新工科背景下“電力系統(tǒng)保護(hù)與控制”課程教學(xué)改革

［摘 要］ “電力系統(tǒng)保護(hù)與控制”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，基于新工科背景，通過(guò)對(duì)該課程現(xiàn)狀深入分析，發(fā)現(xiàn)其存在教材內(nèi)容繁多且交叉、授課方式不夠豐富、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善、立德樹人環(huán)節(jié)較為薄弱等問(wèn)題，從課程思政建設(shè)、教學(xué)手段和方法改進(jìn)、考核評(píng)價(jià)方式制定以及加強(qiáng)校企聯(lián)合培養(yǎng)四個(gè)方面提出了相應(yīng)的措施進(jìn)行改革創(chuàng)新，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)融合、理論聯(lián)系實(shí)際、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和創(chuàng)新的能力，并在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的價(jià)值引領(lǐng)。

［關(guān)鍵詞］ 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)

［基金項(xiàng)目］ 2022年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科背景下電力系統(tǒng)保護(hù)與控制課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（HNJG-2022-0470）

［作者簡(jiǎn)介］ 孫妙平（1978—），女，湖南益陽(yáng)人，博士，中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制研究；萬(wàn) 輝（1974—），女，河南鄧州人，碩士，中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院助理研究員（通信作者），主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、教育管理研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）19-0005-04 ［收稿日期］ 2023-04-14

引言

“電力系統(tǒng)保護(hù)與控制”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解和掌握了電力系統(tǒng)保護(hù)與控制的基本作用、基本概念、基本原理、基本構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和工程應(yīng)用等，學(xué)會(huì)用辯證統(tǒng)一的思想分析和解決問(wèn)題，為學(xué)生從事電力系統(tǒng)保護(hù)、安全運(yùn)行及電力工程設(shè)計(jì)或畢業(yè)后繼續(xù)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、存在的問(wèn)題

新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才［1-2］。以推進(jìn)新工程建設(shè)與發(fā)展為目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)中南大學(xué)的“電力系統(tǒng)保護(hù)與控制”課程存在以下一些問(wèn)題。

教學(xué)內(nèi)容繁雜，既包含故障分析與短路計(jì)算，也包含硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)字算法和軟件實(shí)現(xiàn)，還有正常運(yùn)行與事故下的自動(dòng)控制與裝置等，主要內(nèi)容應(yīng)側(cè)重于將電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)最新原理、裝置和相關(guān)整定計(jì)算有機(jī)結(jié)合到一起，使學(xué)生理解傳統(tǒng)的保護(hù)原理和控制技術(shù)及其數(shù)字式保護(hù)與控制的軟件實(shí)現(xiàn)，但該內(nèi)容又與其他如“單片機(jī)原理與應(yīng)用”“電氣工程基礎(chǔ)”和“電力系統(tǒng)分析”等課程有交叉和重復(fù)。

以教師講授為中心的傳統(tǒng)授課模式相對(duì)落后，教學(xué)主體單一，學(xué)生被動(dòng)接受課程內(nèi)容，學(xué)習(xí)積極性不高，授課課件內(nèi)容以文字和推導(dǎo)公式為主，直觀性較差。

課程偏向工科實(shí)踐，實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練能使學(xué)生更好地理解和掌握理論知識(shí)，但由于實(shí)驗(yàn)條件有限和實(shí)驗(yàn)安全問(wèn)題，教學(xué)過(guò)程中不太重視實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

課程思政與思政課程要同向同行，如何在知識(shí)傳授過(guò)程中融入課程思政是專業(yè)課必須思考的問(wèn)題，但目前該環(huán)節(jié)較為薄弱，因此必須在“電力系統(tǒng)保護(hù)與控制”授課過(guò)程中，潤(rùn)物無(wú)聲地融入思政育人點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。

此外，作業(yè)+考勤+期末考試的考核方式不夠完善，重結(jié)果，不能對(duì)學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的學(xué)習(xí)狀態(tài)和效果進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)，還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生自主性差，不利于能力的培養(yǎng)。

因此，為了促進(jìn)新工科發(fā)展和建設(shè)，需對(duì)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行深入剖析，采取有效舉措，從內(nèi)容、方法、實(shí)踐和考核各環(huán)節(jié)進(jìn)行改革創(chuàng)新。

二、改革舉措

（一）開展全方位課程思政建設(shè)，落實(shí)立德樹人

習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人［3］。因此，不斷提升自身的課程思政意識(shí)、素養(yǎng)和能力，在理論和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)深入挖掘本課程蘊(yùn)含的思政元素，探討專業(yè)知識(shí)點(diǎn)與中國(guó)電力企業(yè)文化和社會(huì)主義核心價(jià)值觀等思政育人點(diǎn)的有機(jī)融合，將價(jià)值觀的培育和塑造“基因式”地植入課程，將知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)相結(jié)合，寓道于教、寓德于教、寓教于樂(lè)，在向?qū)W生傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷、倫理意識(shí)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)和工匠精神，把立德樹人和教書育人落實(shí)在具體的教學(xué)實(shí)踐中［4］。

思政映射與融入點(diǎn)主要包括：（1）通過(guò)圖片或者視頻播放，介紹賀家李、楊奇遜、沈國(guó)榮等前輩的成長(zhǎng)成才經(jīng)歷和尖端成果，以及我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展歷程及社會(huì)基礎(chǔ)領(lǐng)域發(fā)展的變遷過(guò)程和偉大成就，堅(jiān)定學(xué)生的專業(yè)自信和民族自信，提高學(xué)生的民族自豪感和從事專業(yè)科學(xué)研究的興趣；分析和理解繼電保護(hù)的四性，引入唯物辯證法，啟發(fā)學(xué)生用辯證的觀點(diǎn)分析問(wèn)題，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)價(jià)值觀、唯物辯證思想和責(zé)任意識(shí)與擔(dān)當(dāng)精神。（2）討論保護(hù)中分支系數(shù)的影響時(shí)，助增電流會(huì)使保護(hù)區(qū)縮小，引起拒動(dòng)，外汲電流又使得保護(hù)區(qū)伸長(zhǎng)，引起誤動(dòng)，所以保護(hù)裝置必須考慮在最惡劣的情況下都能滿足性能要求，由此引入習(xí)近平總書記指出的“堅(jiān)持底線思維，做到居安思危、未雨綢繆”［5］，告誡學(xué)生要有憂患意識(shí)，人生路上總會(huì)遇到風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，要不懈追求，踏實(shí)肯干，才能下好先手棋，迎來(lái)新征程。（3）結(jié)合歷史上一些著名的大停電事件，介紹為了電網(wǎng)安全，應(yīng)對(duì)故障擾動(dòng)的三道防線，讓學(xué)生對(duì)電網(wǎng)安全有全面深刻的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)課程自信，再對(duì)一些人為因素進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工匠精神。（4）通過(guò)播放電力安全事故，講解實(shí)驗(yàn)課的安全注意事項(xiàng)和分析影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素等，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)，以及一絲不茍、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和實(shí)事求是、“打破砂鍋——問(wèn)到底”的科學(xué)精神。（5）通過(guò)對(duì)自動(dòng)裝置原理的動(dòng)作情況和動(dòng)作順序進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立探索和合作精神，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

（二）采用多樣化教學(xué)手段，提高教學(xué)效果

除了常規(guī)的PPT授課外，在教學(xué)過(guò)程中還應(yīng)注重傳遞知識(shí)的多樣性、學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，基于此，我們做了以下幾點(diǎn)改革。

1.“電力系統(tǒng)保護(hù)與控制”課程涉及大量的概念介紹、保護(hù)原理分析和控制過(guò)程分解，具有學(xué)習(xí)難度大、抽象且實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是我校由于多方面原因，先修課程“電力系統(tǒng)分析”只能同步授課，都安排在第六學(xué)期，使得學(xué)生對(duì)一些電氣現(xiàn)象的結(jié)論難以理解。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)原理的理解，提升學(xué)習(xí)興趣，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)一些知識(shí)點(diǎn)基于Matlab平臺(tái)設(shè)計(jì)了圖形用戶界面，不僅加深了基礎(chǔ)課程“系統(tǒng)仿真技術(shù)”在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，還直觀深刻地展示了電力系統(tǒng)運(yùn)行，更有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新探索能力，實(shí)現(xiàn)事半功倍的效果。

2.本課程內(nèi)容多，教學(xué)時(shí)既要精選經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容，又要反映電力系統(tǒng)保護(hù)與控制原理和技術(shù)的最新成果和發(fā)現(xiàn)，且本課程與“單片機(jī)原理與應(yīng)用”“電氣工程基礎(chǔ)”和“電力系統(tǒng)分析”等課程有交叉和重復(fù)，為了保證課程內(nèi)容的完整性，又不重復(fù)講授，教師可以在課程群里發(fā)布帶標(biāo)注的課件供學(xué)生復(fù)習(xí)或回顧，并布置一些課程融合的探究項(xiàng)目，如準(zhǔn)同期并列模擬裝置的設(shè)計(jì)、數(shù)字式電流保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)、勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器的仿真與分析、電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法設(shè)計(jì)與仿真等，要求學(xué)生分組完成。學(xué)生分工合作完成項(xiàng)目任務(wù)，期末再驗(yàn)收并納入平時(shí)成績(jī)考核，完成較好的小組在課堂上分享項(xiàng)目經(jīng)歷，同時(shí)解答其他學(xué)生的疑問(wèn)。這樣，既能使學(xué)生深入掌握相關(guān)前沿知識(shí)或技術(shù)，培養(yǎng)查閱資料和知識(shí)綜合運(yùn)用的能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和解決工程問(wèn)題的能力，又能提升學(xué)生的專業(yè)自信，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)溝通和合作能力［6-7］。

3.對(duì)比式教學(xué)法貫穿全課程，通過(guò)新舊事物之間的聯(lián)系，幫助理解新知識(shí)。例如，討論電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，與無(wú)功及電壓控制進(jìn)行對(duì)比；學(xué)習(xí)發(fā)電機(jī)保護(hù)時(shí)，與電力變壓器保護(hù)的學(xué)習(xí)方法對(duì)比；講解三段式距離保護(hù)的整定時(shí)，與三段式電流保護(hù)的整定方法進(jìn)行對(duì)比等。通過(guò)對(duì)比教學(xué)，找出他們之間的共性和個(gè)性、聯(lián)系與區(qū)別，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和鞏固［8］。

4.由于本課程實(shí)踐性很強(qiáng)，因此，在教學(xué)過(guò)程中，將課程知識(shí)點(diǎn)與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，講解一些現(xiàn)場(chǎng)獲取的實(shí)物照片或者播放一些相關(guān)的視頻資料，激起學(xué)生的求知欲和好奇心；以圖片或視頻的形式展示工程實(shí)物或工作情況，讓學(xué)生在課堂上獲取更多的實(shí)際內(nèi)容，幫助他們更加生動(dòng)形象地了解理論知識(shí)，更好地培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際的能力和終生自主學(xué)習(xí)能力［9］。

此外，在講解《繼電保護(hù)》章節(jié)時(shí)，讓學(xué)生圍繞五個(gè)方面開展：（1）保護(hù)原理，即如何甄別區(qū)內(nèi)區(qū)外故障和正常運(yùn)行狀態(tài)；（2）接線形式，即互感器和繼電器如何連接；（3）繼電器參數(shù)整定和保護(hù)裝置的靈敏度校驗(yàn)，即如何處理好保護(hù)選擇性、速動(dòng)性、可靠性和靈敏性的辯證統(tǒng)一關(guān)系；（4）保護(hù)的實(shí)現(xiàn)，即保護(hù)裝置的介紹；（5）在使用過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題及解決措施。幫助學(xué)生有效構(gòu)建知識(shí)體系。每章結(jié)束時(shí)，還會(huì)要求學(xué)生整理知識(shí)點(diǎn)，繪制思維導(dǎo)圖，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行記錄和儲(chǔ)存。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)就有目標(biāo)和方向，思路也很清晰，學(xué)習(xí)起來(lái)有動(dòng)力，學(xué)習(xí)效率更高。

（三）利用校外聯(lián)合培養(yǎng)基地，加強(qiáng)校企合作

中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院歷來(lái)重視校企聯(lián)合人才培養(yǎng)，積極加強(qiáng)校企聯(lián)合育人，以企業(yè)需求為導(dǎo)向，以學(xué)校和企業(yè)共同參與人才培養(yǎng)為宗旨，以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，將企業(yè)一線需求信息和科技開發(fā)與應(yīng)用成果引入電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中，使課程與內(nèi)容更具先進(jìn)性、應(yīng)用性和針對(duì)性。通過(guò)多年探索與實(shí)踐，在電氣專業(yè)形成了涵蓋電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電以及電氣設(shè)備生產(chǎn)制造等各環(huán)節(jié)的完成實(shí)訓(xùn)鏈。

繼電保護(hù)和自動(dòng)控制是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的保護(hù)與運(yùn)行控制技術(shù)正在突破傳統(tǒng)的技術(shù)框架和分工模式，向著相互融合與一體化發(fā)展。利用到國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司星沙培訓(xùn)分中心為期7天的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，讓學(xué)生進(jìn)一步了解正在使用的電力系統(tǒng)保護(hù)與控制裝置和設(shè)備，包括對(duì)全網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和必要干預(yù)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、快速切除系統(tǒng)任何部位發(fā)生故障的繼電保護(hù)系統(tǒng)、嚴(yán)重故障切除后能維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性遭受破壞時(shí)避免長(zhǎng)時(shí)間大面積停電實(shí)施緊急控制的就地穩(wěn)控系統(tǒng)等［10］，以110 kV東升變電站為專題進(jìn)行繼電保護(hù)、調(diào)度自動(dòng)化、變電運(yùn)行、變電檢修和電氣試驗(yàn)的實(shí)操實(shí)訓(xùn)和講解培訓(xùn)，通過(guò)沙坪與鼎功兩座超高壓500 kV變電站和祁韶直流輸電±800 kV特高壓韶山換流站的參觀學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅全面了解了實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與控制裝置的重要性、運(yùn)行和使用情況，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣，學(xué)以致用，還鍛煉了動(dòng)手操作能力，提高專業(yè)素質(zhì)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，提升多主體協(xié)同育人效果。

（四）采用多元化考核方式，注重能力評(píng)價(jià)

在教學(xué)改革中，考核與評(píng)價(jià)方式應(yīng)全面準(zhǔn)確，考核不僅要關(guān)注學(xué)生的理論知識(shí)水平，更要對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力和問(wèn)題分析能力進(jìn)行考核。因此，在新版培養(yǎng)大綱修訂中，加強(qiáng)實(shí)踐、項(xiàng)目環(huán)節(jié)和互動(dòng)環(huán)節(jié)的考核，采用多元化方法檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，主要為：期末考試占總成績(jī)的60%，增加結(jié)合工程案例的綜合分析題，從理論應(yīng)用角度更好地考核學(xué)生的綜合分析能力；平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的40%，除了平時(shí)作業(yè)、考勤和實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，增加課堂教學(xué)互動(dòng)和項(xiàng)目完成度的考核，考勤和互動(dòng)占10%，主要考核出勤率、課堂活躍度、課堂內(nèi)容的質(zhì)疑、答問(wèn)準(zhǔn)確性和思維導(dǎo)圖；作業(yè)占10%，主要考核作業(yè)是否按期提交、作業(yè)完成度、知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握度、結(jié)果的正確性；探究式項(xiàng)目占10%，主要考核任務(wù)難度、完成度、答辯效果和報(bào)告質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)及分析占10%，主要考核對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解與運(yùn)用能力和采用現(xiàn)代工具及科學(xué)方法進(jìn)行研究的能力以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。

結(jié)語(yǔ)

著眼于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)融合，理論聯(lián)系實(shí)際，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的價(jià)值引領(lǐng)。本文深入剖析了“電力系統(tǒng)保護(hù)與控制”課程的現(xiàn)有問(wèn)題，從課程思政建設(shè)、教學(xué)手段和方法改進(jìn)、考核評(píng)價(jià)方式制定和加強(qiáng)校企合作四個(gè)方面提出了相應(yīng)的措施進(jìn)行改革創(chuàng)新，教學(xué)實(shí)踐和探索表明取得了較好的教學(xué)效果。今后還要在制作優(yōu)秀課件、開展線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式［11］、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)等方面下功夫，力求更好地提高教學(xué)效果。

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［11］李長(zhǎng)城，韓昆龍.新時(shí)代《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)》課程教學(xué)改革探索［J］.中國(guó)電力教育，2021（1）：72-73.

The Teaching Reform in the Course of Power System Protection and Control under the Background of Emerging Engineering Education

SUN Miao-ping， WAN Hui

（School of Automation， Central South University， Changsha， Hunan 410083， China）

Abstract： Power System Protection and Control is a professional core course for the majors of electrical engineering and automation. Based on the background of Emerging Engineering Education， an in-depth analysis of the current situation of the course reveals that the teaching materials are diverse and cross-cutting， the teaching methods are not rich enough， the evaluation standards are not perfect， and the link of moral education is relatively weak， etc. The corresponding measures are put forward for reform and innovation in four aspects： construction of curriculum ideology and politics， improvement of teaching methods and approaches， development of assessment and evaluation methods and strengthening of collaboration cultivation between universities and enterprises， in order to enhance students’ interest in learning， cultivate students’ professional knowledge integration， theory integration with practice， analyzing problem， problem-solving， and innovation abilities， and achieve value guidance for students while imparting professional knowledge.

Key words： Power System Protection and Control; teaching reform; competence development