基于CDIO理念的电力系统综合实验教学改革

孙玲玲+王宁梅+林谢平

[摘要]电力系统综合实验是电力系统及其自动化专业多门课程交叉的综合性实验，能够使学生从全局、系统的角度直观认识理解电力系统。针对电力系统综合实验现状及存在问题，结合项目式教学的培养目标，提出基于CDIO理念的电力系统综合实验课程改革方案，并对改革方案中具体实验教学内容、实验方法及考核方式等进行说明。实践表明，上述改革方案在培养学生学习工程知识、个人能力、团队合作能力、工程系统能力等方面取得了良好的教学效果，并为未来教学实践的持续改进奠定基础。

[关键词]CDIO；项目式教学；电力系统综合实验；教学改革

[中图分类号]TN41；G642[文献标识码]A[文章编号]10054634（2017）03009705

0引言

电力系统综合实验是电力系统及其自动化专业人才培养的重要实践环节，主要培养学生综合运用专业知识处理工程问题的能力。电力系统综合实验是涵盖“电力系统稳态分析”“电力系统暂态分析”“电力系统继电保护”“电力系统自动装置”“变电站综合自动化”等多门专业课程知识交叉的综合性实验。燕山大学电力实验室中的实验设备通过物理模拟及数字仿真等形式呈现电力系统运行及自动化控制的全过程，使学生从全局、系统的角度认识理解电力系统[1，2]。

目前，实验室开设的电力系统综合实验大多为传统的验证型实验。在实验过程中，学生按照指导教师所讲及指导书中的实验步骤操作即可得出结论。实验教学内容及考核方式陈旧单一，实验过程中学生发挥独立分析思考解决问题的能力受限，处于被动地位。从实验教学效果来看，传统的实验教学模式难以有效地提高学生实践技能和综合素质[3]。

随着CDIO现代工程教育培养模式的引入与逐渐推广，对电力系统综合实验课程进行项目式教学改革成为必然趋势。电力系统综合实验的改革注重专业核心课程之间知识点的相互联系，打破以理论验证为主的传统实验教学模式，强调实验构思、设计、运作、实践基于项目进行。转变教师和学生在实验中的地位，要求学生参与构思、自主设计、协作实施，实现从被动教育到自主学习的转变[4，5]。

本文在研究CDIO工程教育理念的基础上，结合项目式教学培养目标，提出基于CDIO理念的电力系统综合实验课程改革方案，对实验教学内容、实验方法及实验考核方式等进行改革。以燕山大学2012级电力系统及其自动化专业本科生为对象的项目式培养教学实践，获得了丰富的教学经验和显著效果，为未来教学改革实践的持续改进奠定基础。

1综合实验项目实施方案

为推进电力系统综合实验教改实施，对实验课程教学大纲进行调整。为提高教改课程的可行性，形成教学效果对比，只对综合实验中的部分项目进行改革，其余项目按传统方式授课，并在未来的课程改革中不断持续改进。

由表1可知，未改革的综合实验项目由指导教师讲解实验原理及设备使用方法，学生连接实验电路，并按照指导书上的实验步骤做实验，记录实验结果。教改的综合实验项目与传统验证型实验相比，在实验内容、实验形式方面有较大的改变。

1.1综合实验改革项目实施形式

电力系统综合实验课程改革打破传统“学与做”的教学模式，实验项目选题具有工程环境与背景，实验目的不再是某一理论的验证，而是实现工程目标。让学生以小组形式共同完成项目，从构思阶段的概念设计开始，经历设计讨论和实施阶段，让学生主动学习课程知识点之间的有机联系。在教学过程中注重引导学生独立思考，开展启发式、探究式、参与式教学[6]。

与传统实验流程不同，基于CDIO理念的綜合实验教学改革按照项目开发过程设计实施，包括项目方案构思讨论、项目设计、系统接线方案设计、实验操作及仿真测试。实验过程中，遵从“构思、设计、实施、运作”的工程教育指导思想，强调综合性学习和主动学习[710]，图1为综合实验项目开展环节。

1） 构思环节。实验开始，由指导教师提出项目题目及设计任务，学生分组形成团队，查阅项目实施涉及的课程基本原理，学习相关设备原理及操作方法，构思项目实施方案。该阶段的任务是每组学生至少提出两种方案的设计，并进行可行性分析与讨论。指导教师对学生进行指导，确定最合理的方案。

2） 设计环节。在完成项目实施方案的确定后，要求学生完成实验原理图及实验电气接线图的设计及绘制，主要包括电网组网方式、主系统接线方式、电力系统一次设备及二次设备选型、继电保护整定及二次设备接线方式设计等。学生还需对自己要完成实验的操作步骤进行设计。最后上交实验接线图及实验操作步骤，由指导教师进行检查。

3） 实施环节。学生根据设计图，在实际可操作的实验台或虚拟培训软件进行操作，教师对实验设备的操作规范通过实物演示的方式进行讲述，学生可直观地掌握该部分的知识和技能。学生利用实验设备，完成设计图的调试、连线、相关一次设备投切及二次设备控制整定。完成系统接线后，教师对每组系统接线进行检查，确定无误后，方可让学生上电操作。最终，学生通过设备上的软件分析或相关参数的读取，对自己设计系统的状态进行分析得出结论。

4） 运作环节。项目完成后，指导教师进行项目验收。在此环节，学生需对项目成果进行展示，对自己的设计思路、系统原理图、关键技术、创新点、存在问题等内容进行公开汇报。然后，开展项目讨论，进行技术交流。

在整个实验项目完成过程中，学生以具体应用工程问题为驱动，通过查阅学习资料，综合运用专业理论知识解决实践中的问题，最终提高学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力。

1.2综合实验项目组织形式及评价设计

综合实验项目组织采用学生分组、团队协作的形式，由5～6名学生组成一个小组，确定1名小组负责人；每个实验设置4～5个工程项目，每组负责1个实验项目；小组负责人负责实验项目任务分解和人员分配，组内人员分工协作完成整个实验项目。以学生自我设计和实际操作为主、教师辅导为辅。

传统的实验教学评价主要采用“实验结果+实验报告”的考核方式，对学生动手能力和综合素质考察不足。基于工程教育的实验教学模式是个循序渐进的过程，要在不同阶段针对学生不同能力的培养进行评价，并在最后阶段进行整体效果评估[11，12]。基于CDIO理念的电力系统综合实验教学改革评价考核方式将学生在构思、设计和实践等各环节的表现结合起来，从实验态度、实验操作技能、综合素质几个方面进行综合评定。

总成绩中，态度评价占10%，主要评价学生对实验的兴趣及重视程度；实验方案设计占总成绩的30%，主要评价学生设计实验方案的可行性及实验效果；实验操作技能占30%，主要评价学生操作实验设备的准确性及完成实验的情况；答辩及实验报告占总成绩20%，主要评价学生口头报告及撰写实验报告的能力；组内互评占10%，主要评价学生团队沟通协作能力。

2综合实验项目主要内容

电力系统综合实验课程改革内容涉及电力系统的设计规划、调度、监控、运行控制及二次设备调节、测量、保护的理论和技术。课程改革由配电网静态模拟及微机保护设计实验项目、电网虚拟仿真设计实验项目及常规三相四线制系统设计及综合监测3个实验项目组成。根据项目式教学电力专业毕业要求，使实验项目内容设置具有综合性、设计性和创新性。

2.1配电网静态模拟及微机保护设计实验项目

为了使学生掌握电力系统运行与保护控制技术，通过实验室中配电网静态模拟系统及KLD94 300微机保护测控装置，开设不同接地方式的配电网无功补偿、线路故障电压电流监控测量、微机线路保护、距离保护、差动保护等实验。

本实验从构思、设计、实施和运作4个环节设置项目内容，项目技术路线如图2所示。

实验项目主要内容如下。

1） 项目方案构思。根据设计要求，构思10 kV配电网运行及保护控制设计方案并进行可行性分析讨论。

2） 项目内容设计。对中性点不接地、中性点经电阻接地及中性点经消弧线圈接地配电网主系统接线、无功补偿进行设计；通过分析不同接地方式配电网故障特性，设计保护方案，计算保护定值。

3） 项目实施。（1）无功补偿。根据1）中设计，对系统进行无功补偿，在配电网静态模拟装置上，投切不同数值组合的无功补偿装置，使系统在设定的功率因数下运行；（2）故障特性分析。对1）中設计系统，进行配电网的故障特性分析。在配电网静态模拟系统上设置线路故障，从测量装置中读出不同接地方式配电网的故障电流及电压，判断其特征是否与理论分析一致，对比不同接地方式配电网接地故障特性的异同；（3）微机保护。对1）中设计的保护方法，进行保护定值及参数的整定。在KLD9300微机保护装置上设置整定控制字以控制保护的投退；通过在配网静态模拟系统线路上设置故障，验证自己所设计的保护方法及动作值整定是否有效。

4） 项目运作。在实验台上演示讲解项目实施过程，展示项目设计成果，进行技术交流。

2.2电网虚拟仿真综合设计实验项目

电网调度虚拟仿真培训系统能够对电网运行、电网调度、变电站运行监控巡视、继电保护、系统事故分析和处理、电气一二次设备操作等进行全方位的模拟，3D场景单元再现真实变电站现场，仿真变电站工作人员的就地操作和操作结果。

本实验项目充分利用虚拟实验室技术，让学生从角色上进行转变，切身感受作为变电站运维人员、电网调度人员、检修人员在在企业及工程中具备的技能，体会专业岗位的职能特点。根据项目任务要求，学生分组完成项目设计及实施，最终以技能竞赛的形式展示项目运作，技术路线如图3所示。

1） 检修任务。根据下达的检修任务，构思变电站设备检修方案。设计检修操作方案，包括开关及断路器倒闸停送电操作、备用母线就地投切等。开操作票，在3D模拟的真实变电站现场对设备进行检修。

2） 调度任务。根据接受的调令，构思执行调度任务。根据突发事件情况，设计调度指令，并协调、组织现场操作人员或自动化控制系统进行调整，执行动态设备状态监视，并向上级汇报电网实际运行参数。

3） 五防开票。根据任务，完成五防开票、五防验证的操作。在3D场景中的一次设备操作机构中添加五防锁，设计五防逻辑，执行接收操作票，开五防锁。

4） 继电保护。对变电站内保护室，根据继电保护仿真软件，进行保护定值的整定，时间整定，控制字整定，定值换区等设计，对保护柜执行压板操作、开关操作并能够实现灯光信号字显示。

2.3常规三相四线制系统设计及综合监测

电能综合监测实验台，能够使学生掌握电力系统常用二次设备的测量原理及接线方法，掌握不同类型负荷的三相四线制系统交流电量的特点。

本实验项目要求学生分组完成以下实验内容，项目技术路线如图4所示。

1） 项目方案构思。根据设计要求，构思常规三相四线制系统综合电量监测设计方案，进行可行性分析讨论。

2） 项目内容设计。根据给定元件及所测电量，设计三相四线制系统接线图，包括电源元件、电压电流互感器、有功功率表、无功功率表、功率因数表、电压表、电流表、阻性负荷、容性负荷、感性负荷。

3） 项目实施。根据设计的接线图，在电能综合监测实验台上连接三相不对称负载线路，模拟操作电力系统单相短路和断路状态，实现常规三相四线制系统综合电量监测。

4） 项目运作。在实验台上演示讲解项目实施过程，展示项目设计成果，进行技术交流。

3综合实验教学改革效果分析

基于CDIO以项目设计为导向的工程教育理念，调整和优化了电力系统综合实验结构与实验内容，教学方法及教学思路也进行了优化创新，丰富了实验教学形式。基于CDIO理念的电力系统综合实验教学改革实施以来，在实验内容、教学形式、考核方式及能力培养方面有很大的改进，其中配电网静态模拟及微机保护设计实验项目与改革前单纯的验证性实验相比，教学效果尤为突出（详见表2）。从项目评价结果可以看出，学生通过项目设计实施能够准确掌握电力系统基本理论知识和使用技能。项目式教学更能够激发学生学习的热情，增强学生学习主动性。项目实践过程中，培养了学生工程实践能力、团队协作能力、分析和解决问题的能力，取得良好的教学效果。

4结束语

针对电力系统综合实验的现状及存在问题，在现有的实验条件下，结合项目式教学的培养目标，对实验教学内容、实验方法及考核方式等进行探索与研究，提出基于CDIO项目式教学的电力系统综合实验课程改革方案，通过将实验教学内容项目化，从构思、设计、实施、运作4个方面培养学生系统工程技术能力、自学创新能力、团队协作精神及社会责任感。这种新的教学方法，以突出工程实践应用为特色，切实满足电力相关行业对该领域专业人才的迫切需求。

参考文献

[1] 王莉丽.电力系统综合实验阶梯实验体系研究[J].实验室科学，2012，15（5）：160166.

[2] 董继民.电力系统综合实验教学模式研究与实践[J].高校实验室工作研究，2010（3）：811.

[3] 樊艳芳.“电力系统分析”实验教学的改革与实践[J].中国电力教育，2014（11）：190191.

[4] 任坤，刘红，杨旭东.CDIO指导下的创新性电工电子实验设计[J].实验室技术与管理，2012，29（4）：228230.

[5] 王亚良，张烨，陈勇，等.基于CDIO的实验项目开发与实践[J].实验室技术与管理，2010，27（2）：119121.

[6] Crawley E，Malmqvist J.The CDIO syllabusan updated statement of goals for engineering education[C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copernhagen，2011：2023.

[7] 刘思远，姜万录，陈刚，等.基于CDIO项目式教学的课程改革与实践——以电气传动与控制课程三级项目教学为例[J].教学研究，2012，35（3）：4447.

[8] 宋跃，胡胜，余熾业，等.基于OBE的嵌入式测控技术课程群研究与实践[J].实验室技术与管理，2016，33（2）：410.

[9] 闵永智，李红，王秀华.电气工程专业研究性实验教学新模式探索[J].实验技术与管理，2015，32（12）：177179.

[10] 董继民.电力系统综合实验教学模式研究与实践[J].高校实验室工作研究，2010（3）：810.

[11] 张莉莉，陈群.基于CDIO的电力系统及其自动化方向教学与实践改革探索[J].科技教育，2015（2）：191192.

[12] 郭明良，王朋，郭松林.基于CDIO模式的电类本科实践教学体系构建[J].中国电力教育，2015（2）：158160.

AbstractElectricalpower system comprehensive experiment is an integrated experiment of electric power system and automation majorsubjects，it can make students intuitive understanding electrical power system from the global and systematic perspective.In this paper，the curriculum reform scheme of electrical power system comprehensive experiment based on the concept of CDIO is proposed，which aiming at the current situation and problems of the comprehensive experiment and combining the training objectives of project teaching，and the experiment teaching content，experiment mode and evaluation method are instructed in detail.It is proved that this reform has achieved teaching effects in training students′ learning engineering knowledge，personal ability，team cooperation ability，engineering system ability，etc.Moreover，this reform can lay theoretical foundation for sustainable development of the experiment simultaneously.

KeywordsCDIO；project teaching；electrical power system comprehensive experiment；teaching reform