甘輝霞 黃景光 陳鐵 王崢

摘 要：實踐教學如何培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力已經(jīng)成為當前工程教育專業(yè)教學中的重要課題。文章以繼電保護綜合實驗為對象，依托工程實際，圍繞復雜工程問題的內(nèi)涵，從實驗目標、任務安排和教學方法等3個方面對實驗進行了設計。使得學生解決復雜工程問題的能力穩(wěn)步提高。

關鍵詞：復雜工程問題；繼電保護綜合實驗；實驗設計

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）23-0106-03

Abstract： How to train students to solve complex engineering problems in practical teaching has become an important subject in the teaching of engineering education. In this paper， aiming at the comprehensive experiment of relay protection， based on the engineering practice， on the connotation of complex engineering problems， the experiment was designed from 3 aspects： experiment target， task arrangement and teaching method， to enable students to improve the ability to solve complex engineering problems steadily.

Keywords： complex engineering problems； comprehensive experiment of relay protection； experiment design

企業(yè)對畢業(yè)生工程實踐能力的要求與日俱增[1]，尤其是中國加入了華盛頓協(xié)議之后，如何培養(yǎng)出具有解決復雜工程問題能力的畢業(yè)生，已經(jīng)成為工程教育專業(yè)當前和今后必須重視和做好的重要工作。實踐教學是提升學生工程實踐能力的重要手段，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力方面具有舉足輕重的作用。繼電保護實驗是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要實驗課程，本文以繼電保護綜合實驗對象，圍繞復雜工程問題的內(nèi)涵，從繼電保護綜合實驗的教學目標、教學內(nèi)容和教學方法等方面入手，逐步提高學生解決復雜工程問題的能力。

一、復雜工程問題的內(nèi)涵分析

要培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，首先要理解復雜工程問題的內(nèi)涵。

復雜首先體現(xiàn)在結構上，包含多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間相互依賴、相互協(xié)同，并具有層次的結構；其次是非線性，即系統(tǒng)內(nèi)部諸要素之間的相互作用是非線性而不是線性的；第三是各要素在非線性作用上復合而成的一個整體。“工程”首先強調(diào)的是理論和技術的應用，而不是科學研究；其次，表現(xiàn)為具有整體性的、有組織的活動，需要借助工具來完成；第三，實施過程中需要團隊分工協(xié)作；第四，需要考慮成本和經(jīng)濟效益。

由此可見復雜工程問題涉及很多專業(yè)的技術，無法使用單一的專業(yè)技術和傳統(tǒng)思路給出答案；問題可能超越常規(guī)場景，存在著技術上的沖突，需要探索新的思路、標準、技術和方法；還涉及外部與工程本身無關的約束、利益沖突。

針對復雜工程的以上特性，中國工程教育認證協(xié)會了對復雜工程問題進行了界定，它包含了七個基本要素，包括必備條件（1）和其余（2）-（7）的部分或者全部。標準及對應的屬性見表1。

因此培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，其實質(zhì)就是需要學生能夠應對復雜性、全局性的問題，在不具備成熟工具的條件下創(chuàng)新性地運用基礎知識和基本理論，在綜合考慮多因素的場景下通過分析、研究、評估、設計、實施等活動帶領多學科背景團隊高效完成工程目標[2]。

在實踐教學中要做到這一點，必須要考慮以下的三個問題：1.如何設計復雜工程問題；2.如何圍繞復雜工程問題開展實驗教學；3.如何使復雜工程問題所需要的工程原理和各種工程知識在實驗教學中得到深入地運用。

二、繼電保護綜合實驗的設計思路

復雜工程問題來源于工程，實踐教學必然要如實地展現(xiàn)工程。繼電保護綜合實驗是電力系統(tǒng)繼電保護課程的拓展和補充。繼電保護是電力系統(tǒng)安全運行的第一道防線，它是研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施和設備。一般將實現(xiàn)這種自動化措施的成套設備稱為繼電保護裝置。當電力系統(tǒng)或重要設備（線路、變壓器、發(fā)電機、母線、斷路器及電抗器）發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)和設備安全，繼電保護裝置能夠向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，并直接控制的斷路器跳閘以終止事故的發(fā)展。

工程實踐中繼電保護裝置必須經(jīng)過調(diào)試才能投運，調(diào)試過程包括二次回路的檢查、保護裝置調(diào)試、定值計算、整定及校驗，各保護功能測試、整組測試等諸多環(huán)節(jié)。如圖1所示，調(diào)試過程滿足了復雜工程問題（1）、（2）、（3）、（4）方面的要求。

首先，工程中必須深入地分析繼電保護保護原理、保護的功能邏輯、裝置的功能邏輯才能夠合理運用專業(yè)技術完成調(diào)試工作。滿足了復雜工程問題（1）的要求。其次，裝置的調(diào)試包括保護的回路測試、保護的功能測試和裝置的功能測試，涉及到電氣、控制、通信、微機專業(yè)，各保護功能之間不僅存在邏輯配合，保護功能與保護回路之間同樣也存在邏輯關聯(lián)，保護工作人員必須能夠熟練地運用上述專業(yè)技術，在相應保護標準、規(guī)程的指引下完成測試，并確保保護動作的準確性，既不能發(fā)生誤動情況，也不能出現(xiàn)拒動的情況。滿足了復雜工程問題（2）的要求。

第三，保護功能和保護指標是針對各種短路事故設計和開發(fā)的，只有在各種復雜故障和運行方式下才能夠有效地測試保護動作的準確性。因此要完成測試，就要對保護裝置實際應用環(huán)境下可能應對的各種復雜短路故障和運行方式進行模擬，確保在各種故障和正常運行的環(huán)境下，保護能夠滿足規(guī)范要求。滿足了復雜工程問題（3）的要求。

此外，調(diào)試中除了要使用萬用表、兆歐表、示波器等常規(guī)工具外，還要使用專用的保護測試儀，如繼保之星。滿足了復雜工程問題（4）的要求。

因此，將保護裝置的調(diào)試過程作為實驗的核心內(nèi)容，可以讓學生把理論知識、測試設備、保護裝置、標準及規(guī)范有機結合起來，培養(yǎng)他們深入運用所學專業(yè)知識解決保護裝置測試中的復雜工程問題。

三、實驗目標和實驗任務

（一）實驗目標

圍繞裝置調(diào)試的實際流程制定計劃，對電力系統(tǒng)繼電保護裝置的各項功能和指標的進行測試，目標如下：

1. 能夠自行設計測試方案，并按照測試方案開展實驗、記錄數(shù)據(jù)、分析結果并對實驗效果進行評價。

2. 能夠根據(jù)保護裝置的作用及保護對象，對裝置的各項保護功能進行整定計算。

3. 能夠?qū)ΡＷo整定值進行保護功能和指標的測試，確保裝置整定值有效，工作正常，達到運行規(guī)范的要求。

4. 能夠?qū)ΡＷo裝置進行嚴格的實驗測試，確保保護裝置各項保護功能是否正常，達到運行規(guī)范的要求。

（二）實驗任務

結合實驗目標，按照學生知識和能力發(fā)展的基本規(guī)律制訂實驗任務。

任務1：掌握完成實驗的基本方法和基本理論。包括保護整定值的計算方法、完成裝置測試的基本流程；理解及分析保護功能流程所必需的知識儲備；實驗測試設備和保護裝置的操作方法、操作步驟；如何計算測試過程中的數(shù)據(jù)和關鍵性指標，包括裝置狀態(tài)、保護狀態(tài)、設備狀態(tài)及報文等；如何利用這些指標對測試的結果進行判斷、總結和分析。

任務2：整定值的計算。包括裝置中所有保護的整定值計算，并將整定值輸入裝置。

任務3：保護基本功能檢查與分析，包括開機檢查裝置啟動、顯示，是否有報警信號，電源檢查，模擬輸入通道零漂檢查，邏輯輸入、壓板、手柄狀態(tài)檢查，光纖通道信號檢查；模擬輸入通道采樣值檢查，保護裝置差動電流、零序電流等計算值檢查。

任務4：保護功能測試與分析，根據(jù)實驗方案及保護功能邏輯流程，進行各個保護功能的整定值、動作時間、方向性測試校核，跳閘出口、報文信息、報警信號檢查；著重檢查保護動作過程的保護功能邏輯流程，要求不存在誤動和拒動現(xiàn)象，若發(fā)生誤動和拒動現(xiàn)象應詳細分析原因，并重新檢查實驗方案。

任務5：保護裝置整組實驗與分析：根據(jù)實驗方案及保護功能邏輯流程，投入整組保護功能、重合閘、模擬斷路器，以及必要的與其他保護裝置的邏輯配合，如外部啟動信號、縱聯(lián)通道信號等，進行保護功能整組實驗，模擬保護裝置實際應用環(huán)境下應對系統(tǒng)發(fā)生各種復雜短路故障和運行方式，檢查跳閘邏輯、斷路器跳閘合閘、報文信息、報警信號，著重檢查保護裝置整組動作過程的保護功能邏輯流程，要求保護裝置不存在設置、整定的沖突或不合理，保護裝置整定值可靠有效、工作正常、動作正確，達到運行規(guī)范的要求。

（三）教學模式改革

實驗教學中采用以學生為主的教學模式，根據(jù)學生的畢業(yè)要求，通過教師引導把學生推到了教學的主體地位。

在實驗前要求學生通過查閱資料學習相關知識，了解保護背景、基本原理；能夠?qū)﹄姎夤こ滔嚓P的各類物理現(xiàn)象進行研究和實驗驗證。

任務1以認知為主，主要采用教師講課的方式，完成相應規(guī)程規(guī)范、實驗步驟、設備操作方法、實驗的進度安排及相關的理論知識的講授。

自任務2起，在學生掌握了實驗計劃、實驗任務、實驗方法和實驗規(guī)程之后，要求學生根據(jù)實驗任務自行制定實驗方案，包括整定計算、功能測試和裝置測試。學生先按照規(guī)程和標準制定出相應的實驗方案并對實驗方案進行驗證，再按照實驗方案完成實驗，自行記錄實驗數(shù)據(jù)、分析結果并對實驗過程進行反思。在這一過程中，學生能夠選用或搭建實驗裝置，采用科學的實驗方法，安全地開展實驗。教師可以減少對理論性和專業(yè)性知識的講解，僅安排實驗任務、檢查實驗方案、控制實驗進度、提醒學生實驗中的注意事項、解答實驗過程中出現(xiàn)的問題等，并采用隨機提問的方式，考核學生對實驗原理、過程、方法的掌握程度。檢查學生是否能正確采集、整理實驗數(shù)據(jù)，對實驗結果進行關聯(lián)、建模、分析和解釋，獲取合理有效的結論；做到能夠了解和初步掌握與電力系統(tǒng)規(guī)劃設計、仿真計算、運行維護、產(chǎn)品開發(fā)相關的技術、資源和工具；能把相關技術、資源和工具應用于電氣工程問題的解決過程，對電力系統(tǒng)復雜工程問題進行分析、預測與模擬，并理解其局限性；具有工程實習和社會實踐的經(jīng)歷。

在成績評定方面，改變針對實驗報告進行評分的傳統(tǒng)方式。教師根據(jù)課堂考勤及課堂表現(xiàn)、實驗操作規(guī)范及實驗數(shù)據(jù)結果是否正確、專題討論、實驗報告完成情況進行綜合考核。實驗完成后，教師對考核結果進行反思，通過對比考核結果對實驗目標的達成度進行分析，分析實驗是否達到了預期的實驗目標。1.人才培養(yǎng)方案制訂（修訂）。培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的確定，考慮到學校、社會、學生等利益相關方的需求；課程體系按照期望學生達到的畢業(yè)要求（包含知識、能力和素質(zhì)要求）進行組織。2.教學導向。教學重點關注output，學生怎樣取得學習成果，實際學習成果如何，怎樣評估學生的學習成果。3.教學組織與實施。教學組織體現(xiàn)以學生為中心，以啟發(fā)式講授、互動式交流、探究式討論等方式，激發(fā)學生主動學習和有效學習，教學過程突出學生深度參與、與實踐體驗的緊密結合以及批判性思維養(yǎng)成等。4.教學評價與改進。以學生學習成果的評價改進教學；用多種方式評價（包括非標準答案考試）；跟蹤、反饋、改進等形成持續(xù)改進的機制。

四、結束語

實踐教學如何提升學生解決工程問題的能力是當前工程專業(yè)面臨的重要問題。本文以繼電保護的綜合實驗為例，從實驗設計、實驗開展及實驗教學三個方面闡述了如何在實踐教學中培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，可以為專業(yè)的其他實驗提供借鑒。

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