《工廠供電》課程工程化教學模式探索

宋佳音，唐文秀，周洪威

（東北林業大學機電工程學院，哈爾濱 150040）

《工廠供電》課程以工廠供配電設計為綱，注重理論與實踐相結合，具有工程實用性強的特點，因此被高等工科院校電氣信息類專業視為核心課程[1]。由于我國電氣及其產品制造業屬于國家支柱性產業，技術更新和發展速度快，傳統的教學模式和教學方法造成理論與實際相脫節，為此特提出《工廠供電》課程工程化教學模式的研究方案，以工程實踐為依托，緊跟電氣行業發展步伐，以現代化大型生產企業為原型，切實落實高等教育面向社會需求培養人才的基本要求，提升學生的工程實踐能力，使其適應經濟社會發展的需要。

1 整合教學內容，使教學內容系統化

《工廠供電》課程教學內容雖然較多，但是學時有限，為了有效解決這一問題需要對教學內容進行合理的整合，使其既能符合“卓越工程師教育培養計劃”的基本要求，又能突出課程的實用性和針對性，同時體現理論聯系實際的特點。現將教學內容規劃為4個部分[2～3]，劃分原則是提出問題、分析問題、研究問題和解決問題，其中提出問題是指《工廠供電》課程內容能夠解決什么樣的問題，即工廠供電的意義、任務和要求；分析問題是指剖析工廠供電系統，即工廠供電系統的基本理論；研究問題是指研究構成工廠供電系統的2個基本組成部分，即一次系統和二次系統；解決問題是指應用《工廠供電》課程內容實現工廠變電站的設計，再結合自動化控制的技術與手段理解變電站和電網的自動化。教學具體內容如圖1所示。

圖1 系統化教學內容Fig.1 Systematic teaching contents

第1部分“提出問題”：在詳細介紹工廠供電系統的同時使學生清晰地了解課程任務，讓學生知道學什么、為什么學、怎樣學，從而激發學生的學習熱情。

第2部分“分析問題”：了解電力系統的電壓與電能質量及無功補償原理，明晰電力系統中性點運行方式及低壓配電系統接地型式，從而進行單相故障分析。工廠的電力負荷及其計算和短路電流及其計算是該部分的重點，也是難點，要求學生們熟練掌握。

第3部分“研究問題”：包含2類基本內容，分別是電氣一次系統和電氣二次系統。在電氣一次系統中，首先明確工廠變配電所的任務和類型，其次根據任務和類型介紹典型的工廠變配電所的主接線圖，然后針對主接線圖說明電力變壓器、電流互感器、電壓互感器等高壓一次設備和低壓一次設備的結構特點及功能（包括防雷與接地），結合第2部分中負荷計算及短路電流的計算進行選型。最后對于連接所有設備的工廠電力線路介紹其接線方式、結構、敷設以及導線和電纜截面的選擇計算。在電氣二次系統中重點研究線路和元件（變壓器、高壓電動機）保護，例如：過電流保護、電流速斷保護、單相接地保護、過負荷保護及差動保護等。重點為電氣式一次自動重合閘裝置原理及備用電源自動投入的基本原理，最后補充介紹微機監控系統（以微機控制的工廠供電系統四遙裝置為例）。

第4部分“解決問題”：在應用技術中概述變電站自動化、配電網自動化、數據通信系統和EMS能量管理系統。這部分內容使學生對整個電力系統的運行有所了解。

2 利用多種教學手段，使教學環節生動化

2.1 課堂教學與現場實物教學相結合

課堂教學與現場實物教學相結合，通過對變電所的實地考察增強學生學習的整體性和連貫性，激發學生學習的積極性，使書本理論有的放矢。

系統化教學內容第1部分的講解在變電所（東北林業大學變電所）現場進行，講授變電所的組成以及各部分的作用，尤其是主接線、線路結構、主設備的連接等。在這部分介紹過程中重點強調高壓進線方式、母線連接方式以及低壓出現方式，指出主要設備（主變、隔離開關、斷路器、互感器、電容器等）的連接順序和基本作用，為后續教學建立感性認識；在此基礎上充實低壓配電方面內容以增加學生的學習興趣。在現場教學中使學生對《工廠供電》課程的授課內容有充分的認識，使學生切實感受到所學的理論看得見、用得上，從而激發學生的學習熱情。

2.2 板書教學與多媒體教學相結合

板書教學與多媒體教學相結合，采用錄像、照片等資料輔助課堂教學，使學習內容與生產實際相結合，讓學生能夠直觀地認識到如何利用理論知識解決實際問題[4～5]。

在電氣一次系統的主接線的授課過程中采用多媒體教學，可以將不同類型和功能的主接線直接給出并進行對比講解，例如裝有2臺主變的總降變電所常用的4種主接線和小型工廠變電所根據主變數量的不同分為6種類型主接線的對比[6]。

在電氣一次系統主要設備的介紹過程中采用多媒體授課方式，從原理到實物再到設備更新等內容融合在一起，與生產實際保持同步。例如在電力變壓器、電流互感器、電壓互感器的講述過程中，首先講解其工作原理、接線方式以及注意事項，然后以圖片的形式展示其外形結構（包括接線端子），最后提供實際產品的多角度拍攝照片，以220/20 kV群力變電站工程中使用的主變、電壓互感器、電流互感器為例，同時展示這些設備在實際工程中的安裝位置，使學生如親臨現場。

在電氣二次系統的教學內容中主要系統講授線路和元件保護的保護類型、保護原理以及保護范圍，這些內容采用板書結合多媒體的授課方式更容易使學生理解深入。對于二次回路的接線以及供電系統的自動裝置與遠程化控制是很難在課堂上展現出來的，往往出現理論與實際脫節的情況，為有效解決這一問題，在授課過程中增加播放黑龍江省送變電工程公司試驗所提供的二次回路傳動試驗錄像環節，包括中央信號裝置動作實驗、控制回路操作實驗、保護回路操作實驗以及保護回路實驗。這些內容均為實際工程的運行前測試，實現理論與實踐相結合。

對于應用技術的講解由于內容較多，僅從結構和功能的角度例如供配電系統的自動化[7]、變電站自動化的基本功能與結構、配電自動化與DSCADA系統簡介、數據通信系統的構成與通信方式、EMS能量關系系統的體系結構以及EMS系統相關技術的最新進展[8～10]進行概述。這部分完全采用多媒體授課方式，信息量大，并以哈爾濱市電力調度通訊中心為例說明其具體職能。目的是開闊學生眼界，不僅能夠使學生了解《工廠供電》課程所講述的理論在電網方面的進一步應用，更重要的是使學生認識到多門專業課程（如自動控制系統、系統總線、通信技術等）知識的結合能夠產生更廣泛的應用價值。

東北林業大學《工廠供電》課程理論教學共計48學時，具體學時安排和授課方式總結如表1所示。

表1 理論學時分配Tab.1 Time allocation of theory teaching

2.3 理論教學與實驗教學相結合

在電氣二次系統的線路和元件保護理論教學完成后，立即安排實驗教學環節，該內容在東北林業大學電氣工程實驗室完成，實驗儀器采用THLGP－1型供配電技術綜合實驗系統，該實驗系統實驗室共有8臺，因此實驗需要分組進行，根據具體情況每組3～5人協作完成，這種學以致用的教學方式，能夠使學生對知識內容的理解更加深刻。為了強化該部分的重要性，更好地提高此教學方式的有效性，特別充實了實際操作考核內容，實際操作考核是在教師的監督下，由每位學生依次獨立完成，目的是引起學生高度重視，提高學生學習的主動性。

東北林業大學《工廠供電》課程實驗共計8學時，實驗內容如表2所示。

表2 實驗內容Tab.2 Experiment contents

3 充實考核環節，使考核內容工程化

考核環節在整個教學過程中具有指導性意義，不僅揭示課程內容的重點，更體現課程培養學生的目標和要求。

3.1 考核內容

考核內容分為如下3個部分。

1）基本概念和基本理論

在基本概念和基本理論的考核中，考核電力系統電壓與電能質量；中性點運行方式；一次設備的工作原理及注意事項；過電流保護的原理、類型和保護范圍以及防雷、接地保護原理和保護范圍；電力系統運行與調度自動化的結構與功能等。

2）分析計算及設計

分析計算主要包括工廠電力負荷的計算和短路電流的計算，從而設計工廠變電所一次系統的主接線。

3）實際操作

實際操作考核表2實驗中的任意1個。

3.2 考核方式

對于一般概念和基本理論的考核采用筆試答卷的形式進行，考試時長由原來的120min縮減到90min，在全部課程結束后的2周內完成。

分析計算及設計的考核在電氣一次系統內容結束后以課程設計[11～13]的形式進行，該環節以大型企業為原型（齊齊哈爾第二機床廠）設計車間變電所，車間性質分為機加車間和裝配車間。已知車間設備參數撰寫設計說明書（包括負荷計算、短路計算及穩定度校驗、主接線設計等內容）。設計時長為120min，題目共計3種，根據考生位置依次穿插分配，設計說明書規格為A4紙10頁，除提供題目、數據外還提供基本提綱類指導。

實際操作考核已在實驗學時中有明確安排，3個實驗隨機抽簽決定，5min原理講述，10min接線操作，3位老師分組在實驗室進行考核。

《工廠供電》課程考試滿分100分，各部分考核內容所占比例如表3所示。

表3 考核方案Tab.3 Appraisal program 學時

4 結語

《工廠供電》課程工程化教學模式改革以東北林業大學自動化專業（選修課）為試點進行實踐，從學生的反饋情況看，該教學模式的實施明顯提升了學生學習的積極性和主動性，對知識點的理解和掌握程度也明顯提高，教學效果令人滿意，但是目前對于電氣工程及其自動化專業（必修課）沒有大范圍實施，主要原因為實際操作考核內容需要進一步完善，課程設計內容需要進一步調整，鼓勵個性化設計方案，從而有效培養學生的創新能力，避免千篇一律、墨守成規。同時在教學實踐過程進一步探索和總結，完善授課內容，優化學時安排，相信不久的將來在課程組全體老師的共同努力下一定會全面實行，為社會培養出合格的工程技術人才。

[1]徐穎秦，邵華杰，王小龍，等（Xu Yingqin，Shao Huajie，Wang Xiaolong，et al）.工廠供電課程多元化教學設計與實踐（Diversified teaching design and practice of the factory electricity supply course）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（6）：157-160.

[2]張松蘭（Zhang Songlan）.《工廠供電》課程模塊化教學改革與探索（The reform and exploration on modular teaching of the factory electricity supply course）[J].安徽職業技術學院學報（Journal of Anhui Vocational Technical College），2012，11（1）：67-69.

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[4]劉金晟，侯世英，孫韜（Liu Jinsheng，Hou Shiying，Sun tao）.工廠供電工程設計方法分析（Analysis on design method of factory power supply engineering）[J].重慶科技學院學報：自然科學版）（Journal of Chongqing University of Science and Technology：Natural Science Edition），2011，13（2）：125-128.

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