“电力系统继电保护”混合教学探索与实践

徐晓宁 付 强 尹金良 李 超 问虎龙 赵 磊

(1. 天津理工大学电气工程与自动化学院, 天津 300384)

(2. 天津瑞源电气有限公司, 天津 300308)

随着“新工科”教育理念的提出[1-2],国内高校对其教育内涵及教学模式都进行了积极的解读和探索[3-5]。天津理工大学于2019年开展了新一轮培养方案的调整和课程大纲的修订,将“新工科”及“工程认证”的思想融入到课程教学环节的设计中,旨在有效地提升课程的教学效果,为培养“创新型、复合型、综合素质高”的人才提供强有力的支撑。

“电力系统继电保护”课程是电气工程专业的专业核心课程。该课程理论与实践并重,主要任务是讲授电力系统继电保护的基本概念、基本原理和基本方法,使学生在学习了电力系统分析的基础上,进一步从继电保护的角度了解电力系统的各种不正常运行状态和故障状态,并掌握各类继电保护的基本理论和方法,为今后从事电气工程领域的工程设计、运行维护和优化电力系统及其继电保护系统打下良好的理论及实践基础。

该课程的课程目标制定基于工程认证的OBE理念,支撑毕业要求中的设计/开发解决方案和研究两个方面。据此将课程目标所需达成的能力目标设定为:

1)课程目标1

能够对各种继电保护的工作原理、故障特性及保护动作过程进行详细分析,并能够对继电保护进行整定与合理配置。

2)课程目标2

能够搭建实验平台,进行继电保护相关实验的测试,并正确地分析实验结果,得出一定结论。

1 传统教学中存在的主要问题

图1所示为2016级本科生“电力系统继电保护”课程的学生成绩分布,参加考试总人数为70人,其中优秀率为2%,不及格率达到44%。

图1 2016级本科生“电力系统继电保护”成绩分布

经过教学研讨及学生座谈,对课程存在的问题进行了深刻的剖析:

1.1 灌输式教学模式

“电力系统继电保护”的课程知识点多、抽象且理论性强,教师难教且效果不佳,学生难学且积极性不高。传统教学课程中,任课教师是主角,教学手段以多媒体的方式为主,板书为辅。如果老师经验不足或准备不充分,将会直接影响教学效果;此外,由于课程内容多,学时有限,任课教师虽已完成教学任务,但却忽略了授课过程中与学生间的良好互动,无法及时了解学生对重点及难点知识点的掌握程度,没有反馈。

1.2 先修课程基础不牢

“电力系统继电保护”课程的先修课程均为电气工程专业重要的专业基础课程,课程间的关联紧密如图2所示。如:在电流保护或距离保护的整定中会用到“电力系统分析”课程中关于网络及元件的等值、潮流计算、短路分析等知识;在方向性电流保护的工作原理、接线方式、振荡对距离保护的影响及基于故障分量的纵联保护中会用到“电路”课程中的电路分析方法,如戴维南定理、基尔霍夫定律等,还会用到“电力系统分析”中的相量分析法和对称分量法等。在电力元件保护中,会用到“电机与拖动”及“电力系统分析”课程中关于发电机和变压器等的工作原理、结构特点及系统等值方法等。同样,“电力系统继电保护”课程知识的综合应用中也同样会体现学生对先修课程知识的联系能力。

图2 电力系统继电保护与先修课程之间的关系

在先修课程的基础上,该课程着重分析和讨论电力系统继电保护方面的相关知识。如果学生在学习过程中对某部分内容掌握得欠佳,使得他们跟不上任课教师的讲课节奏,将直接影响学生后续学习的自信心和积极性,从而削弱课程的学习效果,形成“知识拖欠”的恶性循环。

1.3 理论教学与实验环节分离

“电力系统继电保护”课程是“强电”类课程,实验环节的设置能够帮助学生们充分理解各类继电保护的原理、结构及与重合闸系统等的配合过程。传统课程的教学环节安排以“先讲理论知识,后进行实验”的模式,受实验教学环境及多门课程同时开展实验的条件约束,导致理论教学任务完成后,不能与理论教学内容有效衔接,不但会影响教学效果,更会降低学生对课程的兴趣。

可见,传统教学模式导致教学效果陷入“教师讲得深,学生听不懂”“作业太多,学生反感”“学完课程,啥也不懂”及“大学上完,啥都不会”的恶性循环中[6]。因此,如何对课程教学方式进行改革,激发学生学习兴趣,不断根据学生对知识点的反馈情况调整教学进度,从而提高教学质量是此课程亟待解决的关键问题。

2 混合教学模式探索

南国农先生曾提出“把传统学习方式的优势和数字化学习的优势结合起来,使两者优势互补,才能获得最佳的学习效果”,而Bonk Curtis J.将混合学习定义为“面对面教学和在线学习的结合”[7]。

在“电力系统继电保护”课程的混合教学模式中,课程团队重视将传统的“以教师为主”逐步转变成“教师引导、学生为主”,强调“教”与“学”的高度融合,并在教学过程中注重师生之间课堂教学的有效交流,不断反馈,逐渐完善,最终实现课程培养目标。“电力系统继电保护”课程线上线下混合式教学过程包括课前、课中及课后三个阶段,每个阶段任课教师会通过布置不同的学习任务,各阶段的关系如表1所示。

表1 线上线下各阶段教学安排

课前,课程组对互联网上公开的数字化教学资源进行有效整合,挑选与本课程相关的教学内容,如:先修课相关知识点及本课程基本概念、原理等,利用“雨课堂”制作手机课件并将其推送给学生,同时,在雨课堂的讨论区布置与该预习内容相关的简单任务,对学生的线上自学情况及预习效果进行评估,有助于针对性地优化课中的教学内容,并能够培养学生“独立学习”及“主动学习”的能力。

课中,任课教师根据课前任务的完成情况进行补充讲解,以“基于问题”的启发式教学方法,让更多的学生参与讨论,培养学生的探究精神和工匠的责任担当;同时,利用“雨课堂”中的“试题发送”“弹幕”或“点击不懂”等互动方式及时了解学生对重点难点知识的掌握程度,以提升有限时间内的课堂教学效果。

课后,任课教师准备作业任务,利用雨课堂制作手机试卷发送给学生,通过学生的作业完成情况掌握对课上内容的理解和接受情况。对仍然有问题的地方,任课教师有针对性地录制“微课”对重点难点知识进一步讲解,多角度地帮助学生在“知其然”的基础上“知其所以然”,并能够准确地“应用于实践”。

除此以外,为了使学生能够将在本课程中学到的知识学以致用,并能够与先修课程之间形成完整的知识体系,分别在第一章绪论和第五章自动重合闸讲完后,布置两次课程报告任务:

1)调研报告

了解继电保护的发展史及前沿技术,浅谈与其他学科技术发展的相关性,完成调研报告;

2)技术分析报告

以“美加大停电”“印度大停电”“2008年我国冰雪灾害造成的南方大面积停电”等为案例,对事故产生的原因及由此引起的危害进行技术和人为因素的分析及讨论,完成技术分析报告。

2.2 调整课程考核方式,强调过程成果记录

为提高学生在课程教学过程中各环节的参与度,培养学生的“创新意识”,在课程中加强了对教学过程的管理,采取“多维度”的考评体系,丰富课程的考核方式,具体的“课程目标达成考核与评价方式”如表2所示。

表2 课程目标达成考核与评价方式

1) 结果性考核

结果性考核即为本课程结束时的期末考试,以闭卷答题方式完成,占总评成绩的50%。题目涉及简答题、证明推导题、计算题及综合设计题等多种形式,既包含对理论教学中各种继电保护基础知识的考评,又包括对实验环节中的实际接线及数据分析能力的考核。

2) 过程性考核

过程性考核占总评成绩的50%,弱化了结果性考核的力量,重视对学生学习过程中自学能力、思考能力及创新思维的培养。主要包括:

(1)实验:本课程依据课程内容设置了5个实验内容,分别为常规继电器特性实验、输电线路电流电压常规保护实验、输电线路距离保护实验、三段式电流保护与自动重合闸装置综合实验及变压器差动保护实验,基本覆盖了课程的理论教学内容中的重要保护类型,占总评成绩的20%。

(2)期中考核:期中考核环节以随堂闭卷答题形式开展,时长45 min,根据教学任务的安排,期中考核内容涉及继电保护概述、电流保护和距离保护三章内容,以简答题和计算题为主要题型,占总评成绩的10%。

(3)过程表现:这部分的考核内容及形式与前述线上线下结合的教学环节紧密联系,占总评成绩的5%。主要包括课前预习任务、课中随堂发布练习题及讨论以及课后学习任务的完成情况等几个部分,分别占总评成绩的1%、2%和2%。

(4)作业:以书后每章练习题为主,也会根据学生对知识点的掌握程度布置相关内容的证明或者分析作业,占总评成绩的5%。

(5)课程报告:两次报告均以小组形式完成并进行答辩,成绩包括任课教师打分、小组互评打分及组内成员互评打分三部分构成,比例分别为20%、40%和40%,最后由任课教师进行点评。在此环节的考核中,弱化了教师的打分角色,让学生分别从横、纵两个维度对自己的工作进行评价,从而更全面地衡量学生的能力水平。占总评成绩的10%。

3 教学改革效果

3.1 近三年学生成绩对比

“电力系统继电保护”课程的教学模式从2017级本科生开始调整,经过了两次变革。第一次是在传统课堂(2016级及以前)基础上,通过利用雨课堂进行随机点名、实时发送试题及弹幕的手段,丰富了课堂形式;第二次变革是在第一阶段的基础上将课程任务进一步分解,充分利用课前预习、课上拓展和课后复习的层递关系,通过“雨课题+微课”的方式帮助学生多维度地理解和掌握重点和难点知识。经过两次课程的教学改革,其教学效果是明显的,连续三届学生的成绩分布如图3所示。

图3 连续三届学生的成绩分布图

图3中,2016级本科生是课程改革前的一届,总评成绩不及格人数30余人,优秀人数只有1个。教学改革的正式执行时从2017级开始,相较于2016级学生的成绩,有了明显的改善,不及格人数维持在10人以内,再到2018级学生,不及格人数只有2人,优秀6人,较2017级又有了更进一步的提升。可见,“电力系统继电保护”混合教学模式的探索是有必要的,教学效果也是显而易见的。

3.2 课程目标达成情况评价

持续改进是工程认证的核心理念之一[8-9],但持续改进的前提是正确评价和发现问题。以往的考核及评价过程仍然以任课教师为主,由任课老师针对学生在各考核环节的表现给出评价,这样做的优势在于操作简单,但是缺少学生对课程的反馈。因此,在对课程目标的达成情况进行评价的内容中加入“学生评价”。课程结束时,针对学生所需达成的能力进行问卷调查,并将结果作为本课程目标达成情况评价的重要指标,客观地反映教学效果,精确地查找教学过程中存在的薄弱环节,表3列出了课程目标的考核与评价方式。

表3 课程目标的考核与评价方式

学生对本课程的达成自评结果及课程整体达成情况分别如图4和图5所示。图4中,三条折线分别代表2016级、2017级和2018级学生对表3中的每一项达成考核内容的自我评价的平均分,图5是综合所有考核项目及学生自评结果后的本课程的达成情况对比图。

图4 连续三届学生的课程达成自评情况对比图

图5 课程总达成情况对比图

可以看出,从学生自评的课程达成情况及课程总的达成情况均出现逐年递增的好现象,客观地反映了混合教学模式所达到的实际教学效果。

与此同时,在图4的每一条折线上都能够找出最低点,即:分数最低的代表达成情况不好的课程目标所对应的具体教学内容,今后的教学环节中可以进一步加强此内容的讲解及练习。

4 结语

课程团队在分析传统“电力系统继电保护”课程教学中出现的问题基础上,以培养学生自主学习、独立思考、应用创新的能力为抓手,对课程提出了切实有效的教学改革措施,既能够帮助学生充分理解电力系统继电保护的原理并掌握系统分析及配置方法,又锻炼了其针对实际电气工程领域的保护问题,提出合理方案并进行验证性实验的能力。

教学实施过程中充分体现“新工科”思想和工程教育认证的OBE理念,围绕课程目标,细化教学环节,组织实施教学过程,根据课程目标达成的评价结果,发现问题,进行持续改进,达到了很好的教学效果。