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項目驅動學習在電力系統繼電保護的應用論文
摘要：為了培養符合中國產業升級需求的“卓越工程師”，引入了CDIO工程教育模式。在《電力系統繼電保護》專業課程的教學實踐中，采用主動式項目驅動學習法。基于CDIO模式，教學內容將緊密聯系工程培養目標，構建學習型項目；教學方式上，理論與可視化的ETAP仿真軟件相結合。該方法的目的是培養學生的學習積極性與主動性，強調讓學生在一定的情景下以合作的方式進行知識的消化與吸收，以期最大化課程教學效果。在提高學生的動手能力和團隊協作能力的同時，也為學校工程專業課程的教學改革提供一條可參考的思路。
關鍵詞：CDIO；工程教育模式；項目學習法；ETAP仿真
《電力系統繼電保護》課程作為電氣類的主干專業課程[1]，其理論和實踐同等重要。而傳統的教學模式是循序漸進地進行課程的理論教學，運用以“教室-課本-黑板-多媒體”為主的教學方法，最后進行考試測試。在此過程中，教師是主體，完全忽略了對學生實踐能力的培養，這使得課程教學與工程實踐產生了嚴重脫離[2]，不能滿足工程應用型人才的培養目標。
1CDIO工程教育模式
高等工科學校培養的目標是應用型高級專業技術人才，其不僅要求理論基礎扎實，還要求具備很強的工程實踐能力，專業綜合素質要高。我國從2005年引入了CDIO工程教育模式，與其他工程教育模式相比，CDIO具有先進性、全面性和國際性，四個英文字母分別代表構思、設計、實施和運行四個部分。目前，我國很多高校都已開展了基于CDIO的教學改革[3]，取得了顯著成效。隨著科學技術的飛速發展，電力系統繼電保護技術不斷更新，繼電保護產品越來越趨近于微機化、一體化、網絡化和小型化，這使得繼電保護的應用現狀與高校人才的培養現狀之間存在著巨大的差距。在《電力系統繼電保護》的教學實踐中引入CDIO工程教育模式，從根本上改革課程的教學內容和教學方法，以期最大化課程的教學效果，培養符合中國產業升級需求的“卓越工程師”。
2課程教學內容的改革
由于國內的一次電網相對國外的要薄弱些[4]，所以就需要相對完備的保護系統。《電力系統繼電保護》課程在構建教學內容時，首先應該滿足發達繼電保護的行業性要求，再加上繼電保護的通用性，引入了CDIO模式后，將形成一套既能滿足國內行業需求又能與國際接軌的內容體系。《電力系統繼電保護》課程教學的目標，是為今后從事電力系統的繼電保護、二次回路、自動裝置相關工作，包括“設計、安裝、檢驗、調試、運行、維護、管理”等工作培養高級應用型人才。從此出發，教學內容改革的思路是“專業定位分析→工作任務分析→能力要求分析→項目化教學內容”。根據學生將來所面向崗位，以及崗位所要求的能力，將理論與工程應用相結合，構建了五個學習型的項目：①各種繼電器的檢驗與調試，②繼電保護與自動裝置相配合，③微機線路保護的運行監視及常見故障處理，④微機變壓器保護的運行監視及常見故障處理，⑤保護系統設計。
3主動式項目驅動學習方法的應用
采用主動式項目驅動學習方法，教學主體將從教師轉向學生，教學方法由傳統的集中式改為小組分散式，教學過程從課堂教學轉向具體項目的CDIO實現，教學目標從專業知識學習到學生系統工程能力的培養。項目驅動學習方法將圍繞著課程的教學項目，分階段進行教學。對于每個教學項目可以按照CDIO的四個過程進行分解，過程如圖1所示。具體的實施步驟如下：1）“繼電保護的目的”，是保障電力系統的安全、穩定運行。學生只有掌握了一次系統的運行和故障特性，才能設定出合理的二次保護方案。從此出發，首先讓學生理解繼電保護的根本，然后在系統出現問題時引導學生去發現問題，最后學生才能完成主動的“構思”過程。2）“繼電保護的方法”，是思考和解決保護配置問題。學生只有熟悉了基本保護方法，才能分析系統出現的問題，并組織出對應的策略來解決問題，完成主體的“設計”和“實現”過程。3）“典型完備的保護方案”，是系統的應用實例。來自企業中配置成熟的保護案例，可為學生提供不同的解決方案，使學生能在配置保護時形成系統的概念，完成最終的“運作”過程。可見，整個課程的教學內容都是以項目為載體，讓學生的能力訓練帶動知識學習，將理論與實踐進行有機的結合。通過項目化的教學，不但可以培養學生懂原理、能讀圖、熟計算、會安裝調試等專業技能，同時也可以培養學生相互協作的專業素養。
4基于ETAP的項目驅動學習法
4.1ETAP仿真軟件
在《電力系統繼電保護》課程講授時，傳統的板書和多媒體講授有時難以把問題具體描述清楚，學生難以對電力系統有整體的認識，教學效果一般。如果將可視化的電力系統綜合分析計算仿真軟件引入到教學過程中，學生通過圖形界面能夠直觀地反映電力系統運行情況，會對電力系統概念有更深的理解。ETAP軟件作為一款電力系統綜合分析計算軟件，功能強大，具有建模直觀、圖形界面友好、運行方式多樣等優點，完全能夠滿足本科教學的使用需求。2018年華東交通大學電氣與自動化學院通過與ETAP中國公司合作，建立了ETAP電力系統仿真聯合實驗室，獲得了該軟件的教學使用權。借此機遇，將ETAP軟件引入《電力系統繼電保護》教學中具有重要意義，它不僅可以激發學生的研究興趣，還可以培養學生的創新意識，提高他們解決實際工程問題的能力，這和CDIO工程教育模式的目標不約而同。
4.2模型的建立與分析計算
圖2簡單的電力系統模型在深入學習繼電保護各部分原理之前，可以先引導學生完成學習型項目二。在ETAP仿真環境中構建電力系統模型，可以根據學生的學習情況由淺入深，由簡單到復雜。圖2為ETAP的單線圖編輯模式界面，左側為的編輯面板，右側為電力系統元件庫。首先，通過鼠標左鍵選中所需的電力元件，并直接拖到編輯面板中；然后，用線條連接所有元件；最后，正確輸入每個元件的特性參數[5]，這樣完成了一個含有保護裝置的簡單輻射型電力系統建模過程。在此模型基礎之上，學生就可以很容易的進行潮流計算和短路分析等。
4.3保護設置及分析
以往保護定值完全靠手工計算，手工繪制時限曲線(Time-CurrentCurve,TCC)[6]，不僅耗時長，而且效率低，一般很難獲取系統側最大和最小運行方式下的短路容量。利用ETAP中的繼電保護配合模塊，選擇任意支路，都可以快速生成TCC曲線，校驗也很方便。在繼電保護配合的模塊中，只要選擇所需的支路及繼電器，此時界面右側分析工具條中出現了新按鈕生成STAR視圖，上述模型的TCC曲線如圖3(a)所示。在繼電保護配合模塊中，還可以仿真出故障時開關的動作時間和順序，直觀明了。電動機短路故障插入時，軟件自動做出短路計算，并按順序在單線圖上顯示相應的斷路器動作，如圖3(b)所示。充分利用ETAP聯合仿真實驗室，學生可以很方便地進行繼電保護的仿真實現，將獲得的經驗運用在項目的實現和運作中，檢驗保護設計的最終成果5結語以提高學生工程素養和創新意識作為課程教學改革的目標，從教學內容的融合、更新，傳統教學方法與項目學習法的取長補短，提高教學質量。通過在《電力系統繼電保護》教學實踐中引入CDIO工程教育模式，提出了主動式項目驅動學習方法，以期最大化課程教學效果，這將成為電氣專業教學質量系統工程的重要部分。將ETAP軟件與主動式項目驅動學習方法相結合，應用于《電力系統繼電保護》課程的教學改革中，不僅使抽象的電力系統變得可視化，而且使得學生對電力系統的計算分析更加簡便。教師在構建項目過程中能不斷提升教師的個人能力，學生通過主動式項目驅動學習，能激發學生的積極性和主動性，使學生的創新精神和實踐能力得到了很好的培養，為我國產業升級培養工程型和創新型的“卓越工程師”。
參考文獻：
[1]高廣玲,張沛云.“電力系統繼電保護”工學結合特色課程的建設[J].電氣電子教學學報,2011(Z1):130-133.
[2]張景杰.改革高職院校繼電保護課程培養"卓越工程師"[J].山東工業技術,2017(19):237-238.
[3]顧佩華,包能勝,康全禮,等.CDIO在中國(上)[J].高等工程教育研究,2012(3):24-40.
[4]王洪梅,鄭曉丹,彭學虎,等.基于CDIO的電力系統繼電保護課程課堂教學改革[J].學子(教育新理念),2013(7),177-178.
[5]劉禹良,伍家潔.ETAP在高職高專“電力系統分析”教學改革中應用[J].實驗室研究與探索,2016,35(8):212-216.
[6]牛光宏,蔣鵬贊.基于ETAP的供配電系統繼電保護定值分析[J].智能建筑電氣技術,2015,9(3):8-11.
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