面向工程教育的 “电力系统过电压”教学改革

    韩永森 程嵩 夏云彦

    摘? ? 要：工程教育专业认证有助于高等工程教育质量的提升。以学生为中心，以学生学习产出为导向，分析工程教育专业认证背景下“电力系统过电压”课程教学现状，并从教学内容多元化、多种教学方式融合、注重微课题研究、加强仿真软件的应用等方面提出“电力系统过电压”教学改革的策略，旨在丰富课程教学内容，激发学生学习兴趣，锻炼学生的创新意识，培养学生解决复杂工程问题的能力，从而满足工程教育的要求。

    关键词：工程教育;电力系统过电压;教学改革

    中图分类号：G642.0? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ?文章编号：1002-4107（2020）07-0007-02

    高等工程教育以解决复杂工程问题的高级工程技术人才为培养目标[1]。工程教育专业认证是国际通行的高等工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[2]。哈尔滨理工大学积极将工程教育专业认证理念引入到高等教育教学改革中，并且取得了较好的教学效果[3-4]。哈尔滨理工大学电气工程及其自动化等多个专业已经通过了中国工程教育专业认证协会的认证，是专业人才培养模式和培养质量获得社会认可的重要标志。

    “电力系统过电压”是电气工程及其自动化专业的主要专业课之一，主要研究电力系统的电磁暂态过程、雷电过电压及内部过电压三部分，与生产实践密不可分。该课程知识还在本科生就业考试与研究生入学复试中占有很大的比重。但是，该课程目前主要以理论课和教师讲授为主。如何在有限的理论学时条件下不断提高面向工程教育的“电力系统过电压”课程的教学质量，是授课教师普遍面临的挑战。

    一、“电力系统过电压”教学现状

    （一）教学内容单一

    “电力系统过电压”课程的教学目标是使学生掌握过电压的形成机理以及防护措施，分析和解决实际电力系统中的过电压问题。目前，该课程主要围绕着《电力系统过电压》教材展开关于电磁暂态过程、雷电过电压和内部过电压的理论分析和计算[5]，缺少必要的过电压工程案例和教学案例，教学内容单一、抽象。例如，在讲解空载输电线路的分闸过电压时，教材中的电路原理图非常简单，多数学生表示教材内容过于抽象，很难理解所形成过电压波形的变化规律，使得学生无法将课程内容与实际工程应用联系到一起。

    （二）板书教学方式呆板

    本课程长期采用板书教学方式，有利于详细地推导公式，突出过电压的重点内容，帮助学生理解过电压的形成机理，也是学生普遍喜欢的一种教学方式。但是，这种教学方式也存在着文字描述枯燥和理论推导繁琐等缺点，很难直观、形象地描述某些过电压现象，比如雷电过电压的形成过程。教师在黑板上给出的简化版雷电过电压形成示意图，难以激发学生的学习兴趣，学生对知识的吸收效果比较差。

    （三）缺少实践环节

    该课程以理论教学和教师讲授为主，学生被动地接收过电压知识，很少有机会主动地参与到课程的教学环节中，不符合工程教育“以学生为中心”的理念。

    该课程涵盖电力系统内传输线、变压器、电机和避雷器等設备过电压的产生和保护知识。为了培养学生的工程意识，有必要建立过电压实验系统。然而，由于涉及的电力设备多，实验成本高，在学校内很难建立起完备的过电压实验系统。此外，过电压的电压等级很高，学生实际操作的危险性也很高。简言之，学生对过电压知识的理解和认知几乎不能通过实验方式获得，不能实际地了解过电压形成的具体过程，不利于培养

    学生的工程思维能力。

    二、“电力系统过电压”教学改革策略

    为了提高 “电力系统过电压”课程的教学质量，培养学生解决复杂工程问题的能力，从教学实际情况出发，坚持以学生为中心，以学生学习产出为导向，对该课程在教学内容、教学方式等方面进行了改革。

    （一） 教学内容多元化

    在“电力系统过电压”教学过程中，注重理论分析与实际工程应用的结合。在过电压理论教学内容的基础上，引入工程案例和教学案例，以此丰富教学内容，促进教学内容的多元化。

    将实际电力系统中出现的过电压问题整理成工程案例。例如，根据2018年中国电力科学研究院关于雷电过电压引起的故障统计报告，可以得知2017年度内雷电过电压引起的跳闸频率（全国线路雷击跳闸156次，跳闸率为0.086次/百公里·年）、雷电流幅值大小以及输电线路中所采用的防雷措施（比如，明确接地极线路绝缘子片数优化提升至5片），进而可以制作出雷电过电压对输电线路的危害和保护措施的工程案例。将其应用于实际教学中，有利于学生将理论知识与工

    程实际问题联系起来，加深学生对雷电过电压的危害

    及其保护知识的理解。

    教学案例有利于促进学生对所学理论知识的理解，激发学生的学习兴趣。例如，针对空载输电线路分闸过电压的教材内容，以某750kV交流高压输电线路的空载分闸过电压为基础制作教学案例。在电磁暂态仿真软件上，建立描述该输电线路分闸过电压的模型，并且将模型运行结果演示给学生，使学生能够直观地感受到分闸过电压的形成过程。教师可以围绕着教学案例提出问题。比如，输电线路的长度增加时，空载分闸过电压将会如何变化？采用什么措施能够抑制空载分闸过电压？让学生结合仿真模型，回答教学案例的问题，培养学生工程问题的分析能力。

    （二） 多种教学方式融合

    在板书教学基础上，结合多媒体教学，给学生形象地展示过电压引起的故障及其对电力设备的破坏程度，让学生更容易理解过电压现象及其危害，从而提高教学效率。在理论教学环节中，教师精选一部分过电压知识留给学生进行课堂讨论，更好地调动学生学习的积极性。

    （三）注重微课题研究

    微课题是教师对日常教育教学问题的整理和归纳，是课程教学中的微型科研问题。微课题的设置有助于丰富教学内容，也利于开阔学生的专业视野，培养学生解决实际问题的能力[6]。微课题的目的是充分发挥学生的主动性、想象力和创造力，锻炼学生解决实际问题的能力。

    微课题题目的设置以“电力系统过电压”课程的教学内容为依据，题目难度适中，适合学生进行微课题的研究。例如，在讲解直角波电压作用下变压器绕组内的暂态过程时，可以设置一个题目为“冲击电压作用下变压器绕组内的暂态过程”的微课题。通过设置与所学内容相似的微课题，能够促进学生将所学到的知识应用到实际问题中，提高学生的知识掌握和运用能力。

    “电力系统过电压”课程的每部分内容是由2—3个章节组成的。例如，电磁暂态基础部分是由集中参数电路、长线路和变压器绕组内的电磁暂态过程三个章节组成的。该课程总共包括8个章节。因此，我们根据每章的重要知识点，在每章都设置了一个微课题题目，这样的题目设置不仅使微课题题目覆盖了全部教学内容，而且便于学生根据自己的兴趣爱好灵活地选择题目以开展微课题研究。

    学生可以采用理论计算、仿真模拟和多媒体制作等不同方式进行微课题的研究。例如，题目为“输电线路的感应雷电过电压的形成”的微课题，学生可以采用理论计算的方式对输电线路上感应雷电过电压进行定量分析，也可以采用有限元仿真软件对感应雷电过电压进行仿真模拟，甚至可以通过生动、形象的动画或者视频方式演绎感应雷电过程的形成过程。

    （四）加强仿真软件的应用

    为了弥补电力系统过电压难以开展实验研究的教学不足，有必要让学生掌握电磁暂态仿真软件的使用方法，通过虚拟仿真的方式加强学生对过电压问题的理解。在讲解教学案例时，教师适当地扩充电磁暂态仿真软件的基本操作。Matlab是数值计算和图形处理功能丰富的软件，且其子模块simpowersystems为电力系统的仿真提供了丰富的虚拟电气设备，诸如变压器、发电机和输电线等。通过該仿真软件，学生可以像搭电路一样建立过电压模型，通过合理的参数设置和正确的程序调试就能够获得较好的仿真结果，帮助学生切身地感受过电压的实际效果。

    学生采用仿真模拟的方式进行微课题研究时，仿真软件的熟练运用程度是微课题顺利进行的必要保障。通过查找文献资料，仿真软件运用熟练的学生能够快速、准确地建立微课题涉及到的过电压仿真模型，并且能够有条不紊地进行参数调试，能够较好地获得预期仿真结果。仿真软件的应用能够加深学生对过电压知识的理解，提升学生解决较复杂工程问题的能力。

    （五）建设网络教学平台

    我们通过超星网络教学系统建设了“电力系统过电压”课程的网络教学平台。该教学平台主要由课件、签到、作业、讨论和资料五个版块构成。在课件版块，我们主要提供课程教学的PPT课件，为学生的预习或复习提供参考。在签到版块，学生可以进行签到。该版块的作用是督促学生利用网络教学平台进行预习或复习。在作业版块，教师发布课后作业，并且让学生在规定的时间内提交作业。当达到规定时间，该版块会自动发布标准答案。每次作业设置一定的分值，学生按照作业完成质量获得相应的成绩。在讨论版块，学生可以与教师或者其他同学进行课程教学内容讨论，例如学生可以将微课题实施过程中有疑惑的地方与教师进行讨论，这样有利于加强学生与教师、学生与学生之间的交流。在资料版块，教师上传课程学习资源（包括仿真软件使用帮助、微课题相关文件和仿真程序等），学生能够方便地下载课程学习资料。

    虽然我们以课上教学为主体，但是该课程网络教学平台的建设是本课程的重要教学辅助工具。通过该教学平台，学生能够随时随地进行自主学习，掌握本课程的教学动态，满足其个性化的学习需求。

    三、结论

    本文坚持工程教育理念，通过多种途径对“电力系统过电压”课程进行了教学改革。教学改革体现了学生为中心，产出为导向的思想，能够激发学生学习主动性，锻炼学生的创新能力，加强学生的工程意识，培养学生解决复杂工程问题的能力，有助于提高教学质量，为高等工程教育的专业课程改革提供一定理论与实践参考。

    参考文献：

    [1]朱高峰.中国工程教育的现状和展望[J].高等工程教育? ? 研究，2011，（6）.

    [2]韩晓燕，张彦通，王伟.高等工程教育专业认证研究综述? ? [J].高等工程教育研究，2006，（6）.

    [3]刘胜辉，舒雅静，范蕊，等.高等工程教育人才培养质量? ? 监控与评价体系[J].科技与管理，2016，（1）.

    [4]吴秋凤，李洪侠，沈杨.基于OBE视角的高等工程类专业? ? 教学改革研究[J].教育探索，2016，（5）.

    [5]鲁铁成.电力系统过电压[M].北京：中国水利水电出版社，? ? ?2009，1-2..

    [6]韩永森，程嵩.基于微课题的《电力系统过电压》课程改革? ? [J].中国电力教育，2019，（10）.