面向工程教育的 “電力系統(tǒng)過(guò)電壓”教學(xué)改革

韓永森 程嵩 夏云彥

摘? ? 要：工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證有助于高等工程教育質(zhì)量的提升。以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，分析工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程教學(xué)現(xiàn)狀，并從教學(xué)內(nèi)容多元化、多種教學(xué)方式融合、注重微課題研究、加強(qiáng)仿真軟件的應(yīng)用等方面提出“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”教學(xué)改革的策略，旨在豐富課程教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，從而滿(mǎn)足工程教育的要求。

關(guān)鍵詞：工程教育;電力系統(tǒng)過(guò)電壓;教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2020）07-0007-02

高等工程教育以解決復(fù)雜工程問(wèn)題的高級(jí)工程技術(shù)人才為培養(yǎng)目標(biāo)[1]。工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的高等工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[2]。哈爾濱理工大學(xué)積極將工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證理念引入到高等教育教學(xué)改革中，并且取得了較好的教學(xué)效果[3-4]。哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化等多個(gè)專(zhuān)業(yè)已經(jīng)通過(guò)了中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)的認(rèn)證，是專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式和培養(yǎng)質(zhì)量獲得社會(huì)認(rèn)可的重要標(biāo)志。

“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要專(zhuān)業(yè)課之一，主要研究電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過(guò)程、雷電過(guò)電壓及內(nèi)部過(guò)電壓三部分，與生產(chǎn)實(shí)踐密不可分。該課程知識(shí)還在本科生就業(yè)考試與研究生入學(xué)復(fù)試中占有很大的比重。但是，該課程目前主要以理論課和教師講授為主。如何在有限的理論學(xué)時(shí)條件下不斷提高面向工程教育的“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程的教學(xué)質(zhì)量，是授課教師普遍面臨的挑戰(zhàn)。

一、“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)內(nèi)容單一

“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握過(guò)電壓的形成機(jī)理以及防護(hù)措施，分析和解決實(shí)際電力系統(tǒng)中的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。目前，該課程主要圍繞著《電力系統(tǒng)過(guò)電壓》教材展開(kāi)關(guān)于電磁暫態(tài)過(guò)程、雷電過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓的理論分析和計(jì)算[5]，缺少必要的過(guò)電壓工程案例和教學(xué)案例，教學(xué)內(nèi)容單一、抽象。例如，在講解空載輸電線(xiàn)路的分閘過(guò)電壓時(shí)，教材中的電路原理圖非常簡(jiǎn)單，多數(shù)學(xué)生表示教材內(nèi)容過(guò)于抽象，很難理解所形成過(guò)電壓波形的變化規(guī)律，使得學(xué)生無(wú)法將課程內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系到一起。

（二）板書(shū)教學(xué)方式呆板

本課程長(zhǎng)期采用板書(shū)教學(xué)方式，有利于詳細(xì)地推導(dǎo)公式，突出過(guò)電壓的重點(diǎn)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解過(guò)電壓的形成機(jī)理，也是學(xué)生普遍喜歡的一種教學(xué)方式。但是，這種教學(xué)方式也存在著文字描述枯燥和理論推導(dǎo)繁瑣等缺點(diǎn)，很難直觀、形象地描述某些過(guò)電壓現(xiàn)象，比如雷電過(guò)電壓的形成過(guò)程。教師在黑板上給出的簡(jiǎn)化版雷電過(guò)電壓形成示意圖，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收效果比較差。

（三）缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)

該課程以理論教學(xué)和教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)地接收過(guò)電壓知識(shí)，很少有機(jī)會(huì)主動(dòng)地參與到課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，不符合工程教育“以學(xué)生為中心”的理念。

該課程涵蓋電力系統(tǒng)內(nèi)傳輸線(xiàn)、變壓器、電機(jī)和避雷器等設(shè)備過(guò)電壓的產(chǎn)生和保護(hù)知識(shí)。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，有必要建立過(guò)電壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。然而，由于涉及的電力設(shè)備多，實(shí)驗(yàn)成本高，在學(xué)校內(nèi)很難建立起完備的過(guò)電壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。此外，過(guò)電壓的電壓等級(jí)很高，學(xué)生實(shí)際操作的危險(xiǎn)性也很高。簡(jiǎn)言之，學(xué)生對(duì)過(guò)電壓知識(shí)的理解和認(rèn)知幾乎不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式獲得，不能實(shí)際地了解過(guò)電壓形成的具體過(guò)程，不利于培養(yǎng)

學(xué)生的工程思維能力。

二、“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”教學(xué)改革策略

為了提高 “電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，從教學(xué)實(shí)際情況出發(fā)，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，對(duì)該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面進(jìn)行了改革。

（一） 教學(xué)內(nèi)容多元化

在“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”教學(xué)過(guò)程中，注重理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)合。在過(guò)電壓理論教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引入工程案例和教學(xué)案例，以此豐富教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的多元化。

將實(shí)際電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}整理成工程案例。例如，根據(jù)2018年中國(guó)電力科學(xué)研究院關(guān)于雷電過(guò)電壓引起的故障統(tǒng)計(jì)報(bào)告，可以得知2017年度內(nèi)雷電過(guò)電壓引起的跳閘頻率（全國(guó)線(xiàn)路雷擊跳閘156次，跳閘率為0.086次/百公里·年）、雷電流幅值大小以及輸電線(xiàn)路中所采用的防雷措施（比如，明確接地極線(xiàn)路絕緣子片數(shù)優(yōu)化提升至5片），進(jìn)而可以制作出雷電過(guò)電壓對(duì)輸電線(xiàn)路的危害和保護(hù)措施的工程案例。將其應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中，有利于學(xué)生將理論知識(shí)與工

程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)雷電過(guò)電壓的危害

及其保護(hù)知識(shí)的理解。

教學(xué)案例有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，針對(duì)空載輸電線(xiàn)路分閘過(guò)電壓的教材內(nèi)容，以某750kV交流高壓輸電線(xiàn)路的空載分閘過(guò)電壓為基礎(chǔ)制作教學(xué)案例。在電磁暫態(tài)仿真軟件上，建立描述該輸電線(xiàn)路分閘過(guò)電壓的模型，并且將模型運(yùn)行結(jié)果演示給學(xué)生，使學(xué)生能夠直觀地感受到分閘過(guò)電壓的形成過(guò)程。教師可以圍繞著教學(xué)案例提出問(wèn)題。比如，輸電線(xiàn)路的長(zhǎng)度增加時(shí)，空載分閘過(guò)電壓將會(huì)如何變化？采用什么措施能夠抑制空載分閘過(guò)電壓？讓學(xué)生結(jié)合仿真模型，回答教學(xué)案例的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生工程問(wèn)題的分析能力。

（二） 多種教學(xué)方式融合

在板書(shū)教學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合多媒體教學(xué)，給學(xué)生形象地展示過(guò)電壓引起的故障及其對(duì)電力設(shè)備的破壞程度，讓學(xué)生更容易理解過(guò)電壓現(xiàn)象及其危害，從而提高教學(xué)效率。在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師精選一部分過(guò)電壓知識(shí)留給學(xué)生進(jìn)行課堂討論，更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（三）注重微課題研究

微課題是教師對(duì)日常教育教學(xué)問(wèn)題的整理和歸納，是課程教學(xué)中的微型科研問(wèn)題。微課題的設(shè)置有助于豐富教學(xué)內(nèi)容，也利于開(kāi)闊學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力[6]。微課題的目的是充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、想象力和創(chuàng)造力，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

微課題題目的設(shè)置以“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程的教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，題目難度適中，適合學(xué)生進(jìn)行微課題的研究。例如，在講解直角波電壓作用下變壓器繞組內(nèi)的暫態(tài)過(guò)程時(shí)，可以設(shè)置一個(gè)題目為“沖擊電壓作用下變壓器繞組內(nèi)的暫態(tài)過(guò)程”的微課題。通過(guò)設(shè)置與所學(xué)內(nèi)容相似的微課題，能夠促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中，提高學(xué)生的知識(shí)掌握和運(yùn)用能力。

“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程的每部分內(nèi)容是由2—3個(gè)章節(jié)組成的。例如，電磁暫態(tài)基礎(chǔ)部分是由集中參數(shù)電路、長(zhǎng)線(xiàn)路和變壓器繞組內(nèi)的電磁暫態(tài)過(guò)程三個(gè)章節(jié)組成的。該課程總共包括8個(gè)章節(jié)。因此，我們根據(jù)每章的重要知識(shí)點(diǎn)，在每章都設(shè)置了一個(gè)微課題題目，這樣的題目設(shè)置不僅使微課題題目覆蓋了全部教學(xué)內(nèi)容，而且便于學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛(ài)好靈活地選擇題目以開(kāi)展微課題研究。

學(xué)生可以采用理論計(jì)算、仿真模擬和多媒體制作等不同方式進(jìn)行微課題的研究。例如，題目為“輸電線(xiàn)路的感應(yīng)雷電過(guò)電壓的形成”的微課題，學(xué)生可以采用理論計(jì)算的方式對(duì)輸電線(xiàn)路上感應(yīng)雷電過(guò)電壓進(jìn)行定量分析，也可以采用有限元仿真軟件對(duì)感應(yīng)雷電過(guò)電壓進(jìn)行仿真模擬，甚至可以通過(guò)生動(dòng)、形象的動(dòng)畫(huà)或者視頻方式演繹感應(yīng)雷電過(guò)程的形成過(guò)程。

（四）加強(qiáng)仿真軟件的應(yīng)用

為了彌補(bǔ)電力系統(tǒng)過(guò)電壓難以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的教學(xué)不足，有必要讓學(xué)生掌握電磁暫態(tài)仿真軟件的使用方法，通過(guò)虛擬仿真的方式加強(qiáng)學(xué)生對(duì)過(guò)電壓?jiǎn)栴}的理解。在講解教學(xué)案例時(shí)，教師適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)充電磁暫態(tài)仿真軟件的基本操作。Matlab是數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能豐富的軟件，且其子模塊simpowersystems為電力系統(tǒng)的仿真提供了豐富的虛擬電氣設(shè)備，諸如變壓器、發(fā)電機(jī)和輸電線(xiàn)等。通過(guò)該仿真軟件，學(xué)生可以像搭電路一樣建立過(guò)電壓模型，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)置和正確的程序調(diào)試就能夠獲得較好的仿真結(jié)果，幫助學(xué)生切身地感受過(guò)電壓的實(shí)際效果。

學(xué)生采用仿真模擬的方式進(jìn)行微課題研究時(shí)，仿真軟件的熟練運(yùn)用程度是微課題順利進(jìn)行的必要保障。通過(guò)查找文獻(xiàn)資料，仿真軟件運(yùn)用熟練的學(xué)生能夠快速、準(zhǔn)確地建立微課題涉及到的過(guò)電壓仿真模型，并且能夠有條不紊地進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，能夠較好地獲得預(yù)期仿真結(jié)果。仿真軟件的應(yīng)用能夠加深學(xué)生對(duì)過(guò)電壓知識(shí)的理解，提升學(xué)生解決較復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（五）建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

我們通過(guò)超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)了“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。該教學(xué)平臺(tái)主要由課件、簽到、作業(yè)、討論和資料五個(gè)版塊構(gòu)成。在課件版塊，我們主要提供課程教學(xué)的PPT課件，為學(xué)生的預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)提供參考。在簽到版塊，學(xué)生可以進(jìn)行簽到。該版塊的作用是督促學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)。在作業(yè)版塊，教師發(fā)布課后作業(yè)，并且讓學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提交作業(yè)。當(dāng)達(dá)到規(guī)定時(shí)間，該版塊會(huì)自動(dòng)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)答案。每次作業(yè)設(shè)置一定的分值，學(xué)生按照作業(yè)完成質(zhì)量獲得相應(yīng)的成績(jī)。在討論版塊，學(xué)生可以與教師或者其他同學(xué)進(jìn)行課程教學(xué)內(nèi)容討論，例如學(xué)生可以將微課題實(shí)施過(guò)程中有疑惑的地方與教師進(jìn)行討論，這樣有利于加強(qiáng)學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的交流。在資料版塊，教師上傳課程學(xué)習(xí)資源（包括仿真軟件使用幫助、微課題相關(guān)文件和仿真程序等），學(xué)生能夠方便地下載課程學(xué)習(xí)資料。

雖然我們以課上教學(xué)為主體，但是該課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)是本課程的重要教學(xué)輔助工具。通過(guò)該教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，掌握本課程的教學(xué)動(dòng)態(tài)，滿(mǎn)足其個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。

三、結(jié)論

本文堅(jiān)持工程教育理念，通過(guò)多種途徑對(duì)“電力系統(tǒng)過(guò)電壓”課程進(jìn)行了教學(xué)改革。教學(xué)改革體現(xiàn)了學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向的思想，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，加強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，有助于提高教學(xué)質(zhì)量，為高等工程教育的專(zhuān)業(yè)課程改革提供一定理論與實(shí)踐參考。

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