工科專業課程中“橫向貫通-縱向銜接”教學體系構建與探討

2024-11-02 00:00:00陳璐高輝

大學教育 2024年20期

［摘要］針對工科專業課程較抽象、難理解、學科交叉等特點，文章以繼電保護課程為例，結合課程目標構建 “橫向貫通-縱向銜接”的井字形課程教學體系，具體闡述基于橫向貫通模式的三段式電流保護知識點教學策略，提出縱向銜接模式下“復用為主，差異迭代”的多種電流保護場景協同教學策略，以有效促進學生對專業課程內容的理解及掌握應用。

［關鍵詞］繼電保護；工科專業課程；保護原理；教學體系構建

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）20-0036-05

工科教育作為培養工程人才的重要途徑，是我國工程創新的活力源泉，為人工智能、移動互聯、大數據等科技和產業的發展提供了不竭動力[1-2]。然而當前，工科專業課程的部分教師在教學中按照教材章節照本宣科，教學內容交叉性和融合度不夠，導致學生未能整體性把握專業課程體系，出現了學生學完課程后卻沒有掌握其框架和重要內容等現象。工科專業課程教學仍然存在著模式固化、無法滿足學生能力高質量培養以及適應工程實際需要的問題。因此，有必要針對工科教學特點，開展多維度對比與融合的工科專業課程教學體系構建，引導學生梳理課程脈絡和內在邏輯，挖掘各知識點相關性和耦合點，“知其然”并“知其所以然”，以促進學生對工科專業知識的理解、學習和應用。

作為電氣工程類專業的專業主干課程之一，繼電保護課程具有較抽象、難理解、學科交叉等特點，表現為“理論性強、原理多、技術新、公式復雜”等具體難點[3-4]，例如短路電流計算、原理設計等均涉及其他電氣專業課程的基礎知識。為此，許多高校將繼電保護課程安排在大四上學期，但在調研中仍有不少學生反映該課程存在知識點多且難、關鍵點難以吃透等問題，學生易出現畏難、不愿學或者認為自己學不好該課程等負面情緒[5-6]。長此以往，學生不論是在思想上還是在專業上對繼電保護原理的正確認識都存在一定困難，這不利于提升學生綜合專業素質和實際操作能力[7-8]。

為此，本文面向工科專業課程，以繼電保護課程為例，在遵循現有繼電保護知識體系的大前提下，重點提出“橫向貫通-縱向銜接”的井字形繼電保護課程教學脈絡，融合各類保護原理的關鍵知識點，設計多類保護耦合學習的銜接機制，構建基于邏輯架構的繼電保護原理知識教學策略，促進學生對繼電保護核心技術的理解和應用，以達到優化繼電保護課程教學模式和提升教學質量的效果。

一、繼電保護課程概述

（一）繼電保護課程定位

繼電保護是保障電網安全運行最基本、最重要、最有效的技術手段，被稱為電力系統的“安全衛士”和“守護神”。繼電保護課程是電氣工程及其自動化專業的專業主干課程之一，也是一門理論與實踐并重的課程，具有科技含量高、技術更新快等特點[9]，以培養電力系統需要的繼電保護技術、管理、建設、服務人才為主要目標[10]，培養學生對電力系統二次部分的設計、安裝、調試、運行維護和檢修的專業基本技能、靈活運用能力和專業綜合能力。

繼電保護課程目標是使學生掌握繼電保護的基本概念、基本理論知識、基本分析方法和實驗方法，了解微機繼電保護的軟硬件結構，掌握各種微機繼電保護的常用算法，為學生畢業后從事電氣專業領域的工程設計、運行維護和科學研究工作打下理論及實踐基礎，是電氣工程及其自動化專業的一門就業關鍵課程。

繼電保護課程體系包括電網的電流保護、輸電線路縱聯保護、自動重合閘、電力變壓器保護、發電機保護和母線保護，涉及電力系統分析、電氣設備、電子技術、電工學等多門課程。

（二）新型電力系統建設背景下繼電保護課程分析

隨著數據采集、信息、通信、計算處理和現代控制技術的不斷進步，原有的繼電保護裝置從單個電氣元件構成的電磁型保護裝置，發展到如今廣泛使用的微機繼電保護裝置，乃至服務于我國新型電力系統的智能化繼電保護、網絡化繼電保護裝置[11-13]。同時，新型電力系統中源、網和荷特性的持續變化也使得繼電保護面臨重大挑戰。例如，新能源交直流電網保護系統的性能評價、整定計算和優化配置更為困難；新一代繼電保護裝置國產化后在保護原理、數據交互形式以及動作行為等方面將面臨新要求；系統電力電子化程度不斷提升，可能帶來寬頻振蕩、諧波、諧振等事故風險，面臨接入電網后如何安全可靠運行的問題[14]。

可以看出，新時代下新的需求和問題要求繼電保護課程教學與時俱進，緊跟“雙碳”目標下新型電力系統建設步伐，不應僅僅關注大堆概念或公式記憶，而是應建立起整體課程體系，讓學生在理解課程關鍵原理后掌握電力系統繼電保護的核心結論。應通過構建合理可行的繼電保護課程教學體系，提升繼電保護課程教學科學性和合理性，培養更多基礎扎實、學習能力強和綜合素質優的優質電氣人才[15]。

二、“橫向貫通-縱向銜接”的繼電保護教學框架設計

傳統繼電保護課程教學模式往往是按照教材章節講授，重點在于每個章節關鍵點和知識點的教授，對章節之間的聯系關注度不夠。對于學生來說，繼電保護課程難度大、知識點多且容易遺忘和記錯，章節間聯系的缺失更進一步加劇了學習困難，導致部分基礎較薄弱的學生難以適應，難以充分調動學生學習的主動性。

為促進學生對繼電保護課程的全方位了解，應從繼電保護源頭出發開展教學。繼電保護是一種參量保護，其實現需滿足兩大要求：一是參量在電力系統正常狀態和故障狀態下有明顯區別，這是形成參量保護的前提；二是參量在系統不同地點發生故障時有明顯區別，這是參量保護實現的前提。參量包括電流、電壓、阻抗等多類電力系統參數，根據參量差異可將繼電保護原理分為電流保護、低壓保護、阻抗保護和縱聯保護等。

繼電保護內容架構如圖1所示。繼電保護包括三大類環節：線路保護、自動重合閘和元件保護。自動重合閘是線路保護和元件保護的協同，每個環節聯動性強，存在耦合遞進關系，環環相扣，如電流保護、距離保護和縱聯保護均屬于線路保護范疇，雖然測量參量并不相同，但研究后者時往往涉及前者的一些基本原理應用，存在遞進耦合關系，在學習中應當重視并加強邏輯關系梳理和分析。

以線路保護為例，橫向貫通側重于從原理、整定、裝置、評價四個維度進行特定保護原理的知識邏輯梳理，縱向銜接則側重于保護原理之間的知識邏輯（如圖3所示）。例如：

在保護整定維度：單側電源網絡的三段式電流保護是線路保護的基礎，后續場景進行保護整定時均需在三段式電流保護基礎上進行銜接與修正，增加方向判斷或信號協同判斷等邏輯約束，由此提出了適用于雙側電源網絡的方向式電流保護和面向縱聯保護的方向比較式縱聯保護。

在保護裝置維度：保護裝置總體包括測量比較、邏輯判斷和執行輸出三部分，當出現新的邏輯約束時，將在三部分保護裝置基礎上進行相應的裝置拓展，如方向元件、發信裝置、振蕩閉鎖元件等。

在適用電壓維度：距離保護和電流保護屬于一側電氣量保護，適用電壓等級為100 kV及其以下，而縱聯保護則為經通信的兩側電氣量協同的保護，具有更高速動性和可靠性，適用于220 kV及其以上。

三、以電流保護為例的“橫向貫通-縱向銜接”教學方案設計

（一）橫向貫通模式下電流保護教學設計

電流保護是反應于電流增大而動作的保護，選取基礎電流保護類型“單側電源網絡相間短路電流的電流保護”進行層次化教學介紹，強化“參量分析—保護原理—保護實現—性能評價”四大邏輯步驟。

步驟1：參量分析。參量分析是保護實現的前提，故障發生后將帶來電流、電壓、阻抗等參量快速且大幅度的變化，且參量的變化情況與故障發生位置、故障類型等因素均具有強相關性，因此應對故障后電流、電壓、阻抗等參量變化趨勢進行建模、量化及總結，此時重點進行短路電流曲線形狀介紹和公式教學。

步驟2：保護原理。以三段式電流保護為例，采用極值理念（最大、最小短路電流等）進行Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段電流保護的工作原理分析，分別從動作值整定、動作時限和靈敏度校驗三個維度建立細分的知識點（見表1），包括但不限于保護范圍、校驗基準、校驗公式、比較基準、整定公式等。教學過程中尤其要重視三段保護之間的邏輯與迭代關系，如：“Ⅱ段保護是由于Ⅰ段保護無法實現全線路保護而構建的，其優點和缺點分別是什么？Ⅲ段保護構建的目的又是什么？”只有通過不斷梳理強化三段式電流保護之間的內部原理和協同關系，將“面向核心知識點的局部觀”和“面向保護原理整體的全局觀”同步呈現在學生面前，才能讓三段式電流保護知識體系更加具有立體感，促進學生對三段式電流保護知識點的理解與掌握。

步驟3：保護實現。主要是從繼電保護裝置測量比較、邏輯判斷和執行輸出全過程進行構建，屬于保護原理落地環節。該部分是繼電保護裝置基礎，后續很多保護類型將在其基礎上進行元件或約束疊加，應著重進行該部分教學。

步驟4：性能評價。從繼電保護選擇性、速動性、靈敏性和可靠性對三段式電流保護原理進行評價，提出與包括電壓等級、短路類型等在內相適應的應用場景，并設計相關評價體系，便于與其他保護類型進行比較。

（二）縱向銜接模式下電流保護教學設計

根據網絡結構、短路類型和中性點接地方式等差異，設計電流保護內容框架（如圖4所示），各類電流保護原理在論述時既有相通之處，也有明顯差異點。

在教學過程中，應引導學生在了解基本電流保護原理的基礎上，分析各類電流保護原理的構建和迭代進程，強化“復用為主，差異迭代”的思維理念：對于新問題，首先考慮能不能采用老辦法解決；如果老辦法無法解決，是否能在老辦法基礎上引入新的概念、條件或約束，盡可能地在統一的電流保護體系下解決新問題。這一思維的應用將極大提升學生對各類復雜知識點的體系化掌握能力。

這里選取步驟2——電流保護具體原理研究進行教學分析（如圖5所示）。

單側電源網絡相間短路的電流保護是電流保護的核心與基礎，具體由Ⅰ段電流速斷保護、Ⅱ段限時電流保護和Ⅲ段定時限過電流保護組成，可從保護范圍、動作速度、判斷標準等多個維度對三段電流保護進行對比及遞進。

應用在雙側電源網絡中時，發現電流或功率判別存在方向問題，因此在三段式電流保護原理基礎上疊加方向元件，以應對雙側電源網絡故障時帶來的電流或功率流向正負問題，也可以稱為方向性電流保護。此外，同時考慮分支系數對三段式電流保護的影響，對涉及的公式進行更新。

結合圖4來看，對于（2）來說，需要在（1）基礎上增加方向功率元件，與保護工作原理相對應。（1）和（2）的重點是考慮網絡結構差異，（3）和（4）則側重于解決接地短路問題，其中，考慮到接地故障導致的零序電流故障特征更加明顯，將零序分量測量作為新增知識點，引入（1）和（2）中的知識點形成三段式零序保護原理和方向式零序保護原理，以解決中性點直接接地系統接地短路保護問題。

四、結語

在工科專業課程教學中，將多而復雜的專業知識零散地展現在學生面前，而不幫助學生對各知識點和關鍵點進行點—線—面體系性梳理，可能導致學生短期接受但長期易忘、難以應用的實際問題。電氣工程類專業繼電保護課程的教學也是如此，零散、不成體系的教學容易導致學生對各類差異性繼電保護知識理解混亂甚至錯記，不利于學生對專業知識的充分理解和吸收。

本文基于繼電保護課程教學需求，構建了“橫向貫通-縱向銜接”的繼電保護課程教學體系，以電流保護教學為例構建繼電保護課程知識點脈絡架構及層次化教學方案，解決了繼電保護課程知識點抽象、難理解等問題，促進了學生對知識點的掌握和專業能力的提升，實現了繼電保護課程教學改革的持續接力，使學生獲得了較高的學習效率和較好的學習效果，可為工科專業教學提供可行思路和途徑。

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