以學(xué)生為中心的高電壓實驗教學(xué)探討

劉 毅， 賀恒鑫， 李 化， 王 燕

(華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

0 引言

“新工科”建設(shè)、“卓越計劃”的陸續(xù)推出，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新性強(qiáng)、具有國際視野的高素質(zhì)專業(yè)人才與領(lǐng)軍人才。高電壓與絕緣技術(shù)是電氣工程的重要二級學(xué)科之一，已成為高端電氣裝備、國防安全與戰(zhàn)略能源安全等重要領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。高電壓工程往往伴隨著高電壓、大電流及強(qiáng)電磁，對人員的專業(yè)素養(yǎng)要求極高。相對于傳統(tǒng)的專業(yè)人才培養(yǎng)，卓越工程師應(yīng)具有大工程觀、多學(xué)科交叉意識與自主學(xué)習(xí)能力；應(yīng)該具有強(qiáng)烈的使命感，如家國情懷、創(chuàng)新、服務(wù)社會等，能夠靈活運用專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題；具備團(tuán)隊協(xié)作與工程管理能力。

為適應(yīng)新工科建設(shè)的需要，對高電壓實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源、教學(xué)模式及教學(xué)評價等進(jìn)行改革探索。實驗教學(xué)應(yīng)該堅持以學(xué)生為中心的原則，讓學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，以過程考核與學(xué)生能力提升作為教學(xué)評價的核心，打造一種以學(xué)生為中心、特色鮮明的高電壓實驗教學(xué)新模式。

1 高電壓實驗教學(xué)存在問題

學(xué)科特點決定實踐教學(xué)是高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的一個非常重要環(huán)節(jié)。而實驗教學(xué)是其中的重中之重，其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、評價機(jī)制等直接關(guān)系到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。高電壓實驗教學(xué)必須立足于學(xué)科前沿，著重培養(yǎng)學(xué)生具備從事強(qiáng)電工作的基本素養(yǎng)，鼓勵學(xué)生運用高電壓知識解決工程實際問題。加強(qiáng)學(xué)生對基本概念和基本原理的理解，尤其注重對科學(xué)研究方法和工程設(shè)計思路的訓(xùn)練。高電壓學(xué)科已與國家重大需求有機(jī)融合，實驗教學(xué)時要體現(xiàn)國家需求、科學(xué)前沿，培養(yǎng)學(xué)生家國情懷與職業(yè)規(guī)劃能力。

目前，高電壓實驗教學(xué)主要存在以下問題：①教學(xué)模式單一，采用教師“帶實驗”的教學(xué)模式，內(nèi)容、形式僵化，學(xué)生只需根據(jù)既定方案嚴(yán)格執(zhí)行操作步驟，缺乏學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新動力；②過于強(qiáng)調(diào)高電壓技術(shù)在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的應(yīng)用，缺少學(xué)科前沿與國防領(lǐng)域拓展，無法適應(yīng)寬口徑、創(chuàng)新能力突出、具有國際視野的人才培養(yǎng)目標(biāo)；③重復(fù)驗證性實驗多，創(chuàng)新性研究實驗缺乏，教學(xué)過程理論分析、知識交叉與思維活動訓(xùn)練不足，難以促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)；④實驗教學(xué)與課堂授課分離，甚至在不同學(xué)期開設(shè)，造成學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)脫節(jié)，無法實現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合；⑤缺乏職業(yè)規(guī)劃、愛國主義教育。高電壓技術(shù)在特高壓輸電、新概念武器、聚變新能源等國家安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，融合職業(yè)規(guī)劃、愛國主義教育具有明顯優(yōu)勢。

高電壓實驗教學(xué)與其它實驗課程類似，存在傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一些通病，但又存在其特殊性。高電壓學(xué)科的諸多知識點，比如電介質(zhì)的放電機(jī)理，仍在不斷研究完善當(dāng)中，難以通過軟件實現(xiàn)動態(tài)過程的精確模擬；高電壓的人身、設(shè)備安全防范措施，需要在實際實驗中鍛煉才能真正給學(xué)生留下深刻印象，難以通過虛擬仿真實現(xiàn)。因此，對于高電壓實驗教學(xué)仍需堅持“能實則實”、“虛實結(jié)合”的原則。其改革的目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，豐富學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力與職業(yè)規(guī)劃能力。必須堅持“學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體”。

2 以學(xué)生為中心的高電壓實驗教學(xué)

“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念主要包含三個方面的內(nèi)涵：①以學(xué)生發(fā)展為中心：以學(xué)生當(dāng)前狀態(tài)為基礎(chǔ)，以促進(jìn)其發(fā)展為目的，幫助學(xué)生發(fā)展其心智和大腦。②以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心：培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師是學(xué)習(xí)活動的設(shè)計者、學(xué)習(xí)環(huán)境的營造者、學(xué)習(xí)過程的輔導(dǎo)者。③以學(xué)習(xí)效果為中心：把學(xué)習(xí)效果作為判斷教學(xué)成效的主要依據(jù)，重視測量與反饋在學(xué)習(xí)中的作用，建立有效的、及時的反饋機(jī)制，幫助學(xué)生調(diào)整學(xué)習(xí)和教師改進(jìn)教學(xué)[4～6]。

堅持“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念對高電壓實驗教學(xué)進(jìn)行改革，教學(xué)內(nèi)容、模式與效果評價等均必須以落實三個內(nèi)涵為目標(biāo)，并分解到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，通過多個途徑和方法來達(dá)成目標(biāo)，并使得該目標(biāo)達(dá)成度可評價。基于“以學(xué)生為中心”的理念，對高電壓實驗教學(xué)課程改革進(jìn)行了探索。

2.1 優(yōu)化與拓展高電壓實驗教學(xué)的項目

“高電壓與絕緣技術(shù)”課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括三大部分，分別為電介質(zhì)的電氣特性、電氣設(shè)備絕緣試驗及電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合。課程的概念新且多，如電子崩、流柱、先導(dǎo)、雷電、波阻抗、波過程等。流柱、雷電等涉及微觀、宏觀多空間尺度和納秒到秒級多時間尺度，是教學(xué)過程中的難點與重點[1～3]。與課堂講授相比，學(xué)生對自主實驗獲得視覺沖擊的印象更深刻，能夠加深對概念的理解。但是電介質(zhì)放電過程對于觀測技術(shù)手段要求較高，普通實驗教學(xué)平臺只能獲取宏觀特性，無法反映擊穿的動態(tài)過程。此時結(jié)合本院先進(jìn)的電介質(zhì)放電研究平臺，開展科教融合演示實驗教學(xué)，前沿的研究方向可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，先進(jìn)的觀測手段和豐富的實驗現(xiàn)象可以引起學(xué)生的好奇心，同時可以鼓勵學(xué)生自主探索。因此，在教學(xué)項目上，可以實現(xiàn)實操實驗項目和科教融合演示項目的結(jié)合。如圖1所示，針對高電壓課程的特點與重要知識點，按照促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的原則，一共設(shè)置8個實操實驗項目與4個科教融合演示項目。

圖1 優(yōu)化后的高電壓實驗教學(xué)內(nèi)容

以氣體、液體和固體電介質(zhì)電擊穿的知識點為例，設(shè)置有氣體擊穿特性實驗，實驗難度保證學(xué)生團(tuán)隊可獨立完成，重點讓學(xué)生理解電場均勻程度等對擊穿電壓的影響規(guī)律，深入分析極不均勻電場下的極性效應(yīng)。同時設(shè)置有擊穿特性的科教融合演示實驗，通過高速攝像機(jī)等捕捉流柱的起始、發(fā)展等動態(tài)過程，為所學(xué)理論提供佐證。

在絕緣試驗部分，涵蓋絕緣性能試驗與耐壓試驗，包括工頻、直流、沖擊電壓與沖擊電流的產(chǎn)生方式。通過實驗深入了解結(jié)緣性能試驗與耐壓試驗的配合關(guān)系，具備工程應(yīng)用能力。絕緣配合部分重點設(shè)置2個實操實驗，包括導(dǎo)線的波過程、變壓器繞組的波過程，加深學(xué)生對波過程這一重要概念的理解。并且可以與理論計算進(jìn)行對比分析，加強(qiáng)學(xué)生的思維訓(xùn)練強(qiáng)度。

為拓寬學(xué)生視野，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不應(yīng)再拘泥于傳統(tǒng)領(lǐng)域，結(jié)合本系雄厚的科研實力，設(shè)置了脈沖功率電源、電磁發(fā)射技術(shù)2個科教融合演示實驗，能夠促進(jìn)學(xué)生了解國防，投身國防的熱情。

2.2 立體化的高電壓實驗教學(xué)資源

教師在高電壓實驗教學(xué)中更多扮演設(shè)計者、引導(dǎo)者和安全員的角色，提供豐富的實驗教學(xué)資源供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。教學(xué)團(tuán)隊針對圖1所示的教學(xué)內(nèi)容，對每個實操實驗均編制了實驗指導(dǎo)書和安全操作規(guī)范。

在實驗教學(xué)過程中，教師可以錄制標(biāo)準(zhǔn)操作視頻，特別強(qiáng)調(diào)操作規(guī)范與安全措施，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)。同時設(shè)置一系列思考題，引導(dǎo)學(xué)生思考實驗步驟設(shè)置的依據(jù)和安全措施的原理。針對科教融合演示實驗，提供參考文獻(xiàn)、研究背景、實驗平臺介紹等資料，供學(xué)生討論與自學(xué)。提供一線電力設(shè)備運維、試驗的視頻與相關(guān)資料，供學(xué)生了解實際工程應(yīng)用。整理收集往屆學(xué)生的優(yōu)秀實驗案例，供學(xué)生課下參考。立體化的教學(xué)素材為開展以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)奠定了資源基礎(chǔ)。

3 以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)方法

3.1 歸納思維教學(xué)模式

通過實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生主動和自主學(xué)習(xí)能力，要鼓勵學(xué)生在實驗過程中提出問題、大膽猜想、抽象概括、運用已學(xué)知識解釋現(xiàn)象、思考可能的應(yīng)用場景[7]。實驗教學(xué)過程中，應(yīng)充分考慮學(xué)生對需運用知識點的掌握情況，合理選擇教學(xué)模式，實施以提升學(xué)生能力為目標(biāo)的教學(xué)過程。如圖2所示，采用以學(xué)生為中心的歸納思維教學(xué)模式。強(qiáng)調(diào)教師布置學(xué)習(xí)任務(wù)并引導(dǎo)基本過程，促進(jìn)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作，自主記錄實驗數(shù)據(jù)并討論、整理，結(jié)合已學(xué)知識點和即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容開展團(tuán)隊合作探究，轉(zhuǎn)化為一般規(guī)律或概念，并最終學(xué)會處理或運用該概念。該模式可實現(xiàn)學(xué)生是真正的學(xué)習(xí)實體。

圖2 基于歸納思維模式的實驗教學(xué)過程

實驗過程中會獲得諸多的試驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，宜通過小組討論、組間展示等方式開展教學(xué)活動，類似“三明治”教學(xué)方法的部分環(huán)節(jié)，以求將多個小組的認(rèn)識點拓展到認(rèn)識面，實現(xiàn)對知識點的深入了解。實驗現(xiàn)象與理論相互佐證，歸納從特殊到一般，分析共同特征，從而得出結(jié)論或規(guī)律。比如在掌握氣體電介質(zhì)擊穿理論的基礎(chǔ)上，通過觀摩液體電介質(zhì)擊穿的放電實驗，引導(dǎo)學(xué)生將“純凈液體等效為高壓縮的氣體”，進(jìn)而結(jié)合觀測到的液體電擊穿過程圖像，得出純凈液體電擊穿的機(jī)理及過程，歸納出液體電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)高等規(guī)律。在觀察與思考過程中，不斷提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

教師引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中自主獲取知識，運用所學(xué)知識解決實驗中的問題，并拓展學(xué)生思考概念或知識點在實際電力設(shè)備中的應(yīng)用或潛在的應(yīng)用方向。在實驗教學(xué)上真正實現(xiàn)從“帶實驗”到“指導(dǎo)實驗”的轉(zhuǎn)變，從而提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

3.2 優(yōu)化實驗教學(xué)與課堂授課的銜接關(guān)系

“高電壓與絕緣技術(shù)”課程講授過程中，實驗教學(xué)與課堂授課合理銜接，能夠更靈活地選擇教學(xué)方法，使得實驗教學(xué)對學(xué)生來說，難度適中。實驗教學(xué)應(yīng)該穿插于課堂授課，其作用是促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對知識點的掌握。

以氣體電介質(zhì)的擊穿為例，學(xué)生接觸到大量新而難以理解的概念。氣體電介質(zhì)的擊穿過程受諸多因素影響，較為復(fù)雜。此時，宜先完成課堂授課，待完成課后作業(yè)后再開展實驗教學(xué)。通過實驗過程中的視覺沖擊和研討，能夠促進(jìn)學(xué)生對知識點的理解，并能靈活運用，解釋實驗現(xiàn)象。

而對于液體電介質(zhì)擊穿的教學(xué)，有了氣體電介質(zhì)的擊穿理論作為基礎(chǔ)，可以先開展實驗教學(xué)。如圖3所示，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象自主討論、歸納，通過充分的思維活動，自主掌握液體電介質(zhì)擊穿的機(jī)理及影響因素。教學(xué)反饋表明，學(xué)生能更好地掌握知識點，教學(xué)氛圍更活躍。

圖3 液體電介質(zhì)擊穿實驗的教學(xué)過程

因此，對于實驗教學(xué)與課堂講授要靈活穿插，讓學(xué)生在掌握前期課程的基礎(chǔ)上，通過自主學(xué)習(xí)能夠掌握更多的理論知識。讓學(xué)生內(nèi)心感覺到，學(xué)習(xí)能力的提升和知識的掌握都是一個“爬樓梯”的過程，既有挑戰(zhàn)，也能通過努力達(dá)成目標(biāo)。

在課程體系的完善上，可以進(jìn)一步考慮將高電壓生產(chǎn)實習(xí)、工程訓(xùn)練等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)與實驗教學(xué)、課程授課統(tǒng)籌規(guī)劃，真正實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”，“課堂上學(xué)習(xí)、歸納”，“在實踐中思考、應(yīng)用”，實現(xiàn)學(xué)習(xí)能力的提升。

3.3 細(xì)化實驗教學(xué)效果評價模式

把學(xué)習(xí)效果作為判斷教學(xué)成效的主要依據(jù)，注重分項目標(biāo)與過程的考核。基于布魯姆目標(biāo)分類學(xué)，教學(xué)環(huán)節(jié)分為三個部分。第一部分為課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，重點考核實驗準(zhǔn)備與小組協(xié)作情況，根據(jù)評價量表互評實驗方案得分，占考核成績的20%。第二部分為實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，團(tuán)隊協(xié)作完成實驗內(nèi)容，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析歸納。教師根據(jù)實驗環(huán)節(jié)團(tuán)隊與個人情況進(jìn)行評價，占考核成績的20%。第三個部分為實驗總結(jié)反思環(huán)節(jié)。采用“三明治”教學(xué)方法，經(jīng)過小組討論-小組展示-組間互評，得分占考核成績的30%。教師點評討論，引導(dǎo)反思，教師評分占考核成績的20%。作業(yè)得分占考核成績的10%。

細(xì)化實驗教學(xué)的評價體系，對各個環(huán)節(jié)的教學(xué)達(dá)成度進(jìn)行評估，教學(xué)效果反饋更加客觀。同時能夠培養(yǎng)學(xué)生客觀評價他人工作的能力，實現(xiàn)相互督促與勉勵。

3 結(jié)語

基于筆者所在高壓系的科研優(yōu)勢，對高電壓實驗的教學(xué)進(jìn)行了改革探索，更好地實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)。積極調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，將被動教育變成主動學(xué)習(xí)，在教學(xué)過程中重視思維活動，從而提高學(xué)生實踐能力，拓展學(xué)生的視野。