“新工科”背景下工程學科專業課程的改革研究與實踐
——以“電力系統繼電保護”課程為例

廖美英

（綿陽師范學院機電工程學院，四川綿陽 621000）

0 引言

2017 年，教育部提出建設“新工科”人才培養模式［1］，要求從學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合、從適應服務轉向支撐引領［2-3］.在此理念指導下，改革專業課程教學方法，構建教學新形態勢在必行.傳統工程學科專業課程的教學注重課程知識傳授，實踐環節多以驗證知識為主，評價方式也較為單一，整體缺乏產業需求導向，難以支撐人才培養目標［4］.

針對以上問題，綿陽師范學院“電力系統繼電保護”課程教學團隊積極開展改革研究和探索.理論環節采用“課程思政全過程貫穿，教學方法并行結合，多學科知識綜合應用”等方式，循序漸進對學生進行啟發和引導；實踐環節采用“現場參觀、開放性仿真實驗”等路徑，持續鍛煉學生的工程設計思維.以過程評價、增值性評價和終結性評價相結合的方式開展課程考核，綜合評價學生課程目標達成情況，從而使學生達到企業的可用性，對社會的適應性，自身知識和能力的可拓展性的目標.

1 課程改革目標

“電力系統繼電保護”是一門典型的工科專業課程，其特點是理論和實踐結合緊密，面向電氣工程及其自動化專業本科三年級學生開設.在這一階段，學生已經建立了自然科學的知識基礎，對電力系統知識有了基本的了解，掌握了微機繼電保護中需要使用到的計算機基礎、C語言、單片機、信號分析與處理等專業基礎學科知識，具備一定的自主學習能力和探索意識，但還缺乏多學科知識系統性應用的經驗，也缺乏解決實際工程問題的思維方式.因此如何讓教學內容更好地根據現代技術發展及行業實際需求情況不斷與時俱進，如何更有效地培養學生實踐創新能力及工程思維，一直是課程面臨的重點和難點問題.

綿陽師范學院“電力系統繼電保護”課程改革以行業需求為導向，深入研究形成電力系統繼電保護相關的崗位職業能力需求，并將該需求與課程知識點相對應，挖掘課程中思政要素，融合多學科知識，改革評價方式，切實貫徹“以學生為中心”的教學理念，以產出為導向，使知識傳授與思想引領同步，實踐應用與理論知識同步，思維方式轉變與知識積累同步.

2 課程改革路徑

2.1 構建崗位職業能力需求與課程知識分解表

“學”與“用”脫節是傳統工程學科專業課程普遍存在的問題，因此，如何打通“學”與“用”之間的壁壘至關重要.以“電力系統繼電保護”課程為例，學生學習完本課程后，可以從事電力系統中各個環節的繼電保護方案設計、繼電保護裝置的設計開發、繼電保護裝置的運行維護等工作.傳統教學以繼電保護系統的原理講授和驗證為主，學生上完課程后，掌握了課程要求相關的基本知識，通過了課程考核，但對社會中哪些崗位需要這些知識沒有清晰的認識，對相關崗位的知識和技能要求也缺乏了解.因此，出現了相當一部分學生認為課堂知識無用，而相關用人單位又認為學生掌握的知識、能力與崗位需求匹配性不夠的問題.為了更好地服務“新工科”背景下的人才培養目標，課程團隊通過調查研究相關企業的崗位職責，對照《繼電保護員國家職業標準》及《繼電保護工職業技能鑒定規范》，形成了職業能力需求，并將其與課程知識相對應，同時結合行業發展導向和趨勢，形成了職業能力需求與課程知識分解表，以確保課程教學內容適應行業需求，讓學生能更直觀理解“學以致用”的目標.分解表部分內容如表1所示.

表1 電力系統繼電保護職業能力需求與課程知識分解表（節選）Tab.1 Power System relay Protection vocational ability Requirements and curriculum knowledge breakdown table（excerpt）

2.2 優化課程資源，保障實踐環節

課程資源是課程的核心組成部分.隨著科學技術的飛速發展，我國工程學科專業課程普遍存在教材更新速度滯后于工程實踐應用技術發展的現狀.因此，依靠單一教材進行教學已難以滿足當代社會對人才的需求.工程設計思維是新工科建設的核心思維，是蘊含于所有工科課程的跨學科思維［5］.傳統的工程學科專業課程教學中的實踐環節多以驗證性實驗為主，強調知識的鞏固，缺少對工程設計思維的訓練.“工程思維”就是“像工程師一樣思考”，特征是在面對具體問題時，能夠按照一定的邏輯順序去發現問題、分析問題、解決問題和反思問題［5］.“新工科”背景下的工程學科專業課程教學內容必須與時俱進，不斷優化更新，引入相應工程案例，鍛煉初步的工程思維.智能電網、能源互聯網等新型電力網絡的提出和發展促進了新技術在繼電保護領域的廣泛應用，傳統以基本保護原理為主的經典教材能深入淺出地闡述保護原理，但由于教材更新的時效性和嚴謹性，多學科融合訓練的內容更新滯后于工程應用實際.

為了與實際工程中的技術應用相匹配，課程團隊構建了“虛實結合、理實一體”的教學資源.一是優化教材選用，構建更加豐富的理論資源.選用含有微機保護相關內容的教材，結合工程應用案例、慕課平臺等優質網絡資源、國家職業標準及職業技能鑒定規范等，融合前置學科知識，既注重多學科融合也兼顧學生基礎，在理論教育環節適當增加了微機保護核心環節的實現方式相關的內容.二是多方面挖掘能利用的資源以支撐實踐教學環節.通過到500 kV 富樂變電站參觀學習，讓學生對所學理論知識的應用環境有直觀感性的認識.探索利用Simulink仿真平臺，開設開放性仿真練習環節.通過“真實場地+虛擬仿真”的虛實結合，讓學生既對知識的應用環境有感性認知也對知識在工程中的應用方法有初步體會.教學資源的構建堅持以學生為主體，以“學—練—用”的工程知識轉換為主要思路，以模塊化的理論知識為基礎，以項目化的工程需求為導向，以學生團隊開展設計和討論為實施路徑，以改變學生死記硬背知識的思維慣性和惰性，培養初步的工程設計思維為最終目標.三是通過教學反哺，不斷更新迭代數字化資源.在教師輔導學生開展實踐環節，尤其是仿真練習環節的過程中，優秀的學生仿真作品可作為后續課程教學中的教學資源使用，且相同練習題目通過多屆學生的積累，可使資源不斷細化和優化，為課程的進一步數字化、信息化改革打下良好的基礎.教學資源主要構成如圖1所示.

圖1 電力系統繼電保護教學資源構成圖Fig.1 Composition of teaching resources for power system relay protection

2.3 全面挖掘課程思政元素

“新工科”背景下的工程學科專業課程建設中，課程思政是必不可少的一個環節.工程學科的專業課程特點是應用性極強，與社會基礎設施、社會生產或人民生活息息相關，課程本身蘊含有豐富的思政要素［6］.因此在課程教學中，可以結合課程特點，從價值觀培養、工程師思維培養、職業道德建設等多個維度挖掘課程思政元素，并將其在各個教學環節融會貫通.但在工程學科中，由于教師本身的知識結構中人文知識相對較為欠缺，傳統的知識傳授思維也比較務實，側重于發現問題、解決問題的理性思維.思政元素的提取和融入對理工科教師而言存在一定難度，且思政元素與課程知識的融合深度不夠，通常顯得較為生硬和突兀，難以達到效果，甚至易引發學生的抵觸.因此如何深入分析課程知識點，結合課程的工程特色與國家發展過程中相關領域取得的重大成就，挖掘課程中蘊含的思政元素，切實將思政要素和課程的知識點深入結合，做到“潤物細無聲”是目前工程學科課程思政的重點和難點問題.

“電力系統繼電保護”課程本身就蘊含了社會民生保障行業相關的思政要素.課程團隊通過深入分析課程特點和知識點，設計了社會主義核心價值觀培養，正確的人生觀、世界觀、價值觀及良好的職業道德培養和工程思維培養三個課程思政模塊，每一個模塊用與之相關的知識內容相匹配，以實際工程案例為引導，讓學生在學習知識的過程中認識到工程應用的路徑，在工程案例的分析中領悟到職業道德和社會責任感的重要性，力求真正做到思政要素的自然融入.建設思路如表2所示.

表2 電力系統繼電保護課程思政模塊建設思路（節選）Tab.2 Ideas for Building Ideological and Political Module of Power System Relay Protection Course（Excerpt）

2.4 打造多學科知識融合應用的接口

從專業分割轉向跨界交叉融合是“新工科”背景下的專業課程需要解決的問題.傳統工程學科強調該領域的縱深研究，但隨著信息網絡等技術的發展，工程實踐中的問題往往已經難以依靠單一學科的知識進行解決，多學科融合發展是必然趨勢.

當前繼電保護行業已經全面采用微機保護的方式，微處理器及其外圍電路構成的微機系統取代了傳統依靠大量繼電器構成的系統，在微機保護系統中既遵循傳統的經典保護原理又針對傳統保護中的問題提出新的更為靈活的保護方式.在此背景下的電力系統繼電保護問題就不再是單純的保護原理問題，因此課程不僅需要完成繼電保護基本原理的教授，還要引導學生綜合應用C語言、單片機原理及應用、信號分析與處理等多個學科知識實現簡單的微機保護配合，并以此為接口，最終形成系統性“跨界交叉融合”的知識靈活應用思路.課程團隊在綜合分析課程目標和學生基礎及學習能力等情況后，通過“知識講解-例題講解-作業練習-仿真練習-翻轉課堂”的教學實施，循序漸進，既關注基礎知識的掌握情況，也關注學習過程中的提升情況和提出問題解決問題的能力，有效鞏固了學生的基礎知識，激發了學生的學習動力，提高了學生的動手能力、知識應用能力和團隊協作精神.

以圖2 所示單側電源供電線路相間短路故障的階段式電流保護教學為例，首先讓學生理解該保護在工程實踐中的應用場合，然后講授保護配置的基本原理和整定計算方法，在學生理解了分立的1/2/3 段保護原則的基礎上，討論保護在簡單系統中的配合方式，確保學生真正掌握階段式保護的構建原理.然后再引導學生通過回顧信號分析與處理、單片機原理及應用等前置課程知識，討論保護在微機保護中應如何實現，并通過對比引申出傳統繼電保護系統中存在的問題及其在微機保護中的解決路徑，引導學生進一步思索保護方法創新的可行性.同時安排專門的習題課，通過例題講解和課后作業鞏固所學知識.最后在仿真環節布置一個相關題目，讓一組學生自行搭建簡單系統的階段式電流保護，并開設翻轉課堂，讓該組學生進行原理和實現手段的演示及講解，讓其余學生提問并進行討論，加深學生對知識的理解和應用，引導學生進一步思索保護方法創新的可行性.

圖2 單側電源供電線路相間短路故障的階段式電流保護教學實施流程Fig.2 Implementation flow of phased current protection teaching for single-side power supply line interphase short circuit fault

2.5 改革課程評價體系

傳統的工程學科多以終結性評價為主，評價要素較為單一.根據新時代教育評價改革的指導思想要求，在人才培養過程中應嚴把質量關，應重視過程性評價和增值性評價.因此，在學校關于開展改革課程評價方式的指導意見下，課程團隊經過認真研究，將過程性評價的比例增加至50%，把課后練習、課堂筆記、課堂互動表現、分組仿真練習過程中的表現及成長、仿真設計報告質量、翻轉課堂的講解和答辯表現等更多內容納入過程評價，讓評價要素更為豐富.在教學大綱中確定各評價要素的評分標準，教師對照教學大綱中所規定的評分標準，通過平時作業批改、課堂筆記檢查、課堂互動情況記錄等書面記錄和仿真練習過程中的答疑指導等行為觀察情況綜合評價學生學習的過程和成長.同時為了確保培養質量，在評價中設置了一個期末考試分數合格的底線，低于底線則認為課程要求的基本知識掌握不合格，只有在課程知識掌握合格的基礎上再綜合考慮過程評價，以保障人才培養質量.

3 總結與展望

“新工科”背景下的工程學科專業課程的改革，需要緊扣本專業人才培養定位，深入分析用人單位需求，并結合課程自身特色和學生基本情況開展.以綿陽師范學院“電力系統繼電保護”課程為例，課程團隊通過改革研究與實踐，取得了一定成效.一方面，通過課程改革，激發了學生對于工程實踐應用的興趣.學生普遍反映仿真設計環節使其對簡單系統的設計開發有了基本認知，在發現問題和解決問題的過程中極大地鍛煉了動手能力、團隊分工協作能力，同時加深了對知識的理解.課程考核結束后，在2023年的畢業設計中，多名學生繼續深入研究繼電保護相關仿真，并設計出了較為成熟的仿真作品，1 名學生提出了對現有繼電保護實驗裝置的改進式開發設計.另一方面，課程改革促進了任課教師專業能力的提升.課程資源的開發促使教師去擴充自身的工程應用相關知識，開放性實踐環節的指導，要求教師在熟悉教材內容的基礎上，還必須更深入去理解電力系統的運行知識，教學過程對任課教師形成了“反哺”.

但是，課程改革過程中也暴露出了一些問題，主要體現在三個方面：一是目前教師團隊中僅部分教師有與課程相關的行業應用經驗，整體的繼電保護工程實踐經驗仍較為欠缺，與行業從業人員的交流不夠深入.二是課程部分內容涉及多學科知識的融合應用，要求學生要有一定的前置課程基礎，這就導致一部分基礎薄弱的學生畏難情緒較重，存在不愿學、學不懂的情況.三是課程評價中雖然要素較為全面，但過程評價中對作業和實驗報告等材料的依賴仍較多，動態評價仍以教師為主，衡量標準還需要進一步量化，課程思政效果的評價手段仍較為單一.在今后的教學中將進一步思考如何解決以上問題.