学中按照教材章节照本宣科，教学内容交叉性和融合度不够，导致学生未能整体性把握专业课程体系，出现了学生学完课程后却没有掌握其框架和重要内容等现象。工科专业课程教学仍然存在着模式固化、无法满足学生能力高质量培养以及适应工程实际需要的问题。因此，有必要针对工科教学特点，开展多维度对比与融合的工科专业课程教学体系构建，引导学生梳理课程脉络和内在逻辑，挖掘各知识点相关性和耦合点，“知其然”并“知其所以然”，以促进学生对工科专业知识的理解、学习和应用。

作为电气工程类专业的专业主干课程之一，继电保护课程具有较抽象、难理解、学科交叉等特点，表现为“理论性强、原理多、技术新、公式复杂”等具体难点[3-4]，例如短路电流计算、原理设计等均涉及其他电气专业课程的基础知识。为此，许多高校将继电保护课程安排在大四上学期，但在调研中仍有不少学生反映该课程存在知识点多且难、关键点难以吃透等问题，学生易出现畏难、不愿学或者认为自己学不好该课程等负面情绪[5-6]。长此以往，学生不论是在思想上还是在专业上对继电保护原理的正确认识都存在一定困难，这不利于提升学生综合专业素质和实际操作能力[7-8]。

为此，本文面向工科专业课程，以继电保护课程为例，在遵循现有继电保护知识体系的大前提下，重点提出“横向贯通-纵向衔接”的井字形继电保护课程教学脉络，融合各类保护原理的关键知识点，设计多类保护耦合学习的衔接机制，构建基于逻辑架构的继电保护原理知识教学策略，促进学生对继电保护核心技术的理解和应用，以达到优化继电保护课程教学模式和提升教学质量的效果。

一、继电保护课程概述

（一）继电保护课程定位

继电保护是保障电网安全运行最基本、最重要、最有效的技术手段，被称为电力系统的“安全卫士”和“守护神”。继电保护课程是电气工程及其自动化专业的专业主干课程之一，也是一门理论与实践并重的课程，具有科技含量高、技术更新快等特点[9]，以培养电力系统需要的继电保护技术、管理、建设、服务人才为主要目标[10]，培养学生对电力系统二次部分的设计、安装、调试、运行维护和检修的专业基本技能、灵活运用能力和专业综合能力。

继电保护课程目标是使学生掌握继电保护的基本概念、基本理论知识、基本分析方法和实验方法，了解微机继电保护的软硬件结构，掌握各种微机继电保护的常用算法，为学生毕业后从事电气专业领域的工程设计、运行维护和科学研究工作打下理论及实践基础，是电气工程及其自动化专业的一门就业关键课程。

继电保护课程体系包括电网的电流保护、输电线路纵联保护、自动重合闸、电力变压器保护、发电机保护和母线保护，涉及电力系统分析、电气设备、电子技术、电工学等多门课程。

（二）新型电力系统建设背景下继电保护课程分析

随着数据采集、信息、通信、计算处理和现代控制技术的不断进步，原有的继电保护装置从单个电气元件构成的电磁型保护装置，发展到如今广泛使用的微机继电保护装置，乃至服务于我国新型电力系统的智能化继电保护、网络化继电保护装置[11-13]。同时，新型电力系统中源、网和荷特性的持续变化也使得继电保护面临重大挑战。例如，新能源交直流电网保护系统的性能评价、整定计算和优化配置更为困难；新一代继电保护装置国产化后在保护原理、数据交互形式以及动作行为等方面将面临新要求；系统电力电子化程度不断提升，可能带来宽频振荡、谐波、谐振等事故风险，面临接入电网后如何安全可靠运行的问题[14]。

可以看出，新时代下新的需求和问题要求继电保护课程教学与时俱进，紧跟“双碳”目标下新型电力系统建设步伐，不应仅仅关注大堆概念或公式记忆，而是应建立起整体课程体系，让学生在理解课程关键原理后掌握电力系统继电保护的核心结论。应通过构建合理可行的继电保护课程教学体系，提升继电保护课程教学科学性和合理性，培养更多基础扎实、学习能力强和综合素质优的优质电气人才[15]。

二、“横向贯通-纵向衔接”的继电保护教学框架设计

传统继电保护课程教学模式往往是按照教材章节讲授，重点在于每个章节关键点和知识点的教授，对章节之间的联系关注度不够。对于学生来说，继电保护课程难度大、知识点多且容易遗忘和记错，章节间联系的缺失更进一步加剧了学习困难，导致部分基础较薄弱的学生难以适应，难以充分调动学生学习的主动性。

为促进学生对继电保护课程的全方位了解，应从继电保护源头出发开展教学。继电保护是一种参量保护，其实现需满足两大要求：一是参量在电力系统正常状态和故障状态下有明显区别，这是形成参量保护的前提；二是参量在系统不同地点发生故障时有明显区别，这是参量保护实现的前提。参量包括电流、电压、阻抗等多类电力系统参数，根据参量差异可将继电保护原理分为电流保护、低压保护、阻抗保护和纵联保护等。

继电保护内容架构如图1所示。继电保护包括三大类环节：线路保护、自动重合闸和元件保护。自动重合闸是线路保护和元件保护的协同，每个环节联动性强，存在耦合递进关系，环环相扣，如电流保护、距离保护和纵联保护均属于线路保护范畴，虽然测量参量并不相同，但研究后者时往往涉及前者的一些基本原理应用，存在递进耦合关系，在学习中应当重视并加强逻辑关系梳理和分析。

以线路保护为例，横向贯通侧重于从原理、整定、装置、评价四个维度进行特定保护原理的知识逻辑梳理，纵向衔接则侧重于保护原理之间的知识逻辑（如图3所示）。例如：

在保护整定维度：单侧电源网络的三段式电流保护是线路保护的基础，后续场景进行保护整定时均需在三段式电流保护基础上进行衔接与修正，增加方向判断或信号协同判断等逻辑约束，由此提出了适用于双侧电源网络的方向式电流保护和面向纵联保护的方向比较式纵联保护。

在保护装置维度：保护装置总体包括测量比较、逻辑判断和执行输出三部分，当出现新的逻辑约束时，将在三部分保护装置基础上进行相应的装置拓展，如方向元件、发信装置、振荡闭锁元件等。

在适用电压维度：距离保护和电流保护属于一侧电气量保护，适用电压等级为100 kV及其以下，而纵联保护则为经通信的两侧电气量协同的保护，具有更高速动性和可靠性，适用于220 kV及其以上。

三、以电流保护为例的“横向贯通-纵向衔接”教学方案设计

（一）横向贯通模式下电流保护教学设计

电流保护是反应于电流增大而动作的保护，选取基础电流保护类型“单侧电源网络相间短路电流的电流保护”进行层次化教学介绍，强化“参量分析—保护原理—保护实现—性能评价”四大逻辑步骤。

步骤1：参量分析。参量分析是保护实现的前提，故障发生后将带来电流、电压、阻抗等参量快速且大幅度的变化，且参量的变化情况与故障发生位置、故障类型等因素均具有强相关性，因此应对故障后电流、电压、阻抗等参量变化趋势进行建模、量化及总结，此时重点进行短路电流曲线形状介绍和公式教学。

步骤2：保护原理。以三段式电流保护为例，采用极值理念（最大、最小短路电流等）进行Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段电流保护的工作原理分析，分别从动作值整定、动作时限和灵敏度校验三个维度建立细分的知识点（见表1），包括但不限于保护范围、校验基准、校验公式、比较基准、整定公式等。教学过程中尤其要重视三段保护之间的逻辑与迭代关系，如：“Ⅱ段保护是由于Ⅰ段保护无法实现全线路保护而构建的，其优点和缺点分别是什么？Ⅲ段保护构建的目的又是什么？”只有通过不断梳理强化三段式电流保护之间的内部原理和协同关系，将“面向核心知识点的局部观”和“面向保护原理整体的全局观”同步呈现在学生面前，才能让三段式电流保护知识体系更加具有立体感，促进学生对三段式电流保护知识点的理解与掌握。

步骤3：保护实现。主要是从继电保护装置测量比较、逻辑判断和执行输出全过程进行构建，属于保护原理落地环节。该部分是继电保护装置基础，后续很多保护类型将在其基础上进行元件或约束叠加，应着重进行该部分教学。

步骤4：性能评价。从继电保护选择性、速动性、灵敏性和可靠性对三段式电流保护原理进行评价，提出与包括电压等级、短路类型等在内相适应的应用场景，并设计相关评价体系，便于与其他保护类型进行比较。

（二）纵向衔接模式下电流保护教学设计

根据网络结构、短路类型和中性点接地方式等差异，设计电流保护内容框架（如图4所示），各类电流保护原理在论述时既有相通之处，也有明显差异点。

在教学过程中，应引导学生在了解基本电流保护原理的基础上，分析各类电流保护原理的构建和迭代进程，强化“复用为主，差异迭代”的思维理念：对于新问题，首先考虑能不能采用老办法解决；如果老办法无法解决，是否能在老办法基础上引入新的概念、条件或约束，尽可能地在统一的电流保护体系下解决新问题。这一思维的应用将极大提升学生对各类复杂知识点的体系化掌握能力。

这里选取步骤2——电流保护具体原理研究进行教学分析（如图5所示）。

单侧电源网络相间短路的电流保护是电流保护的核心与基础，具体由Ⅰ段电流速断保护、Ⅱ段限时电流保护和Ⅲ段定时限过电流保护组成，可从保护范围、动作速度、判断标准等多个维度对三段电流保护进行对比及递进。

应用在双侧电源网络中时，发现电流或功率判别存在方向问题，因此在三段式电流保护原理基础上叠加方向元件，以应对双侧电源网络故障时带来的电流或功率流向正负问题，也可以称为方向性电流保护。此外，同时考虑分支系数对三段式电流保护的影响，对涉及的公式进行更新。

结合图4来看，对于（2）来说，需要在（1）基础上增加方向功率元件，与保护工作原理相对应。（1）和（2）的重点是考虑网络结构差异，（3）和（4）则侧重于解决接地短路问题，其中，考虑到接地故障导致的零序电流故障特征更加明显，将零序分量测量作为新增知识点，引入（1）和（2）中的知识点形成三段式零序保护原理和方向式零序保护原理，以解决中性点直接接地系统接地短路保护问题。

四、结语

在工科专业课程教学中，将多而复杂的专业知识零散地展现在学生面前，而不帮助学生对各知识点和关键点进行点—线—面体系性梳理，可能导致学生短期接受但长期易忘、难以应用的实际问题。电气工程类专业继电保护课程的教学也是如此，零散、不成体系的教学容易导致学生对各类差异性继电保护知识理解混乱甚至错记，不利于学生对专业知识的充分理解和吸收。

本文基于继电保护课程教学需求，构建了“横向贯通-纵向衔接”的继电保护课程教学体系，以电流保护教学为例构建继电保护课程知识点脉络架构及层次化教学方案，解决了继电保护课程知识点抽象、难理解等问题，促进了学生对知识点的掌握和专业能力的提升，实现了继电保护课程教学改革的持续接力，使学生获得了较高的学习效率和较好的学习效果，可为工科专业教学提供可行思路和途径。

［参考文献］

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