“電力系統(tǒng)繼電保護”混合教學探索與實踐

徐曉寧 付 強 尹金良 李 超 問虎龍 趙 磊

(1. 天津理工大學電氣工程與自動化學院, 天津 300384)

(2. 天津瑞源電氣有限公司, 天津 300308)

隨著“新工科”教育理念的提出[1-2],國內高校對其教育內涵及教學模式都進行了積極的解讀和探索[3-5]。天津理工大學于2019年開展了新一輪培養(yǎng)方案的調整和課程大綱的修訂,將“新工科”及“工程認證”的思想融入到課程教學環(huán)節(jié)的設計中,旨在有效地提升課程的教學效果,為培養(yǎng)“創(chuàng)新型、復合型、綜合素質高”的人才提供強有力的支撐。

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程是電氣工程專業(yè)的專業(yè)核心課程。該課程理論與實踐并重,主要任務是講授電力系統(tǒng)繼電保護的基本概念、基本原理和基本方法,使學生在學習了電力系統(tǒng)分析的基礎上,進一步從繼電保護的角度了解電力系統(tǒng)的各種不正常運行狀態(tài)和故障狀態(tài),并掌握各類繼電保護的基本理論和方法,為今后從事電氣工程領域的工程設計、運行維護和優(yōu)化電力系統(tǒng)及其繼電保護系統(tǒng)打下良好的理論及實踐基礎。

該課程的課程目標制定基于工程認證的OBE理念,支撐畢業(yè)要求中的設計/開發(fā)解決方案和研究兩個方面。據此將課程目標所需達成的能力目標設定為:

1)課程目標1

能夠對各種繼電保護的工作原理、故障特性及保護動作過程進行詳細分析,并能夠對繼電保護進行整定與合理配置。

2)課程目標2

能夠搭建實驗平臺,進行繼電保護相關實驗的測試,并正確地分析實驗結果,得出一定結論。

1 傳統(tǒng)教學中存在的主要問題

圖1所示為2016級本科生“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的學生成績分布,參加考試總人數(shù)為70人,其中優(yōu)秀率為2%,不及格率達到44%。

圖1 2016級本科生“電力系統(tǒng)繼電保護”成績分布

經過教學研討及學生座談,對課程存在的問題進行了深刻的剖析:

1.1 灌輸式教學模式

“電力系統(tǒng)繼電保護”的課程知識點多、抽象且理論性強,教師難教且效果不佳,學生難學且積極性不高。傳統(tǒng)教學課程中,任課教師是主角,教學手段以多媒體的方式為主,板書為輔。如果老師經驗不足或準備不充分,將會直接影響教學效果;此外,由于課程內容多,學時有限,任課教師雖已完成教學任務,但卻忽略了授課過程中與學生間的良好互動,無法及時了解學生對重點及難點知識點的掌握程度,沒有反饋。

1.2 先修課程基礎不牢

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的先修課程均為電氣工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程,課程間的關聯(lián)緊密如圖2所示。如:在電流保護或距離保護的整定中會用到“電力系統(tǒng)分析”課程中關于網絡及元件的等值、潮流計算、短路分析等知識;在方向性電流保護的工作原理、接線方式、振蕩對距離保護的影響及基于故障分量的縱聯(lián)保護中會用到“電路”課程中的電路分析方法,如戴維南定理、基爾霍夫定律等,還會用到“電力系統(tǒng)分析”中的相量分析法和對稱分量法等。在電力元件保護中,會用到“電機與拖動”及“電力系統(tǒng)分析”課程中關于發(fā)電機和變壓器等的工作原理、結構特點及系統(tǒng)等值方法等。同樣,“電力系統(tǒng)繼電保護”課程知識的綜合應用中也同樣會體現(xiàn)學生對先修課程知識的聯(lián)系能力。

圖2 電力系統(tǒng)繼電保護與先修課程之間的關系

在先修課程的基礎上,該課程著重分析和討論電力系統(tǒng)繼電保護方面的相關知識。如果學生在學習過程中對某部分內容掌握得欠佳,使得他們跟不上任課教師的講課節(jié)奏,將直接影響學生后續(xù)學習的自信心和積極性,從而削弱課程的學習效果,形成“知識拖欠”的惡性循環(huán)。

1.3 理論教學與實驗環(huán)節(jié)分離

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程是“強電”類課程,實驗環(huán)節(jié)的設置能夠幫助學生們充分理解各類繼電保護的原理、結構及與重合閘系統(tǒng)等的配合過程。傳統(tǒng)課程的教學環(huán)節(jié)安排以“先講理論知識,后進行實驗”的模式,受實驗教學環(huán)境及多門課程同時開展實驗的條件約束,導致理論教學任務完成后,不能與理論教學內容有效銜接,不但會影響教學效果,更會降低學生對課程的興趣。

可見,傳統(tǒng)教學模式導致教學效果陷入“教師講得深,學生聽不懂”“作業(yè)太多,學生反感”“學完課程,啥也不懂”及“大學上完,啥都不會”的惡性循環(huán)中[6]。因此,如何對課程教學方式進行改革,激發(fā)學生學習興趣,不斷根據學生對知識點的反饋情況調整教學進度,從而提高教學質量是此課程亟待解決的關鍵問題。

2 混合教學模式探索

南國農先生曾提出“把傳統(tǒng)學習方式的優(yōu)勢和數(shù)字化學習的優(yōu)勢結合起來,使兩者優(yōu)勢互補,才能獲得最佳的學習效果”,而Bonk Curtis J.將混合學習定義為“面對面教學和在線學習的結合”[7]。

在“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的混合教學模式中,課程團隊重視將傳統(tǒng)的“以教師為主”逐步轉變成“教師引導、學生為主”,強調“教”與“學”的高度融合,并在教學過程中注重師生之間課堂教學的有效交流,不斷反饋,逐漸完善,最終實現(xiàn)課程培養(yǎng)目標?！半娏ο到y(tǒng)繼電保護”課程線上線下混合式教學過程包括課前、課中及課后三個階段,每個階段任課教師會通過布置不同的學習任務,各階段的關系如表1所示。

表1 線上線下各階段教學安排

課前,課程組對互聯(lián)網上公開的數(shù)字化教學資源進行有效整合,挑選與本課程相關的教學內容,如:先修課相關知識點及本課程基本概念、原理等,利用“雨課堂”制作手機課件并將其推送給學生,同時,在雨課堂的討論區(qū)布置與該預習內容相關的簡單任務,對學生的線上自學情況及預習效果進行評估,有助于針對性地優(yōu)化課中的教學內容,并能夠培養(yǎng)學生“獨立學習”及“主動學習”的能力。

課中,任課教師根據課前任務的完成情況進行補充講解,以“基于問題”的啟發(fā)式教學方法,讓更多的學生參與討論,培養(yǎng)學生的探究精神和工匠的責任擔當;同時,利用“雨課堂”中的“試題發(fā)送”“彈幕”或“點擊不懂”等互動方式及時了解學生對重點難點知識的掌握程度,以提升有限時間內的課堂教學效果。

課后,任課教師準備作業(yè)任務,利用雨課堂制作手機試卷發(fā)送給學生,通過學生的作業(yè)完成情況掌握對課上內容的理解和接受情況。對仍然有問題的地方,任課教師有針對性地錄制“微課”對重點難點知識進一步講解,多角度地幫助學生在“知其然”的基礎上“知其所以然”,并能夠準確地“應用于實踐”。

除此以外,為了使學生能夠將在本課程中學到的知識學以致用,并能夠與先修課程之間形成完整的知識體系,分別在第一章緒論和第五章自動重合閘講完后,布置兩次課程報告任務:

1)調研報告

了解繼電保護的發(fā)展史及前沿技術,淺談與其他學科技術發(fā)展的相關性,完成調研報告;

2)技術分析報告

以“美加大停電”“印度大停電”“2008年我國冰雪災害造成的南方大面積停電”等為案例,對事故產生的原因及由此引起的危害進行技術和人為因素的分析及討論,完成技術分析報告。

2.2 調整課程考核方式,強調過程成果記錄

為提高學生在課程教學過程中各環(huán)節(jié)的參與度,培養(yǎng)學生的“創(chuàng)新意識”,在課程中加強了對教學過程的管理,采取“多維度”的考評體系,豐富課程的考核方式,具體的“課程目標達成考核與評價方式”如表2所示。

表2 課程目標達成考核與評價方式

1) 結果性考核

結果性考核即為本課程結束時的期末考試,以閉卷答題方式完成,占總評成績的50%。題目涉及簡答題、證明推導題、計算題及綜合設計題等多種形式,既包含對理論教學中各種繼電保護基礎知識的考評,又包括對實驗環(huán)節(jié)中的實際接線及數(shù)據分析能力的考核。

2) 過程性考核

過程性考核占總評成績的50%,弱化了結果性考核的力量,重視對學生學習過程中自學能力、思考能力及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。主要包括:

(1)實驗:本課程依據課程內容設置了5個實驗內容,分別為常規(guī)繼電器特性實驗、輸電線路電流電壓常規(guī)保護實驗、輸電線路距離保護實驗、三段式電流保護與自動重合閘裝置綜合實驗及變壓器差動保護實驗,基本覆蓋了課程的理論教學內容中的重要保護類型,占總評成績的20%。

(2)期中考核:期中考核環(huán)節(jié)以隨堂閉卷答題形式開展,時長45 min,根據教學任務的安排,期中考核內容涉及繼電保護概述、電流保護和距離保護三章內容,以簡答題和計算題為主要題型,占總評成績的10%。

(3)過程表現(xiàn):這部分的考核內容及形式與前述線上線下結合的教學環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系,占總評成績的5%。主要包括課前預習任務、課中隨堂發(fā)布練習題及討論以及課后學習任務的完成情況等幾個部分,分別占總評成績的1%、2%和2%。

(4)作業(yè):以書后每章練習題為主,也會根據學生對知識點的掌握程度布置相關內容的證明或者分析作業(yè),占總評成績的5%。

(5)課程報告:兩次報告均以小組形式完成并進行答辯,成績包括任課教師打分、小組互評打分及組內成員互評打分三部分構成,比例分別為20%、40%和40%,最后由任課教師進行點評。在此環(huán)節(jié)的考核中,弱化了教師的打分角色,讓學生分別從橫、縱兩個維度對自己的工作進行評價,從而更全面地衡量學生的能力水平。占總評成績的10%。

3 教學改革效果

3.1 近三年學生成績對比

“電力系統(tǒng)繼電保護”課程的教學模式從2017級本科生開始調整,經過了兩次變革。第一次是在傳統(tǒng)課堂(2016級及以前)基礎上,通過利用雨課堂進行隨機點名、實時發(fā)送試題及彈幕的手段,豐富了課堂形式;第二次變革是在第一階段的基礎上將課程任務進一步分解,充分利用課前預習、課上拓展和課后復習的層遞關系,通過“雨課題+微課”的方式幫助學生多維度地理解和掌握重點和難點知識。經過兩次課程的教學改革,其教學效果是明顯的,連續(xù)三屆學生的成績分布如圖3所示。

圖3 連續(xù)三屆學生的成績分布圖

圖3中,2016級本科生是課程改革前的一屆,總評成績不及格人數(shù)30余人,優(yōu)秀人數(shù)只有1個。教學改革的正式執(zhí)行時從2017級開始,相較于2016級學生的成績,有了明顯的改善,不及格人數(shù)維持在10人以內,再到2018級學生,不及格人數(shù)只有2人,優(yōu)秀6人,較2017級又有了更進一步的提升?？梢?“電力系統(tǒng)繼電保護”混合教學模式的探索是有必要的,教學效果也是顯而易見的。

3.2 課程目標達成情況評價

持續(xù)改進是工程認證的核心理念之一[8-9],但持續(xù)改進的前提是正確評價和發(fā)現(xiàn)問題。以往的考核及評價過程仍然以任課教師為主,由任課老師針對學生在各考核環(huán)節(jié)的表現(xiàn)給出評價,這樣做的優(yōu)勢在于操作簡單,但是缺少學生對課程的反饋。因此,在對課程目標的達成情況進行評價的內容中加入“學生評價”。課程結束時,針對學生所需達成的能力進行問卷調查,并將結果作為本課程目標達成情況評價的重要指標,客觀地反映教學效果,精確地查找教學過程中存在的薄弱環(huán)節(jié),表3列出了課程目標的考核與評價方式。

表3 課程目標的考核與評價方式

學生對本課程的達成自評結果及課程整體達成情況分別如圖4和圖5所示。圖4中,三條折線分別代表2016級、2017級和2018級學生對表3中的每一項達成考核內容的自我評價的平均分,圖5是綜合所有考核項目及學生自評結果后的本課程的達成情況對比圖。

圖4 連續(xù)三屆學生的課程達成自評情況對比圖

圖5 課程總達成情況對比圖

可以看出,從學生自評的課程達成情況及課程總的達成情況均出現(xiàn)逐年遞增的好現(xiàn)象,客觀地反映了混合教學模式所達到的實際教學效果。

與此同時,在圖4的每一條折線上都能夠找出最低點,即:分數(shù)最低的代表達成情況不好的課程目標所對應的具體教學內容,今后的教學環(huán)節(jié)中可以進一步加強此內容的講解及練習。

4 結語

課程團隊在分析傳統(tǒng)“電力系統(tǒng)繼電保護”課程教學中出現(xiàn)的問題基礎上,以培養(yǎng)學生自主學習、獨立思考、應用創(chuàng)新的能力為抓手,對課程提出了切實有效的教學改革措施,既能夠幫助學生充分理解電力系統(tǒng)繼電保護的原理并掌握系統(tǒng)分析及配置方法,又鍛煉了其針對實際電氣工程領域的保護問題,提出合理方案并進行驗證性實驗的能力。

教學實施過程中充分體現(xiàn)“新工科”思想和工程教育認證的OBE理念,圍繞課程目標,細化教學環(huán)節(jié),組織實施教學過程,根據課程目標達成的評價結果,發(fā)現(xiàn)問題,進行持續(xù)改進,達到了很好的教學效果。