《工厂供电》课程工程化教学模式探索

宋佳音，唐文秀，周洪威

（东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040）

《工厂供电》课程以工厂供配电设计为纲，注重理论与实践相结合，具有工程实用性强的特点，因此被高等工科院校电气信息类专业视为核心课程[1]。由于我国电气及其产品制造业属于国家支柱性产业，技术更新和发展速度快，传统的教学模式和教学方法造成理论与实际相脱节，为此特提出《工厂供电》课程工程化教学模式的研究方案，以工程实践为依托，紧跟电气行业发展步伐，以现代化大型生产企业为原型，切实落实高等教育面向社会需求培养人才的基本要求，提升学生的工程实践能力，使其适应经济社会发展的需要。

1 整合教学内容，使教学内容系统化

《工厂供电》课程教学内容虽然较多，但是学时有限，为了有效解决这一问题需要对教学内容进行合理的整合，使其既能符合“卓越工程师教育培养计划”的基本要求，又能突出课程的实用性和针对性，同时体现理论联系实际的特点。现将教学内容规划为4个部分[2～3]，划分原则是提出问题、分析问题、研究问题和解决问题，其中提出问题是指《工厂供电》课程内容能够解决什么样的问题，即工厂供电的意义、任务和要求；分析问题是指剖析工厂供电系统，即工厂供电系统的基本理论；研究问题是指研究构成工厂供电系统的2个基本组成部分，即一次系统和二次系统；解决问题是指应用《工厂供电》课程内容实现工厂变电站的设计，再结合自动化控制的技术与手段理解变电站和电网的自动化。教学具体内容如图1所示。

图1 系统化教学内容Fig.1 Systematic teaching contents

第1部分“提出问题”：在详细介绍工厂供电系统的同时使学生清晰地了解课程任务，让学生知道学什么、为什么学、怎样学，从而激发学生的学习热情。

第2部分“分析问题”：了解电力系统的电压与电能质量及无功补偿原理，明晰电力系统中性点运行方式及低压配电系统接地型式，从而进行单相故障分析。工厂的电力负荷及其计算和短路电流及其计算是该部分的重点，也是难点，要求学生们熟练掌握。

第3部分“研究问题”：包含2类基本内容，分别是电气一次系统和电气二次系统。在电气一次系统中，首先明确工厂变配电所的任务和类型，其次根据任务和类型介绍典型的工厂变配电所的主接线图，然后针对主接线图说明电力变压器、电流互感器、电压互感器等高压一次设备和低压一次设备的结构特点及功能（包括防雷与接地），结合第2部分中负荷计算及短路电流的计算进行选型。最后对于连接所有设备的工厂电力线路介绍其接线方式、结构、敷设以及导线和电缆截面的选择计算。在电气二次系统中重点研究线路和元件（变压器、高压电动机）保护，例如：过电流保护、电流速断保护、单相接地保护、过负荷保护及差动保护等。重点为电气式一次自动重合闸装置原理及备用电源自动投入的基本原理，最后补充介绍微机监控系统（以微机控制的工厂供电系统四遥装置为例）。

第4部分“解决问题”：在应用技术中概述变电站自动化、配电网自动化、数据通信系统和EMS能量管理系统。这部分内容使学生对整个电力系统的运行有所了解。

2 利用多种教学手段，使教学环节生动化

2.1 课堂教学与现场实物教学相结合

课堂教学与现场实物教学相结合，通过对变电所的实地考察增强学生学习的整体性和连贯性，激发学生学习的积极性，使书本理论有的放矢。

系统化教学内容第1部分的讲解在变电所（东北林业大学变电所）现场进行，讲授变电所的组成以及各部分的作用，尤其是主接线、线路结构、主设备的连接等。在这部分介绍过程中重点强调高压进线方式、母线连接方式以及低压出现方式，指出主要设备（主变、隔离开关、断路器、互感器、电容器等）的连接顺序和基本作用，为后续教学建立感性认识；在此基础上充实低压配电方面内容以增加学生的学习兴趣。在现场教学中使学生对《工厂供电》课程的授课内容有充分的认识，使学生切实感受到所学的理论看得见、用得上，从而激发学生的学习热情。

2.2 板书教学与多媒体教学相结合

板书教学与多媒体教学相结合，采用录像、照片等资料辅助课堂教学，使学习内容与生产实际相结合，让学生能够直观地认识到如何利用理论知识解决实际问题[4～5]。

在电气一次系统的主接线的授课过程中采用多媒体教学，可以将不同类型和功能的主接线直接给出并进行对比讲解，例如装有2台主变的总降变电所常用的4种主接线和小型工厂变电所根据主变数量的不同分为6种类型主接线的对比[6]。

在电气一次系统主要设备的介绍过程中采用多媒体授课方式，从原理到实物再到设备更新等内容融合在一起，与生产实际保持同步。例如在电力变压器、电流互感器、电压互感器的讲述过程中，首先讲解其工作原理、接线方式以及注意事项，然后以图片的形式展示其外形结构（包括接线端子），最后提供实际产品的多角度拍摄照片，以220/20 kV群力变电站工程中使用的主变、电压互感器、电流互感器为例，同时展示这些设备在实际工程中的安装位置，使学生如亲临现场。

在电气二次系统的教学内容中主要系统讲授线路和元件保护的保护类型、保护原理以及保护范围，这些内容采用板书结合多媒体的授课方式更容易使学生理解深入。对于二次回路的接线以及供电系统的自动装置与远程化控制是很难在课堂上展现出来的，往往出现理论与实际脱节的情况，为有效解决这一问题，在授课过程中增加播放黑龙江省送变电工程公司试验所提供的二次回路传动试验录像环节，包括中央信号装置动作实验、控制回路操作实验、保护回路操作实验以及保护回路实验。这些内容均为实际工程的运行前测试，实现理论与实践相结合。

对于应用技术的讲解由于内容较多，仅从结构和功能的角度例如供配电系统的自动化[7]、变电站自动化的基本功能与结构、配电自动化与DSCADA系统简介、数据通信系统的构成与通信方式、EMS能量关系系统的体系结构以及EMS系统相关技术的最新进展[8～10]进行概述。这部分完全采用多媒体授课方式，信息量大，并以哈尔滨市电力调度通讯中心为例说明其具体职能。目的是开阔学生眼界，不仅能够使学生了解《工厂供电》课程所讲述的理论在电网方面的进一步应用，更重要的是使学生认识到多门专业课程（如自动控制系统、系统总线、通信技术等）知识的结合能够产生更广泛的应用价值。

东北林业大学《工厂供电》课程理论教学共计48学时，具体学时安排和授课方式总结如表1所示。

表1 理论学时分配Tab.1 Time allocation of theory teaching

2.3 理论教学与实验教学相结合

在电气二次系统的线路和元件保护理论教学完成后，立即安排实验教学环节，该内容在东北林业大学电气工程实验室完成，实验仪器采用THLGP－1型供配电技术综合实验系统，该实验系统实验室共有8台，因此实验需要分组进行，根据具体情况每组3～5人协作完成，这种学以致用的教学方式，能够使学生对知识内容的理解更加深刻。为了强化该部分的重要性，更好地提高此教学方式的有效性，特别充实了实际操作考核内容，实际操作考核是在教师的监督下，由每位学生依次独立完成，目的是引起学生高度重视，提高学生学习的主动性。

东北林业大学《工厂供电》课程实验共计8学时，实验内容如表2所示。

表2 实验内容Tab.2 Experiment contents

3 充实考核环节，使考核内容工程化

考核环节在整个教学过程中具有指导性意义，不仅揭示课程内容的重点，更体现课程培养学生的目标和要求。

3.1 考核内容

考核内容分为如下3个部分。

1）基本概念和基本理论

在基本概念和基本理论的考核中，考核电力系统电压与电能质量；中性点运行方式；一次设备的工作原理及注意事项；过电流保护的原理、类型和保护范围以及防雷、接地保护原理和保护范围；电力系统运行与调度自动化的结构与功能等。

2）分析计算及设计

分析计算主要包括工厂电力负荷的计算和短路电流的计算，从而设计工厂变电所一次系统的主接线。

3）实际操作

实际操作考核表2实验中的任意1个。

3.2 考核方式

对于一般概念和基本理论的考核采用笔试答卷的形式进行，考试时长由原来的120min缩减到90min，在全部课程结束后的2周内完成。

分析计算及设计的考核在电气一次系统内容结束后以课程设计[11～13]的形式进行，该环节以大型企业为原型（齐齐哈尔第二机床厂）设计车间变电所，车间性质分为机加车间和装配车间。已知车间设备参数撰写设计说明书（包括负荷计算、短路计算及稳定度校验、主接线设计等内容）。设计时长为120min，题目共计3种，根据考生位置依次穿插分配，设计说明书规格为A4纸10页，除提供题目、数据外还提供基本提纲类指导。

实际操作考核已在实验学时中有明确安排，3个实验随机抽签决定，5min原理讲述，10min接线操作，3位老师分组在实验室进行考核。

《工厂供电》课程考试满分100分，各部分考核内容所占比例如表3所示。

表3 考核方案Tab.3 Appraisal program 学时

4 结语

《工厂供电》课程工程化教学模式改革以东北林业大学自动化专业（选修课）为试点进行实践，从学生的反馈情况看，该教学模式的实施明显提升了学生学习的积极性和主动性，对知识点的理解和掌握程度也明显提高，教学效果令人满意，但是目前对于电气工程及其自动化专业（必修课）没有大范围实施，主要原因为实际操作考核内容需要进一步完善，课程设计内容需要进一步调整，鼓励个性化设计方案，从而有效培养学生的创新能力，避免千篇一律、墨守成规。同时在教学实践过程进一步探索和总结，完善授课内容，优化学时安排，相信不久的将来在课程组全体老师的共同努力下一定会全面实行，为社会培养出合格的工程技术人才。

[1]徐颖秦，邵华杰，王小龙，等（Xu Yingqin，Shao Huajie，Wang Xiaolong，et al）.工厂供电课程多元化教学设计与实践（Diversified teaching design and practice of the factory electricity supply course）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（6）：157-160.

[2]张松兰（Zhang Songlan）.《工厂供电》课程模块化教学改革与探索（The reform and exploration on modular teaching of the factory electricity supply course）[J].安徽职业技术学院学报（Journal of Anhui Vocational Technical College），2012，11（1）：67-69.

[3]张军国（Zhang Junguo）.“工厂供电”课程多元化教学的研究与实践（The research and practice of the factory electricity supply course）[J].中国林业教育（Forestry Education in China），2012，30（4）：60-62.

[4]刘金晟，侯世英，孙韬（Liu Jinsheng，Hou Shiying，Sun tao）.工厂供电工程设计方法分析（Analysis on design method of factory power supply engineering）[J].重庆科技学院学报：自然科学版）（Journal of Chongqing University of Science and Technology：Natural Science Edition），2011，13（2）：125-128.

[5]吕梅蕾，杜锦才，黄云龙（LüMeilei，Du Jincai，Huang Yunlong）.“工厂供电”课程教学改革的研究与实践（The research and practice on teaching reformation of factory electricity supply course）[J].电气电子教学学报（Journal of EEE），2003，25（2）：15-17，22.

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[10]张永健.电网监控与调度自动化[M].北京：中国电力出版社，2009.

[11]刘介才.工厂供电设计指导[M].北京：机械工业出版，2011.

[12]刘学军，周振雄，刘畅，等.工厂供电设计指导[M].北京：中国电力出版社，2008.

[13]刘介才.工厂供用电实用手册[M].北京：中国电力出版社，2001.