面向新工科人才培養(yǎng)的“高電壓技術”課程教改與實踐

李 平，張宏亮，顧 軍，鄭曉亮

(1.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001；2.蘭州理工大學電氣與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

人才培養(yǎng)是大學的基本使命，本科教育是大學的根和本，在促進經(jīng)濟社會發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位.自2016 年“新工科”提出以來，教育部分別組織研討形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，標志著新工科建設的開始[1-3].進入21 世紀以來，新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢待發(fā)，新工科在新經(jīng)濟背景下應工程教育改革之需而生，給電氣工程及相關學科發(fā)展的提供了新的機遇.尤其是特高壓建設的提速，可以預見未來國家對高電壓的人才需求將越來越大.“高電壓技術”課程是電氣工程一級學科的重要組成部分，其主要課程體系包括高壓的產(chǎn)生、高壓試驗與高壓防護等方面.高電壓技術的應用范圍不斷拓展，在諸如脈沖功率及等離子體、航空航天、核能利用、材料改性、等離子體蝕刻、環(huán)境保護、生物醫(yī)學應用等多個領域交叉融合，具有鮮明的學科交叉特點和廣闊的應用前景.[4-5]

1 “高電壓技術”課程育人的目標要求

新工科要在培養(yǎng)學生科學的思維方法基礎上，注重學生綜合素質(zhì)培育，提升學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力.面向新工科背景下的育人要求，“高電壓技術”課程育人必須確立與課程教學目標相適應的育人目標和要求.

2.1 堅持立德樹人融入課程思政

進入新時代，培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人成為中國高等教育必須回答的根本問題，習近平總書記也特別強調(diào)課程思政是落實立德樹人根本任務的關鍵.“新工科”新時代育人內(nèi)涵著重對學生的綜合素養(yǎng)培育，尤其強調(diào)以立德樹人為引領，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型的工程人才[6].教師須將立德樹人貫徹到課堂教學中，培養(yǎng)熱愛祖國、遵紀守法、德才兼?zhèn)浜蜑樯鐣髁x建設服務的高級專門人才.要通過“高電壓技術”課程教學，弘揚我國高電壓技術領域建設取得的偉大成就；通過講解我國特高壓電網(wǎng)建設由“追隨”到“引領”的過程，培養(yǎng)學生的愛國主義情懷和民族自豪感.

2.2 建立以學生為中心的課程育人觀

要實現(xiàn)教學由教師主體到學生主體地位的意識轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)滿足社會需求導向的具體良好科學素養(yǎng)和了解行業(yè)動態(tài)的合格大學生.結(jié)合特高電壓技術方面的一些典型應用，將工程項目引入課堂教學中.在教學實踐中的答案是開放的、發(fā)展的，教師在進行教學時要注重學生個體認知水平和學習能力的差異，因材施教，使不同的人在學習、討論中獲得不同的發(fā)展.

現(xiàn)階段“高電壓技術”課程教學多以教師課堂講授專業(yè)知識為主，而與學生的互動交流相對較少，在知識體系的構(gòu)建和深化上還存在教學提升的空間.教師在教學過程中可適當調(diào)整課堂教學內(nèi)容，通過引入課堂小組討論及合作解決問題等方式，營造良好開放的教學環(huán)境；通過學生自主學習一些輕型高電壓技術的典型應用案例，促使學生主動參與、主動分析、主動解決問題，增強學生的團隊協(xié)作與獨立處理問題的能力.

2.3 拓展課程知識體系實現(xiàn)創(chuàng)新育人

教材出版與科技發(fā)展有時間差，現(xiàn)有教材中大多為傳統(tǒng)高電壓技術知識體系，教材內(nèi)容落后于技術創(chuàng)新的進程，對高電壓技術在新型行業(yè)發(fā)展應用介紹較少，存在專業(yè)技術人才培養(yǎng)與交叉學科創(chuàng)新型人才需求相脫節(jié)的現(xiàn)象.高電壓技術發(fā)展新領域的脈沖功率技術可獲得強脈沖電離輻射及強激光和高功率微波，已在核輻射效應模擬和慣性約束聚變研究等方面發(fā)揮十分重要的作用[7]，并在醫(yī)療、食品工業(yè)和生物工程中也得到應用，如利用高電壓技術產(chǎn)生的毫米波用于治療、用脈沖電場對牛奶和果汁進行消毒的效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的消毒方法、用脈沖電場聯(lián)合碳納米管可進行癌細胞殺傷等[8-11]，目前課程體系中缺乏對這些前沿性交叉學科成果的介紹.

近年來，高壓放電等離子體技術的發(fā)展迅速，國內(nèi)外研究者在等離子體產(chǎn)生、控制及應用等領域進行了大量探索.如，通過低溫等離子技術增強種子活性，促使種子增產(chǎn)、農(nóng)藥表面降解等[12]；在環(huán)境保護方面，利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體降解處理VOC 等[13-15]；在航空技術領域，等離子體技術應用主要包括等離子體電推進、點火助燃和流動控制等[16-19]；結(jié)合材料領域，通過等離子體進行石墨烯/碳納米管制備也取得了不錯的進展[20-21].高電壓靜電技術在環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、食品保鮮等多領域也得到廣泛應用，如通過高壓靜電場形成電暈，使氣體分子電離成正負離子，使粉塵、顆粒物依附其上，進而控制細顆粒物生成的靜電除塵技術[22].

如圖1 所示，高電壓新技術的應用領域已從傳統(tǒng)的電力行業(yè)拓展到多個學科、行業(yè)，具有鮮明的學科交叉特點.目前相關領域研究的科技前沿，亟須高電壓技術學科根據(jù)與相關行業(yè)的交叉研究，培養(yǎng)高電壓新技術應用的專業(yè)人才.但在當前的“高電壓技術”課程體系中卻較為缺乏新領域應用的相關論述，因此“高電壓技術”課程作為重要的專業(yè)課程有必要向前沿領域拓展，在教學過程中有必要補充更新部分內(nèi)容，以適應當前學科發(fā)展需求.

圖1 高電壓新技術及其應用

2.4 推進理論與實踐結(jié)合的系統(tǒng)育人

斯坦福大學的工程教育創(chuàng)新對我國“新工科”的建設有著深刻的啟示[23].斯坦福教育模式深受“工程教育的實踐意義”的深刻影響，即斯坦福大學的培養(yǎng)目標是“培養(yǎng)能將技術轉(zhuǎn)化為勞動生產(chǎn)力、合理想法應用于實踐，促進世界更好發(fā)展的人”.結(jié)合我國的教育及社會實踐要求，吸收“工程教育實踐意義”的內(nèi)涵，將理論與實踐相結(jié)合，即以理論知識為基礎、以解決實際問題為目標、以實踐為手段，作為學生科研生活和社會實踐中的行動指南.

采用輕型高電壓技術實驗裝置如介質(zhì)阻擋放電等離子體射流等工程應用實例，將課堂抽象的基礎理論用直觀案例展示出來，激發(fā)學生將理論與實踐相結(jié)合的志趣，結(jié)合學校、省級和國家級相關創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目參與，夯實學生的基礎課程知識，強化創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力.

3 “高電壓技術”課程教學改革的實踐路徑

安徽理工大學和蘭州理工大學均為區(qū)域高水平大學，電氣工程及其自動化專業(yè)均為國家一流本科，兩校學科歷史和沉淀厚重、學科結(jié)構(gòu)相似，兩校電氣工程教研室每學期通過網(wǎng)絡會議等方式不定期參加課程建設方面的教研活動，討論在教學中存在的問題，研究解決方案，不斷的改進教學方法.在前期教學探索的基礎上，按照圖2 的課程育人總體思路實施教學.

圖2 課程育人總體思路

“高電壓技術”課程在電氣工程學科的地位日益顯現(xiàn)，具有廣泛的應用前景和較高的技術經(jīng)濟效益.突出實踐在“高電壓技術”教學改革中的重要作用，以高電壓試驗視頻教學、引入計算高電壓工程學課程、將工程項目引入教學環(huán)節(jié)中為主要實踐措施.高電壓技術的綜合性、應用性和實踐性很強，實踐環(huán)節(jié)至關重要.利用現(xiàn)有條件，在“高電壓技術”的實踐環(huán)節(jié)中，不斷提高教學質(zhì)量，提高學生綜合分析和解決工程實際問題的能力，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，滿足人才市場日漸增長的需求.

3.1 利用高電壓試驗視頻教學加強學生實踐感知

“高電壓技術”課程試驗一般分為高電壓試驗和電氣絕緣試驗，高電壓技術試驗由于其特殊的自身特性，對試驗條件和外部環(huán)境要求較為嚴苛.試驗過程中易產(chǎn)生高壓、強磁場、大電流、弧光等物理現(xiàn)象，由于學生操作經(jīng)驗不足，加之高電壓技術試驗存在一定的人身安全局限[24]，因此，在實際課堂教學中，教師應多通過視頻綜合演示、虛擬現(xiàn)實技術等方式介紹高電壓操作規(guī)程國家標準，直觀展示試驗的流程與效果.加強學生對復雜危險的高電壓試驗場景的感知，鼓勵學生思索與提問；教師在這一過程中，扮演引導講解者的角色，大膽鼓勵學生思考自己在實際場景下的行為選擇，并根據(jù)教學材料中出現(xiàn)的關鍵場景或?qū)W生提出的問題進行重點講解，與學生相互交流討論，促進學生對理論知識的吸收與理解，提升課堂教學效果，加強實踐感知.

3.2 將計算高電壓工程學融入課程教學提升學生實踐能力

“高電壓技術”課程在實踐中面臨的問題通常是綜合性較強的復雜問題，學生在學習基礎理論知識的同時，應當具備相應的處理問題能力.利用應用數(shù)學和計算機科學解決或解釋高電壓工程實際問題的計算高電壓工程學(Computational High Voltage Engineering,CHVE)應運而生[25]，利用虛擬仿真軟件為載體的計算高電壓工程學與實體項目教學在實踐上擁有時間、空間等優(yōu)勢.因此，將COMSOL、ANSYS等多物理場仿真軟件引入高電壓技術教學，培養(yǎng)學生對知識發(fā)現(xiàn)和對問題解決的能力，有助于訓練學生的邏輯思維和探索精神，增強面對困難的自信心，以此養(yǎng)成良好的學習和科研習慣，并在教學過程中幫助學生構(gòu)建完善的知識體系及提高解決綜合問題的能力.

3.3 加大工程項目引入課堂教學力度

工程項目引入課堂教學實際上是在教師的指導下，將一個獨立完整的問題交給學生來解決，包括問題的提出、解決方案的設計及最終評價等.實踐的目的是以學生為中心、問題為導向，通過呈現(xiàn)情境，把理論和實踐緊密結(jié)合，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，從而掌握理論，形成觀點，提高能力.在理論與實踐相結(jié)合的理念下，學生通過獨立研究和相互討論的方式，進行工程項目實踐來提高學生分析問題和解決問題的能力.通過這樣的工程項目教學實踐，其意義在于通過展現(xiàn)層次豐富、角度不同、彼此之間有密切邏輯關系的事實，回答“為什么”和“怎么樣”的問題，而不是對“應該是什么”之類的問題做出簡單的判斷.傳統(tǒng)教學是實踐的基礎，而引入工程項目的實踐教學是對傳統(tǒng)課堂教學的一種有效補充，通過學生自學、互學和教師講授，多渠道學習，最終達到教學相長目的.

4 結(jié)語

面向高電壓絕緣技術的前沿熱點和行業(yè)發(fā)展，堅持立德樹人的育人原則，拓展課程知識體系，通過理論與實踐相結(jié)合，探索以學生為主體、教師為主導，研究式教學內(nèi)容為載體，引導學生主動探索和發(fā)現(xiàn)的研究性教學新模式，達到了提升課程教學內(nèi)涵建設質(zhì)量的課程建設目標.融入計算高電壓工程學，結(jié)合數(shù)值仿真技術，適當將工程項目引入教學過程，提升了學生的綜合能力，從而滿足“新工科”對人才培養(yǎng)的需求.