新工科背景下電氣類專業電場感知實踐教學體系研究

[摘" 要]我國電力行業快速發展，對電力技術人員的專業技能要求不斷增長，而目前電氣工程專業強電類的課程實踐環節較少，如何結合現有的教學和實踐平臺提高強電類課程教學效果、提升教學質量，是一個關系專業教育的長遠問題。通過搭建電工裝備電場感知實驗平臺，將圖像識別技術、電場仿真技術與測量傳感技術深度融合，構建高壓電場的虛擬仿真平臺，讓學生切實感知電場，理解電場帶來的影響；并探索一套教師、電力企業專家、學生等多主體參與、融合多學科技術的，且適應新工科與工程專業認證對人才培養要求的實踐教學體系。通過校企聯培機制，在電氣類學科搭建學生實驗平臺，為學生提供多元化、專業化實訓機會。在實踐教學中，通過引入“項目牽引式”教學策略，以改變傳統教學模式，讓學生切身參與到科研項目的設計、運作等各個實踐環節，著重引導并培養學生“敢闖會創”實踐精神，切實提高學生創新創業能力。

[關鍵詞]電工裝備" 電場感知" 新工科" 創新創業" 實踐教學

引" 言

習近平總書記強調，各級黨委和政府要高度重視技能人才工作，大力弘揚勞模精神、勞動精神、工匠精神，激勵更多勞動者特別是青年一代走技能成才、技能報國之路，培養更多高技能人才和大國工匠，為全面建設社會主義現代化國家提供有力人才保障。高校專業教育應立足國家發展大局，大力弘揚工匠精神，培養更多高素質技術技能人才，為全面建設社會主義現代化國家、實現中華民族偉大復興的中國夢提供有力人才和技能支撐。

“新工科”概念于2016年被首次提出，新工科專業是以智能制造、云計算、人工智能、機器人等用于傳統工科專業的升級改造。從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”，新工科的理念、內涵越來越明晰。以立德樹人為引領，以應對變化和塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合及協調與共享為主要途徑，培養多元化、創新型卓越工程人才，成為時代賦予新工科的內涵。

目前，實踐教學目前依然是高校人才培養過程中最薄弱的環節之一，加強創新實踐教學工作已經成為人才培養過程中亟待解決的問題。新工科建設是國家高等教育改革的重要舉措，其核心是加強校企合作，把行業崗位的能力知識技能要求與現階段高校的教學體系緊密結合起來，更加注重學生實踐能力的培養和提高，因而對實踐教學體系提出了更高的要求。

隨著智能電網、全球能源物聯網、泛在電力物聯網建設的大力推進以及交通運輸、電力電子等行業的高速發展，對電氣與信息結合的復合型人才的需求增長迅速，由此對電氣工程及其自動化專業提出了新的要求，需要培養一批專業融合、創新力強、未來能夠引領行業技術與經濟社會發展的高質量新型工程技術人才。然而，作為電氣工程及其自動化專業的核心課程，《高電壓技術》在教學中面臨著教學內容單一、考評模式局限性較強、無法適應新工科背景下的高電壓技術需求和對創新型人才的培養要求等問題。以《高電壓技術》課程最為核心的知識點“電場強度”為例，在現有的教學過程中僅僅靠講授向學生傳遞的電氣基礎知識，無法讓學生體會到高壓電場的危險，更不足以讓學生對“看不見摸不著”的電引起足夠的警惕，如何讓學生理解并應用于新型電工裝備的優化設計工作是《高電壓技術》課程的難題之一，但實踐教學中缺少針對帶電設備電場認知的實踐平臺和相應的《高電壓技術》課程教學體系。因此，亟須搭建一套與實際工況相近的教學實踐平臺，讓學生對電工裝備獲得更直觀深入的認識，同時還需要構建多主體參與、多技術融合等為特色的面向新工科背景的實踐教學體系。

課程教學中存在的問題

經過多年的發展，電氣工程學科取得了長足進步，然而電氣工程專業強電類課程教學中尚存在如下幾個方面的問題：

1.缺少讓學生感知電場的方法

電工裝備包括變壓器、開關柜、電容器、組合電器、斷路器、互感器、避雷器、發電機、調相機、電動機等，各個設備的穩定運行是電網安全運行的保障。各種電工裝備運行中可能會帶電，導致人觸電，甚至造成生命危險，但目前理論教學方式單一以及公式推導過程復雜，無法引起學生對高壓電場認知的濃厚興趣。因此對各帶電裝備的識別，進一步對電場進行感知顯得尤為重要，如怎樣才能讓學生識別哪些設備帶電，如何感受“看不見摸不著”的電，又有什么方法能讓學生將抽象的電場變成可以實際測量的？歸根結底，主要原因還是電氣學科現有的實踐教學中缺乏帶電裝備的識別途徑及電場感知的方法。

2.缺乏感知電場的實踐平臺

隨著我國輸電電壓等級的不斷提高，除了輸電線路周圍及電力設備內部的電場分布成為研究的重點，有關電力系統電磁兼容及電場生態環保效應的問題也越來越受到人們的關注。目前實驗室沒有關于電場感知的實踐平臺，導致學生無法真正理解電場的意義；為數不多實踐平臺不僅功能比較單一，而且沒有電力企業運行人員的參與，致使對于學生的實踐動手能力、創新能力培養不足。因此，必須結合實際情況，探索出一條深化產教融合、強化協同育人的有效途徑。

3.傳統教學實踐體系不能滿足新工科和專業認證對學生解決復雜工程能力問題的要求

隨著現代科技的進步，以計算機技術和網絡技術為代表的現代信息技術不斷發展，給人類社會進步帶來了巨大的機遇和挑戰，造成諸多傳統技術不斷發生變革，也包括電氣工程領域。電氣工程專業作為新工科重點建設專業群，尤為注重學生工程思維、實驗動手能力及實踐創新能力的培養。電氣工程專業實踐教學設備設施更新換代周期較長，出于安全考慮，學生很少能去工程現場實際進行實踐教學，電氣行業專家也不能參與到學生的實踐中。因此，亟須探索一套集教師、電力企業專家、學生多主體參與，融合多學科技術，切實提高學生識別、辨析和解決復雜工程問題能力，適應新工科對人才培養要求的實踐教學體系。

電工裝備電場感知實驗平臺搭建

1.電工裝備帶電識別方法與電場仿真平臺

由于安全問題以及場地限制等原因，國內各個電氣工程優勢學科院校所設本科生的強電類課程大多不涉及電工裝備電場實測實驗，學生缺乏對現場實際設備運行狀態的深入理解。

為補足實驗方面的不足之處，向電力行業輸送具有創新能力的實干型人才，應加強學生對電場的感知。通過與電力科學研究院、設備檢測中心、電力公司等企業單位保持密切聯系，讓各企業單位和研究機構提供各種電工設備的運行工況。通過產教研深度互動，培養本科生創新意識、創新方法和科研能力。

在電力工業中，電網運維過程中的帶電作業雖然保證了電網的不間斷運行，但相較于傳統的方法也增加了作業人員和機械設備的危險性，實時準確監測電場環境、在電場過強時對電力人員實時報警，對電力人員的安全具有重要的意義。

本文通過仿真平臺對電工裝備是否帶電進行了深入的研究，在仿真軟件中研究了人體靠近帶電的電工裝備時，周圍電場的變化情況，如圖1所示為均勻電場中人體周圍電場分布圖。從圖中可以看出，人體頭部、腳部、手部位置的電場畸變較大。相比于傳統的電場測量方法，虛擬仿真可以很精確地模擬工作人員靠近帶電設備時，人體周圍的電場分布情況。然而，尚需要進一步完善電場感知仿真平臺，才能使其更好地服務于教學實踐。

本實驗平臺將智能圖像識別技術應用于電工裝備的帶電預防中，可以很高效地識別出帶電設備。不同電壓等級的電工裝備絕緣要求不同，智能圖像識別技術主要應用于觀測絕緣子的數量，通過絕緣子的數目可以很方便地判斷出電工裝備的電壓等級，進而通過電場傳感技術判斷出電工裝備的帶電情況。

2.電場測量傳感實踐平臺

測量工頻電場的傳感器根據工作原理分為兩種，一種是感應電荷式，一種是光學式。光學式電場傳感器的傳感機理是基于晶體材料的物理特性，將高壓電信號轉化為光信號，再通過光電轉換器將光信號轉化為數字信號，從而實現電場的測量。光學式電場傳感器由于其造價昂貴、結構復雜，而且其晶體材料受到溫度影響較大，在便攜式預警領域使用較少。而感應電荷式電場傳感器結構較為簡單，在可穿戴式電場測量領域得到了廣泛的應用。

在電場仿真模擬的基礎上，搭建電場測量實驗系統，為了實現精確的電場測量，消除電場畸變及解決人體抖動帶來的電場測量不準確問題，擬通過在實踐平臺上完善電場測量傳感裝置的設計，并根據仿真結果提出電場測量校正方案（見圖2）。圖3為仿真獲得的無人和有人時空間電場的分布情況，由圖3可以看出，人體的加入會對電場產生影響，使得原電場增強，在不同的測量位置，對電場的影響程度也不一樣。但是在不同的電壓等級下，不管在哪一個測量點，受人影響的電場均與原電場成正比，說明人體對電場的影響是線性的，不會引起嚴重的非線性畸變。

在消除人體抖動帶來的電場測量不準確的問題方面，采用MPU6050六軸加速度計及陀螺儀傳感器用于檢測人體的姿態，進而對電場測量結果進行修正。通過該傳感裝置，可以加強學生對單片機、傳感器及硬件電路的進一步學習和理解。

3.課程設計融入思政元素，落實立德樹人根本任務

在課程改革設計中，緊緊圍繞國家發展需求，結合學校發展定位和人才培養目標，聚焦社會熱點與傳奇人物事跡，構建全過程、重實踐、強責任、揚精神的思政育人體系。通過課程學習，使學生掌握事物發展規律，豐富學識、增長見識、塑造品格。

授課過程中以大國工匠事跡為切入點，以行業高精尖技術人才為落腳點，進一步深化職業理想和職業道德教育，引導學生深刻理解并自覺實踐行業的職業精神和職業規范，增強職業責任感，培養遵紀守法、愛崗敬業、無私奉獻、誠實守信、開拓創新的職業品格和行為習慣。同時注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，切實落實落細立德樹人根本任務。

4.多主體參與的實踐教學體系

以“強化實踐、突出創新”的實踐教學理念，完善電氣工程專業實踐教學體系建設，構建具有“專業、學業”和“創新、創業”的學業發展規劃，使實踐教學內容和課程體系符合工程教育專業認證和“新工科”建設人才培養的內在需求和發展定位。以工程教育專業認證理念拓展實踐課程模塊把“雙創”教育融入實踐教學培養全過程中，推進學科知識交叉和專業技術拓展，強化崗位適應能力，夯實第一課堂專業能力培養，拓展第二課堂工程實踐能力培養，開展創新創業實驗實訓，提升學生實踐能力。與電氣學科企業導師深度合作，采用“雙教師”授課模式，在課程講述過程中交叉融入實踐感知、實訓交流等環節，使企業導師參與到電場感知實踐平臺的建設和教學體系的完善中，構建多主體參與的針對電場感知的實踐教學體系。電場感知實驗平臺總體設計框圖如圖4所示。

電工裝備電場感知工程實踐

1.利用仿真軟件夯實理論基礎

（1）驗證電場強度理論的基本原理

以COMSOL Multiphysics為例，學生利用COMSOL Multiphysics搭建絕緣子模型，并在物理場中施加相應的邊界條件，可以對絕緣子周圍的電場分布情況進行詳盡的仿真和分析。所以，針對新工科背景下的實踐教學體系，可以布置課下任務，任務要求為：

①熟悉COMSOL Multiphysics軟件，并繪制絕緣子模型；

②學習電場仿真的邊界條件，并理論分析絕緣子周圍的電場分布情況；

③仿真分析絕緣子周圍的電場分布情況，驗證仿真結果是否與理論分析一致；

④提交仿真總結報告一份。

通過對絕緣子周圍電場的仿真分析，學生既可以將理論與仿真有效結合，又可以生動直觀地理解電場概念和特征。

（2）通過仿真為實驗環節做鋪墊

高電壓技術實驗危險系數較高，操作難度大，學生難以在短時間內掌握實驗方法及要領，通過仿真可以讓學生提前了解到實驗中的現象，加深學生對實驗的理解。實驗過程中，通過實際操作進一步理解原理應用的具體內涵。

2.增強學生對現場環境的了解

在學校的理論教學中，學生很難了解到現場出現的電場特性，畢業后到工作現場從事相關工作時難以適應。通過仿真及電場感知實驗，觀察不同設備的電場分布特性，幫助學生了解工程實際中的電場問題及防護要求，提前了解并拓展工程思維。

《國家電網公司電力安全工作規程》（變電部分）（線路部分）（配電部分）（電工制造）（電網建設部分）規定了在各電壓等級下最小安全距離，而電場強度可以間接表征帶電作業的安全距離，因此，通過感知電場強度可以確定電工裝備是否帶電，在現場環境中，如果能有效地感知電場并根據電場強度數據判斷是否進入了安全距離的范圍內，對于現場作業人員的安全防護具有十分重要的意義。

結" 語

新工科背景下，《高電壓技術》課程不能僅僅停留在理論教學方面，還需結合工程實際問題，加入仿真和實驗環節，培養學生實踐動手能力。通過電場感知實驗平臺，能在增強師生互動、激發學生學習興趣的同時，切實提高育人實效。該實驗平臺將虛擬仿真與工程實踐相結合，將理論教學與實踐教學相結合，為探索新工科背景下電氣工程學科學生創新實踐能力培養模式提供支撐。

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