新工科背景下“电力系统保护与控制”课程教学改革

［摘 要］ “电力系统保护与控制”是电气工程及其自动化专业的核心课程，基于新工科背景，通过对该课程现状深入分析，发现其存在教材内容繁多且交叉、授课方式不够丰富、评价标准不够完善、立德树人环节较为薄弱等问题，从课程思政建设、教学手段和方法改进、考核评价方式制定以及加强校企联合培养四个方面提出了相应的措施进行改革创新，以提升学生的学习兴趣，培养学生专业知识融合、理论联系实际、分析问题、解决问题和创新的能力，并在传授专业知识的同时，实现对学生的价值引领。

［关键词］ 电力系统保护与控制；教学改革；能力培养

［基金项目］ 2022年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“新工科背景下电力系统保护与控制课程教学改革与实践”（HNJG-2022-0470）

［作者简介］ 孙妙平（1978—），女，湖南益阳人，博士，中南大学自动化学院副教授，主要从事电力系统保护与控制研究；万 辉（1974—），女，河南邓州人，硕士，中南大学自动化学院助理研究员（通信作者），主要从事计算机科学与技术、教育管理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）19-0005-04 ［收稿日期］ 2023-04-14

引言

“电力系统保护与控制”是电气工程及其自动化专业的核心课程，是一门理论性和实践性都很强的专业课。通过本课程的学习，学生了解和掌握了电力系统保护与控制的基本作用、基本概念、基本原理、基本构成、实现技术和工程应用等，学会用辩证统一的思想分析和解决问题，为学生从事电力系统保护、安全运行及电力工程设计或毕业后继续深造打下坚实的基础。

一、存在的问题

新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养多元化、创新型卓越工程人才［1-2］。以推进新工程建设与发展为目标，发现中南大学的“电力系统保护与控制”课程存在以下一些问题。

教学内容繁杂，既包含故障分析与短路计算，也包含硬件结构、数字算法和软件实现，还有正常运行与事故下的自动控制与装置等，主要内容应侧重于将电力系统继电保护技术最新原理、装置和相关整定计算有机结合到一起，使学生理解传统的保护原理和控制技术及其数字式保护与控制的软件实现，但该内容又与其他如“单片机原理与应用”“电气工程基础”和“电力系统分析”等课程有交叉和重复。

以教师讲授为中心的传统授课模式相对落后，教学主体单一，学生被动接受课程内容，学习积极性不高，授课课件内容以文字和推导公式为主，直观性较差。

课程偏向工科实践，实践、实验环节的训练能使学生更好地理解和掌握理论知识，但由于实验条件有限和实验安全问题，教学过程中不太重视实践能力的培养。

课程思政与思政课程要同向同行，如何在知识传授过程中融入课程思政是专业课必须思考的问题，但目前该环节较为薄弱，因此必须在“电力系统保护与控制”授课过程中，润物无声地融入思政育人点，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。

此外，作业+考勤+期末考试的考核方式不够完善，重结果，不能对学生整个学习过程中的学习状态和效果进行全方位的评价，还会导致学生自主性差，不利于能力的培养。

因此，为了促进新工科发展和建设，需对目前存在的问题进行深入剖析，采取有效举措，从内容、方法、实践和考核各环节进行改革创新。

二、改革举措

（一）开展全方位课程思政建设，落实立德树人

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人［3］。因此，不断提升自身的课程思政意识、素养和能力，在理论和实验环节深入挖掘本课程蕴含的思政元素，探讨专业知识点与中国电力企业文化和社会主义核心价值观等思政育人点的有机融合，将价值观的培育和塑造“基因式”地植入课程，将知识传授与价值引领相结合，寓道于教、寓德于教、寓教于乐，在向学生传授专业知识的同时，培养学生的爱国主义情怀、伦理意识、责任担当和工匠精神，把立德树人和教书育人落实在具体的教学实践中［4］。

思政映射与融入点主要包括：（1）通过图片或者视频播放，介绍贺家李、杨奇逊、沈国荣等前辈的成长成才经历和尖端成果，以及我国电力工业的发展历程及社会基础领域发展的变迁过程和伟大成就，坚定学生的专业自信和民族自信，提高学生的民族自豪感和从事专业科学研究的兴趣；分析和理解继电保护的四性，引入唯物辩证法，启发学生用辩证的观点分析问题，强化学生的科学价值观、唯物辩证思想和责任意识与担当精神。（2）讨论保护中分支系数的影响时，助增电流会使保护区缩小，引起拒动，外汲电流又使得保护区伸长，引起误动，所以保护装置必须考虑在最恶劣的情况下都能满足性能要求，由此引入习近平总书记指出的“坚持底线思维，做到居安思危、未雨绸缪”［5］，告诫学生要有忧患意识，人生路上总会遇到风险和挑战，要不懈追求，踏实肯干，才能下好先手棋，迎来新征程。（3）结合历史上一些著名的大停电事件，介绍为了电网安全，应对故障扰动的三道防线，让学生对电网安全有全面深刻的认识，增强课程自信，再对一些人为因素进行分析，培养学生严谨细致的工匠精神。（4）通过播放电力安全事故，讲解实验课的安全注意事项和分析影响实验数据准确性的因素等，进一步培养学生的安全意识，以及一丝不苟、科学严谨的科研态度和实事求是、“打破砂锅——问到底”的科学精神。（5）通过对自动装置原理的动作情况和动作顺序进行分析，培养学生的独立探索和合作精神，提高学生分析问题、解决问题的能力。

（二）采用多样化教学手段，提高教学效果

除了常规的PPT授课外，在教学过程中还应注重传递知识的多样性、学生实践能力和创新能力的培养，基于此，我们做了以下几点改革。

1.“电力系统保护与控制”课程涉及大量的概念介绍、保护原理分析和控制过程分解，具有学习难度大、抽象且实践性强的特点，特别是我校由于多方面原因，先修课程“电力系统分析”只能同步授课，都安排在第六学期，使得学生对一些电气现象的结论难以理解。为了加强学生对原理的理解，提升学习兴趣，指导学生对一些知识点基于Matlab平台设计了图形用户界面，不仅加深了基础课程“系统仿真技术”在电力系统中的应用，还直观深刻地展示了电力系统运行，更有助于培养学生的创新探索能力，实现事半功倍的效果。

2.本课程内容多，教学时既要精选经典教学内容，又要反映电力系统保护与控制原理和技术的最新成果和发现，且本课程与“单片机原理与应用”“电气工程基础”和“电力系统分析”等课程有交叉和重复，为了保证课程内容的完整性，又不重复讲授，教师可以在课程群里发布带标注的课件供学生复习或回顾，并布置一些课程融合的探究项目，如准同期并列模拟装置的设计、数字式电流保护装置的设计、励磁系统稳定器的仿真与分析、电力经济调度算法设计与仿真等，要求学生分组完成。学生分工合作完成项目任务，期末再验收并纳入平时成绩考核，完成较好的小组在课堂上分享项目经历，同时解答其他学生的疑问。这样，既能使学生深入掌握相关前沿知识或技术，培养查阅资料和知识综合运用的能力、创新实践能力和解决工程问题的能力，又能提升学生的专业自信，提高学习兴趣和学习主动性，增强沟通和合作能力［6-7］。

3.对比式教学法贯穿全课程，通过新旧事物之间的联系，帮助理解新知识。例如，讨论电力系统频率及有功功率的自动调节时，与无功及电压控制进行对比；学习发电机保护时，与电力变压器保护的学习方法对比；讲解三段式距离保护的整定时，与三段式电流保护的整定方法进行对比等。通过对比教学，找出他们之间的共性和个性、联系与区别，激发学习兴趣，增强学生对知识点的理解和巩固［8］。

4.由于本课程实践性很强，因此，在教学过程中，将课程知识点与实践联系起来，讲解一些现场获取的实物照片或者播放一些相关的视频资料，激起学生的求知欲和好奇心；以图片或视频的形式展示工程实物或工作情况，让学生在课堂上获取更多的实际内容，帮助他们更加生动形象地了解理论知识，更好地培养其理论联系实际的能力和终生自主学习能力［9］。

此外，在讲解《继电保护》章节时，让学生围绕五个方面开展：（1）保护原理，即如何甄别区内区外故障和正常运行状态；（2）接线形式，即互感器和继电器如何连接；（3）继电器参数整定和保护装置的灵敏度校验，即如何处理好保护选择性、速动性、可靠性和灵敏性的辩证统一关系；（4）保护的实现，即保护装置的介绍；（5）在使用过程中可能遇到的问题及解决措施。帮助学生有效构建知识体系。每章结束时，还会要求学生整理知识点，绘制思维导图，对所学知识进行记录和储存。这样，学生的学习就有目标和方向，思路也很清晰，学习起来有动力，学习效率更高。

（三）利用校外联合培养基地，加强校企合作

中南大学自动化学院历来重视校企联合人才培养，积极加强校企联合育人，以企业需求为导向，以学校和企业共同参与人才培养为宗旨，以培养学生的工程意识和工程实践能力为目标，将企业一线需求信息和科技开发与应用成果引入电气工程及其自动化专业教学中，使课程与内容更具先进性、应用性和针对性。通过多年探索与实践，在电气专业形成了涵盖电力系统发电、输电、变电、配电、用电以及电气设备生产制造等各环节的完成实训链。

继电保护和自动控制是保障电力系统安全稳定运行的重要手段，随着电子技术、计算机技术、网络通信技术和智能电网技术的快速发展，电力系统的保护与运行控制技术正在突破传统的技术框架和分工模式，向着相互融合与一体化发展。利用到国网湖南省电力公司星沙培训分中心为期7天的生产实习，让学生进一步了解正在使用的电力系统保护与控制装置和设备，包括对全网系统实时监控和必要干预的调度自动化系统、快速切除系统任何部位发生故障的继电保护系统、严重故障切除后能维持系统安全稳定运行的区域安全稳定控制系统、系统稳定性遭受破坏时避免长时间大面积停电实施紧急控制的就地稳控系统等［10］，以110 kV东升变电站为专题进行继电保护、调度自动化、变电运行、变电检修和电气试验的实操实训和讲解培训，通过沙坪与鼎功两座超高压500 kV变电站和祁韶直流输电±800 kV特高压韶山换流站的参观学习，学生不仅全面了解了实际生产现场保护与控制装置的重要性、运行和使用情况，增强感性认识和学习兴趣，学以致用，还锻炼了动手操作能力，提高专业素质、工程实践能力和创新能力，提升多主体协同育人效果。

（四）采用多元化考核方式，注重能力评价

在教学改革中，考核与评价方式应全面准确，考核不仅要关注学生的理论知识水平，更要对学生的创新能力和问题分析能力进行考核。因此，在新版培养大纲修订中，加强实践、项目环节和互动环节的考核，采用多元化方法检测学习效果，主要为：期末考试占总成绩的60%，增加结合工程案例的综合分析题，从理论应用角度更好地考核学生的综合分析能力；平时成绩占总成绩的40%，除了平时作业、考勤和实验及实验报告外，增加课堂教学互动和项目完成度的考核，考勤和互动占10%，主要考核出勤率、课堂活跃度、课堂内容的质疑、答问准确性和思维导图；作业占10%，主要考核作业是否按期提交、作业完成度、知识点的理解和掌握度、结果的正确性；探究式项目占10%，主要考核任务难度、完成度、答辩效果和报告质量；实验及分析占10%，主要考核对实验内容的理解与运用能力和采用现代工具及科学方法进行研究的能力以及实验报告中对实验结果的分析。

结语

着眼于提升学生的学习兴趣，培养学生的专业知识融合，理论联系实际，分析问题、解决问题和创新能力，实现对学生的价值引领。本文深入剖析了“电力系统保护与控制”课程的现有问题，从课程思政建设、教学手段和方法改进、考核评价方式制定和加强校企合作四个方面提出了相应的措施进行改革创新，教学实践和探索表明取得了较好的教学效果。今后还要在制作优秀课件、开展线上线下相结合的教学方式［11］、加强实践教学等方面下功夫，力求更好地提高教学效果。