基于成果導(dǎo)向的繼電保護課程教學(xué)

孫抗　杜少通　李曉明　王福忠　王玉梅

摘? 要：設(shè)計能夠支撐工程教育認證畢業(yè)要求的課程目標和確保課程目標達成的教學(xué)方法是一線教師在工程教育認證中必須考慮的關(guān)鍵問題，也是工程教育專業(yè)認證落地生根的關(guān)鍵。以繼電保護課程為例，通過梳理課程內(nèi)容，對應(yīng)工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)要求，建立課程內(nèi)容和畢業(yè)要求間的映射關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立教學(xué)目標;基于教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標的映射關(guān)系，從課堂理論教學(xué)、作業(yè)、實驗三個方面基于成果導(dǎo)向進行教學(xué)設(shè)計;歸納課程目標設(shè)計的流程，分析課程目標合理性及達成的關(guān)鍵因素。文章內(nèi)容可為課程與不同畢業(yè)要求形成支撐，教師思考課程目標和設(shè)計課堂教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：成果導(dǎo)向;課程目標;教學(xué)設(shè)計;繼電保護

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

工程教育專業(yè)認證是我國銜接國際工程師教育，實現(xiàn)國際互認的重要舉措。其以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進為三大理念，是當前工程教育的先進理念[1，2]。傳統(tǒng)以內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計是以掌握知識為主要目標，基于知識自然驅(qū)動學(xué)生各種能力的形成。基于成果導(dǎo)向的工程教育理念要求教學(xué)需對標準化的畢業(yè)要求提供明確的支撐，而畢業(yè)要求是解決復(fù)雜工程問題所需具備的基本能力，這就需要對教學(xué)內(nèi)容按照明確的目標進行教學(xué)設(shè)計并實施。目的改變形式，成果導(dǎo)向下的教學(xué)過程自然也需要合理形式，文獻[3]廣義論述了反向設(shè)計原則，課程教學(xué)要由畢業(yè)要求決定，要支撐畢業(yè)要求。文獻[4]以有機化學(xué)為例進行了精細的教學(xué)設(shè)計，文獻[5]以工程圖學(xué)為例進行項目教學(xué)。基于成果導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，是推進專業(yè)實現(xiàn)工程教育專業(yè)認證的基礎(chǔ)，是任課教師在工程教育認證背景下的重要工作之一。

萬里長征始于足下，工程教育專業(yè)認證的理念最終實現(xiàn)取決于課程教學(xué)，因此有必要基于成果導(dǎo)向的理念對現(xiàn)有教學(xué)做出一些變化。鑒于不同學(xué)校的畢業(yè)要求達成，需要思考課程對畢業(yè)要求的支撐，基于此形成課程目標并明確課程目標對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系，最后形成教學(xué)大綱指導(dǎo)教學(xué)。因此梳理課程內(nèi)容，建立課程內(nèi)容與通用畢業(yè)要求一般性映射關(guān)系，基于該關(guān)系建立課程目標，設(shè)計達成課程目標的教學(xué)方法，進而形成教學(xué)內(nèi)容、畢業(yè)要求、課程目標、教學(xué)方法四者的對應(yīng)關(guān)系。該關(guān)系將為各學(xué)校依據(jù)自身專業(yè)建設(shè)需要，選擇性進行課程目標設(shè)計提供參考，為任課教師進行課程教學(xué)提供借鑒方案。

繼電保護是電氣工程及其自動化專業(yè)在電力系統(tǒng)方向一門重要課程，也是一門綜合性較強的專業(yè)課程。下面基于成果導(dǎo)向的理念，建立繼電保護課程的教學(xué)目標，并對課堂教學(xué)、作業(yè)與實驗進行初步的教學(xué)設(shè)計，歸納課程目標制定的流程。

一、成果導(dǎo)向下教學(xué)目標建立

繼電保護的核心內(nèi)容包括：保護的原理，繼電器或元件的特性，保護整定原則，影響保護的因素與抑制措施，案例（大作業(yè)），實驗。下面依據(jù)上述內(nèi)容基于畢業(yè)要求通用標準的技術(shù)因素初步建立課程目標。

保護原理的學(xué)習(xí)，達到的目標是：能夠運用電網(wǎng)元件的數(shù)學(xué)模型建立短路電流、零序電流、短路阻抗等特征參量的求解模型，并求解;能夠識別“短路故障”與“正常運行”兩種狀態(tài)，并能借助圖形與數(shù)學(xué)語言進行表達。該目標可對應(yīng)于工程教育認證通用標準中第1條工程知識。

基于特征參量的數(shù)學(xué)模型與解，依據(jù)“選擇優(yōu)先、力爭速動”的基本要求，能夠推演保護的構(gòu)成。該目標主要針對問題的思考和分析方法，使學(xué)生掌握保護構(gòu)成的一般方法，可對應(yīng)于工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

繼電器（保護元件）特性，達到的目標是：能夠建立數(shù)學(xué)模型來表達繼電器（保護元件）的動作特性，該目標可對應(yīng)于工程教育認證通用標準中第1條工程知識。能夠運用相關(guān)基礎(chǔ)知識建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測、表達接線形式對繼電器（保護元件）行為的影響。可對應(yīng)工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

保護整定原則，達到的目標是：能結(jié)合多因素進行分析、判別，推演保護的整定原則。

該目標推演的結(jié)論屬于工程教育認證通用標準中第1條工程知識，推演的過程對應(yīng)于工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

影響保護的因素與抑制措施，達到的目標是：能夠運用數(shù)學(xué)模型識別影響保護的因素，通過分析能夠預(yù)測因素影響下保護的行為，能認識抑制影響保護各因素解決方案的多樣性并選擇合理的方案。可對應(yīng)工程教育認證通用標準中第2條問題分析。

案例（大作業(yè)），達到的目標是：對具體電網(wǎng)絡(luò)，能夠了解保護配置與整定的全過程，能查閱文獻和規(guī)程完成具體保護的配置和整定，可對應(yīng)工程教育認證通用標準中第3條設(shè)計開發(fā)。能借助仿真工具對保護配置與整定進行設(shè)計與驗證，并對仿真結(jié)果進行解釋分析。可對應(yīng)工程教育認證通用標準中第4條研究和第5條使用現(xiàn)代工具。

實驗，達到的目標是：能對明確的目標設(shè)計實驗步驟，并分析實驗結(jié)果。可對應(yīng)工程教育認證通用標準中第4條研究，設(shè)計分析解釋數(shù)據(jù)。

上述基于內(nèi)容梳理建立了繼電保護課程內(nèi)容與工程教育認證通用標準的技術(shù)因素，而通用標準中的非技術(shù)因素也需要專業(yè)課程能夠有所貢獻。

繼電保護對電力系統(tǒng)安全運行有重要的作用，而電力系統(tǒng)安全運行對人民生活和社會經(jīng)濟有重要的影響，因此可以站在電力系統(tǒng)安全運行的角度使得學(xué)生思考繼電保護工程實踐對于社會的影響，進而樹立正確的責任意識，該內(nèi)容可在結(jié)合繼電保護的作用進行講授，其對應(yīng)于工程教育認證通用標準中第6條工程與社會。

針對“大作業(yè)”可讓學(xué)生分組進行匯報討論，可在該過程中體現(xiàn)工程教育認證通用標準中第10條溝通，目標是學(xué)生能就繼電保護的專業(yè)問題進行書面表達和交流。

二、基于教學(xué)目標的教學(xué)設(shè)計

成果導(dǎo)向下教學(xué)目標為動詞驅(qū)動[6]，以支撐學(xué)生達到畢業(yè)要求，因此教學(xué)設(shè)計應(yīng)具有明確的目的性。

（一）課堂理論教學(xué)問題導(dǎo)向

對教學(xué)內(nèi)容依據(jù)工程問題進行梳理、分解，課堂理論教學(xué)圍繞工程問題展開：突出對問題及解決方案的識別、表達，應(yīng)促使學(xué)生能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、專業(yè)知識等應(yīng)用于解決復(fù)雜工程問題;

強調(diào)解決問題所采用方案的獲得過程，在推演中促使學(xué)生思考復(fù)雜工程問題，獲得思考復(fù)雜工程問題的一般性方法，能夠?qū)?fù)雜工程問題進行分析;探討局限性與不唯一性，探討中強化學(xué)生對工程知識的用和對工程問題的思考、分析方法，并提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和鼓勵學(xué)生查閱一定的參考文獻、進行適當?shù)姆抡骝炞C。

繼電保護課程多按照保護種類分章節(jié)展開，其教學(xué)內(nèi)容問題化相對容易。例如，以接地故障的保護為例。問題提出，如何以零序分量為特征參量構(gòu)成接地故障的保護。零序分量分析需要通過電網(wǎng)的復(fù)合序網(wǎng)進行，需要深入利用不對稱短路的理論分析方法并建立抽象數(shù)學(xué)模型;對小電流接地系統(tǒng)的故障特征及接地電流補償方式需要建立合理的抽象數(shù)學(xué)模型;影響零序分量的因素涉及面廣;該問題應(yīng)包含零序分量提取，保護構(gòu)成的原理，整定，影響因素等，諸多因素相互關(guān)聯(lián);上述特點均符合工程專業(yè)教育認證對復(fù)雜工程問題的界定。

繼電保護課程中每類保護的內(nèi)容一般包含原理、整定、接線形式、影響因素幾個部分。其均能夠反映對工程知識的用和對工程問題的分析。例如，仍以接地故障的保護為例。大電流接地系統(tǒng)電網(wǎng)中零序分量的產(chǎn)生和數(shù)學(xué)、圖形表達，例如典型的有接地故障、斷線、非同期合閘時零序分量，涉及對不對稱電網(wǎng)分析的基本方法的應(yīng)用，是針對能否區(qū)分故障與正常運行狀態(tài)這一關(guān)鍵問題的數(shù)學(xué)表達。小電流接地系統(tǒng)，采用消弧線圈進行補償這一教學(xué)內(nèi)容。需要建立單相接地短路電流的數(shù)學(xué)模型，然后進一步分析該電流受消弧線圈與系統(tǒng)對地電容參數(shù)相互關(guān)系的影響，需要識別出過補償可能產(chǎn)生中性點高壓這一現(xiàn)象。

繼電保護授課內(nèi)容中對保護原理和整定是課程的關(guān)鍵內(nèi)容。該部分內(nèi)容邏輯性強，講授中對結(jié)論獲得過程進行推演，能夠使學(xué)生學(xué)會構(gòu)成保護的一般方法，是分析工程問題的好素材。例如，瞬時速斷中躲開線路末端短路的最大零序電流，限時速斷中與相鄰線路Ⅰ或Ⅱ段配合，零序Ⅲ段中時限的階梯配合，這些內(nèi)容適宜通過推演得到結(jié)論。

由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，各種保護的優(yōu)缺點、評價和適用性就非常有指導(dǎo)意義，該部分內(nèi)容非常適合探討。例如，零序電流保護相較相間短路的電流保護的優(yōu)缺點，微電網(wǎng)中零序分量受逆變器控制方法影響與否等，即有教材內(nèi)容也有一些新鮮有意思的問題。使得學(xué)生學(xué)會對工程問題解決方案的對比、評價。

（二）課下作業(yè)目標導(dǎo)向

繼電保護課程對前期課程的綜合應(yīng)用較多，該特點可很好地支撐專業(yè)知識這一畢業(yè)目標，但學(xué)時有限，因此對各類保護特征參量的分析方法、計算方法可通過作業(yè)促使學(xué)生掌握，在課堂理論教學(xué)上體現(xiàn)如何用，而知識本身課下完成。

繼電保護每種保護為一相對完整的內(nèi)容，有利于學(xué)生對保護配置和整定這一相對系統(tǒng)的全過程形成整體認識，該特點可較好地支撐開發(fā)、設(shè)計這一畢業(yè)目標，因此課下適宜采用至少兩次的實際工程案例進行作業(yè)，主要體現(xiàn)整個過程的完整性和對仿真工具的應(yīng)用。

電力系統(tǒng)的電力電子化是當前電力系統(tǒng)的一個顯著趨勢和特征，繼電保護在這個過程中也面臨新的問題，該內(nèi)容適合作為探討性內(nèi)容的輔助，因此，適宜針對一個新的場景讓學(xué)生通過查閱文獻給出一種保護方法，例如，風電中變流器控制作用下短路電流減小。

（三）課程實驗設(shè)計導(dǎo)向

實驗的指導(dǎo)書以實驗臺的基本參數(shù)和基本操作為內(nèi)容，具體實驗時只有實驗?zāi)康亩鵁o實驗具體步驟，要求學(xué)生依據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗步驟和預(yù)測實驗結(jié)論（Matlab 仿真），經(jīng)過實驗后解釋實驗結(jié)果。按照該模式對現(xiàn)有的驗證性實驗進行改造，可更好地支撐畢業(yè)要求中的“研究”與“使用現(xiàn)代工具”。

三、課程目標建立流程的思考

基于第1節(jié)分析，可見從內(nèi)容梳理上可以使繼電保護課程形成不同的課程目標，但一門課的課程目標也不宜太多，以避免給課程造成過重負擔。傳統(tǒng)教學(xué)中以“內(nèi)容”進行教學(xué)，把內(nèi)容講清楚就完成了教學(xué)，而產(chǎn)出導(dǎo)向下教學(xué)設(shè)計是課程目標確定的，同一課程內(nèi)容，在不同課程目標要求下，其教學(xué)設(shè)計將有很大的不同。反之，同一課程內(nèi)容，采用不同的教學(xué)設(shè)計，也一定程度上可以形成不同的教學(xué)目標。因此，在課程目標的制定中可按如下步驟進行。

（一）從課程體系出發(fā)初步梳理出課程與畢業(yè)要求之間的支撐關(guān)系

從大局出發(fā)，結(jié)合本專業(yè)培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求與專業(yè)特色，按照技術(shù)因素和非技術(shù)因素初步對應(yīng)課程與畢業(yè)要求的支撐關(guān)系，該環(huán)節(jié)可主要有熟悉課程體系的專業(yè)負責人帶工作組完成。

（二）課程團隊撰寫初步課程目標

課程團隊按照課程與畢業(yè)要求之間初步支撐關(guān)系，結(jié)合授課內(nèi)容撰寫課程目標，并針對課程目標進行課程教學(xué)的初步設(shè)計。基于該環(huán)節(jié)，課程團隊形成該課程與畢業(yè)要求之間初步支撐關(guān)系的說明，主要包含支撐強弱、支撐是否合理。

（三）基于初步課程目標進一步梳理課程與畢業(yè)要求之間的支撐關(guān)系

專業(yè)負責人帶工作組，基于初步的課程目標設(shè)計并結(jié)合課程團隊反饋意見，統(tǒng)籌課程目標與畢業(yè)要求之間的支撐關(guān)系，確立支撐權(quán)重。

（四）形成教學(xué)大綱進行教學(xué)

課程團隊基于新的課程與畢業(yè)要求之間的支撐關(guān)系，撰寫教學(xué)大綱，并進行課程教學(xué)。

學(xué)期課程教學(xué)結(jié)束，形成課程評價，課程團隊就課程教學(xué)的產(chǎn)出情況形成自評，思考課程目標設(shè)計的合理性，形成建議。

（五）基于畢業(yè)要求達成評價持續(xù)改進課程與畢業(yè)要求之間的支撐關(guān)系

基于課程評價，專業(yè)負責人應(yīng)對課程與畢業(yè)要求之間支撐關(guān)系進行思考，在達到畢業(yè)要求達成評價結(jié)果后，從第（三）步循環(huán)。

課程目標的建立是基于課程與畢業(yè)要求間的支撐關(guān)系，而該支撐關(guān)系的合理性是關(guān)鍵，否則會給授課團隊造成授課困難，也會影響畢業(yè)要求達成，因此該環(huán)節(jié)應(yīng)結(jié)合教學(xué)團隊的教學(xué)體驗和課程目標達成結(jié)果，統(tǒng)籌考慮，持續(xù)改進。基于合理課程目標，課程目標的達成情況則取決于課程教學(xué)設(shè)計。

四、結(jié)束語

本文建立了繼電保護課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標的映射關(guān)系，并基于此探討了具體的教學(xué)設(shè)計，基于此歸納了課程目標的設(shè)計流程。基于成果導(dǎo)向的工程教育理念需要將教學(xué)內(nèi)容按照明確的目標進行合理化教學(xué)設(shè)計，著重依據(jù)工程問題開展教學(xué)，強調(diào)對復(fù)雜工程問題的識別、表達、分析、對比、評價、研究，通過該過程促使學(xué)生學(xué)生畢業(yè)要求達成。而課程目標合理性的關(guān)鍵是畢業(yè)要求與課程之間的支撐關(guān)系，課程目標達成的關(guān)鍵是基于合理課程目標的合理教學(xué)設(shè)計。

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