新工科背景下BOPPPS在繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置課程教學(xué)中的應(yīng)用

李沙沙，汪東霞，許強(qiáng)

（黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南焦作 454950）

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略。2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)。新工科以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，注重培養(yǎng)人才的創(chuàng)新能力[1]。

《繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置》是電氣工程及其自動(dòng)化的專業(yè)必修課、核心課，具有計(jì)算公式多、理論知識(shí)多、與工程實(shí)際聯(lián)系緊密、抽象難懂、涉及知識(shí)面廣等特征，在整個(gè)課程體系中起到紐帶和橋梁作用。通過該課程的教學(xué)過程，可以極大提高學(xué)生的綜合分析能力、抽象思維能力、工程思維，提高學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決工程實(shí)踐問題的能力。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以達(dá)到此目的，因此探索一種新的教學(xué)模式來進(jìn)行新工科教育改革勢(shì)在必行。

本文將BOPPPS教學(xué)法貫穿于《繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置》課程教學(xué)的整個(gè)階段，以課程“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的作用”小節(jié)為例，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，將BOPPPS與整個(gè)教學(xué)過程有機(jī)融合，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)為其他課程、專業(yè)、院校相關(guān)教學(xué)改革提供一定的參考。

一、BOPPPS教學(xué)法

BOPPPS教學(xué)法最早由Douglas Kerr教授提出，后由國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其推廣應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是將教學(xué)過程分為B（Bridge-in導(dǎo)入）、O（Objective學(xué)習(xí)目標(biāo)）、P（Pre-assessment前測(cè)）、P（Participatory Learning參與式學(xué)習(xí)）、P（Postassessment后測(cè)）、S（Summary總結(jié)）6個(gè)階段[2]。

二、BOPPPS在《繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置》課程中的應(yīng)用探索

（一）《繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置》課程簡(jiǎn)介

（二）基于BOPPPS模式的教學(xué)設(shè)計(jì)

在《繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置》課程中“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的作用”對(duì)學(xué)生理解整門課程、后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)有重要的作用，因此，以這一小節(jié)為例，探討B(tài)OPPPS模式在實(shí)際課堂教學(xué)中的具體設(shè)計(jì)[3]。

1.B（Bridge-in導(dǎo)入）階段

導(dǎo)入階段是整個(gè)教學(xué)過程的第一個(gè)階段，目的是吸引學(xué)生的注意力、充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生思考接下來的教學(xué)內(nèi)容，起到“起興”的作用。在這個(gè)階段可以采用的方式主要包括：播放相關(guān)的視頻導(dǎo)入、提出問題導(dǎo)入、結(jié)合實(shí)際的案例故事導(dǎo)入等，將學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)和本次課要學(xué)習(xí)的知識(shí)聯(lián)系起來，以便學(xué)生能夠很好地融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。

在本節(jié)課的導(dǎo)入階段，采用視頻導(dǎo)入的方式，通過播放歷史上著名的大停電視頻，如2003年北美大停電、2006年歐洲大停電、2008年湖南大停電、2012年印度大停電、2019年印度大停電、2021年德州大停電等，使學(xué)生思考為什么會(huì)發(fā)生停電、停電事故為何如此嚴(yán)重，以及中國(guó)為什么不常發(fā)生大停電？通過視頻演示的方式，加深學(xué)生的課堂印象，提高學(xué)習(xí)效果。

2.O（Objective學(xué)習(xí)目標(biāo)）階段

學(xué)習(xí)目標(biāo)是學(xué)生在本節(jié)課要了解和掌握的學(xué)習(xí)目標(biāo)，也是教師進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，課后進(jìn)行教學(xué)反思和總結(jié)、學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。在此階段，重塑融知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)于一體的三維目標(biāo)體系，使學(xué)生在獲得知識(shí)的前提下提升專業(yè)技能、培養(yǎng)良好的科學(xué)思維素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)合作精神等。本節(jié)課學(xué)習(xí)目標(biāo)主要有：①知識(shí)目標(biāo)：熟悉電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，掌握繼電保護(hù)裝置的作用、組成、保護(hù)的配合；②能力目標(biāo)：能夠正確識(shí)別電力系統(tǒng)各種狀態(tài)，初步對(duì)保護(hù)進(jìn)行配置；③素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神；增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、培養(yǎng)學(xué)生辯證統(tǒng)一思考問題的能力。

3.P（Pre-assessment前測(cè)）階段

前測(cè)環(huán)節(jié)的目的在于了解學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的掌握程度，為接下來的授課側(cè)重點(diǎn)提供參考。在此階段，教師可以采用現(xiàn)場(chǎng)提問、問卷調(diào)查等形式施行。在本節(jié)課設(shè)計(jì)了以下問題進(jìn)行前測(cè)：①電力系統(tǒng)的構(gòu)成？②電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有哪些，如何區(qū)分？③你了解過哪些繼電保護(hù)裝置？④繼電保護(hù)的作用？基本原理？組成？

煤粉燃燒特性參數(shù)見表3。由表3可知，鈣硫比的增加導(dǎo)致燃燒殘余率加大，鈣硫比由1.0增至3.0后，燃燒殘余率升高了3.61%，發(fā)熱量降低了1.73 MJ/kg，著火點(diǎn)溫度由405 ℃下降至400 ℃。這是因?yàn)?，鈣硫比的增加意味著樣品中可燃質(zhì)含量的減少，導(dǎo)致樣品發(fā)熱量逐漸減小，同時(shí)其可折算為灰分增加，灰分的增加降低了O2在焦炭表面的擴(kuò)散速度，延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間，使相同時(shí)間內(nèi)燃燒不完全程度遞增。結(jié)合圖8可知，隨著燃燒溫度的升高，有機(jī)氣體快速析出，焦炭開始大量燃燒，燃燒強(qiáng)度更加劇烈，在460 ℃左右燃燒最激烈，相比之下，鈣硫比在1.0～3.0，其對(duì)最大燃燒速率的影響較弱。

4.P（Participatory Learning參與式學(xué)習(xí)）階段

在傳統(tǒng)工科教學(xué)模式中，教師多采用填鴨式、滿堂灌的教學(xué)方式，忽略了學(xué)生的主體地位，不利于培養(yǎng)學(xué)生高階學(xué)習(xí)思維。本課程致力于打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，減少教師授課的時(shí)間，采用頭腦風(fēng)暴、角色扮演、小組研討、增加仿真軟件等方式，與學(xué)生良好互動(dòng)，使學(xué)生很好地融入課堂。使學(xué)生多維度、多角度地看待問題。在本節(jié)設(shè)計(jì)中，教師采用視頻導(dǎo)入、問題導(dǎo)向進(jìn)行參與式學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)。先播放視頻，使學(xué)生直觀地了解電力系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，并讓學(xué)生思考根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可以聯(lián)想到什么？接著從理論角度詳細(xì)講解不同運(yùn)行狀態(tài)的區(qū)別。其次由于電力系統(tǒng)的不正常運(yùn)行狀態(tài)和故障時(shí)常發(fā)生，一旦發(fā)生故障，需要在幾十至幾百毫秒之內(nèi)消除故障，這么短的時(shí)間靠運(yùn)行人員幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的，使學(xué)生思考這個(gè)時(shí)候應(yīng)該怎么辦？從而引出繼電保護(hù)裝置的概念和作用。

由于電網(wǎng)中需要的繼電保護(hù)裝置眾多，接下來讓學(xué)生分組討論國(guó)內(nèi)和國(guó)外都有哪些知名的繼電保護(hù)生產(chǎn)廠家，隨后由教師進(jìn)行總結(jié)我國(guó)電網(wǎng)中80%以上的繼電保護(hù)產(chǎn)品源自國(guó)產(chǎn)，激發(fā)學(xué)生的文化自信、自主創(chuàng)新精神。

通過在MATLAB仿真軟件中搭建如圖1短路時(shí)的模型，由學(xué)生分組討論短路后會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，如短路電流增大、母線電壓降低、測(cè)量阻抗減小等，進(jìn)而得到繼電保護(hù)的基本原理。

圖1 短路仿真圖

通過一個(gè)實(shí)際的繼電保護(hù)裝置讓學(xué)生思考繼電保護(hù)裝置是由什么構(gòu)成的？繼電保護(hù)工作回路的具體工作過程？以及不同元件間的繼電保護(hù)應(yīng)該如何配合？

5.P（Post-assessment后測(cè)）階段

在后測(cè)階段，教師可以圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)若干測(cè)試題，以檢驗(yàn)課堂教學(xué)效果，方便更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不足，為下一步完善教學(xué)過程提供依據(jù)。本節(jié)課采用選擇、判斷、簡(jiǎn)答等方式來考查。

6.S（Summary總結(jié)）階段

總結(jié)階段是對(duì)本次授課內(nèi)容的總結(jié)分析，還可以引導(dǎo)學(xué)生思考、預(yù)習(xí)下節(jié)課授課內(nèi)容。本節(jié)課采用如圖2所示知識(shí)圖譜的形式進(jìn)行總結(jié)，幫助學(xué)生梳理思路，鞏固知識(shí)點(diǎn)。

圖2 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的作用知識(shí)圖譜

基于BOPPPS的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的作用一節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 教學(xué)設(shè)計(jì)

續(xù)表

三、結(jié)束語(yǔ)

“繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置”課程作為一門專業(yè)核心課程，課程內(nèi)容和教學(xué)過程對(duì)于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力的培養(yǎng)，以及工程意識(shí)、工程思維的啟發(fā)非常重要。筆者探索了BOPPPS模型在“繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置”課程教學(xué)中的應(yīng)用，依照BOPPPS模型的6個(gè)要素進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并在參與式學(xué)習(xí)中創(chuàng)設(shè)工程情景，以具體問題牽引課堂的展開，有效地提高學(xué)生的課堂參與度，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，有助于提升課堂教學(xué)效果。