以学生为中心的高电压实验教学探讨

2021-04-13贺恒鑫

电气电子教学学报 2021年2期

刘毅，贺恒鑫，李化，王燕

(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430074)

0 引言

“新工科”建设、“卓越计划”的陆续推出，旨在培养创新性强、具有国际视野的高素质专业人才与领军人才。高电压与绝缘技术是电气工程的重要二级学科之一，已成为高端电气装备、国防安全与战略能源安全等重要领域发展的基础[1]。高电压工程往往伴随着高电压、大电流及强电磁，对人员的专业素养要求极高。相对于传统的专业人才培养，卓越工程师应具有大工程观、多学科交叉意识与自主学习能力；应该具有强烈的使命感，如家国情怀、创新、服务社会等，能够灵活运用专业知识解决复杂工程问题；具备团队协作与工程管理能力。

为适应新工科建设的需要，对高电压实验的教学内容、教学资源、教学模式及教学评价等进行改革探索。实验教学应该坚持以学生为中心的原则，让学生成为教学活动的主体，以过程考核与学生能力提升作为教学评价的核心，打造一种以学生为中心、特色鲜明的高电压实验教学新模式。

1 高电压实验教学存在问题

学科特点决定实践教学是高电压与绝缘技术专业人才培养的一个非常重要环节。而实验教学是其中的重中之重，其教学内容、教学形式、评价机制等直接关系到人才培养的质量。高电压实验教学必须立足于学科前沿，着重培养学生具备从事强电工作的基本素养，鼓励学生运用高电压知识解决工程实际问题。加强学生对基本概念和基本原理的理解，尤其注重对科学研究方法和工程设计思路的训练。高电压学科已与国家重大需求有机融合，实验教学时要体现国家需求、科学前沿，培养学生家国情怀与职业规划能力。

目前，高电压实验教学主要存在以下问题：①教学模式单一，采用教师“带实验”的教学模式，内容、形式僵化，学生只需根据既定方案严格执行操作步骤，缺乏学习兴趣和创新动力；②过于强调高电压技术在传统电力系统的应用，缺少学科前沿与国防领域拓展，无法适应宽口径、创新能力突出、具有国际视野的人才培养目标；③重复验证性实验多，创新性研究实验缺乏，教学过程理论分析、知识交叉与思维活动训练不足，难以促进学生主动学习；④实验教学与课堂授课分离，甚至在不同学期开设，造成学习环节脱节，无法实现二者的有机结合；⑤缺乏职业规划、爱国主义教育。高电压技术在特高压输电、新概念武器、聚变新能源等国家安全领域具有广泛的应用，融合职业规划、爱国主义教育具有明显优势。

高电压实验教学与其它实验课程类似，存在传统实验教学的一些通病，但又存在其特殊性。高电压学科的诸多知识点，比如电介质的放电机理，仍在不断研究完善当中，难以通过软件实现动态过程的精确模拟；高电压的人身、设备安全防范措施，需要在实际实验中锻炼才能真正给学生留下深刻印象，难以通过虚拟仿真实现。因此，对于高电压实验教学仍需坚持“能实则实”、“虚实结合”的原则。其改革的目标是激发学生的学习兴趣，促进学生自主学习，丰富学生视野，培养学生工程实践能力与职业规划能力。必须坚持“学生为学习的主体”。

2 以学生为中心的高电压实验教学

“以学生为中心”的教学理念主要包含三个方面的内涵：①以学生发展为中心：以学生当前状态为基础，以促进其发展为目的，帮助学生发展其心智和大脑。②以学生学习为中心：培养主动学习和自主学习能力，学生是学习的主体，教师是学习活动的设计者、学习环境的营造者、学习过程的辅导者。③以学习效果为中心：把学习效果作为判断教学成效的主要依据，重视测量与反馈在学习中的作用，建立有效的、及时的反馈机制，帮助学生调整学习和教师改进教学[4～6]。

坚持“以学生为中心”的教学理念对高电压实验教学进行改革，教学内容、模式与效果评价等均必须以落实三个内涵为目标，并分解到教学的各个环节，通过多个途径和方法来达成目标，并使得该目标达成度可评价。基于“以学生为中心”的理念，对高电压实验教学课程改革进行了探索。

2.1 优化与拓展高电压实验教学的项目

“高电压与绝缘技术”课程的主要教学内容包括三大部分，分别为电介质的电气特性、电气设备绝缘试验及电力系统过电压与绝缘配合。课程的概念新且多，如电子崩、流柱、先导、雷电、波阻抗、波过程等。流柱、雷电等涉及微观、宏观多空间尺度和纳秒到秒级多时间尺度，是教学过程中的难点与重点[1～3]。与课堂讲授相比，学生对自主实验获得视觉冲击的印象更深刻，能够加深对概念的理解。但是电介质放电过程对于观测技术手段要求较高，普通实验教学平台只能获取宏观特性，无法反映击穿的动态过程。此时结合本院先进的电介质放电研究平台，开展科教融合演示实验教学，前沿的研究方向可以激发学生的学习兴趣，先进的观测手段和丰富的实验现象可以引起学生的好奇心，同时可以鼓励学生自主探索。因此，在教学项目上，可以实现实操实验项目和科教融合演示项目的结合。如图1所示，针对高电压课程的特点与重要知识点，按照促进学生自主学习的原则，一共设置8个实操实验项目与4个科教融合演示项目。

图1 优化后的高电压实验教学内容

以气体、液体和固体电介质电击穿的知识点为例，设置有气体击穿特性实验，实验难度保证学生团队可独立完成，重点让学生理解电场均匀程度等对击穿电压的影响规律，深入分析极不均匀电场下的极性效应。同时设置有击穿特性的科教融合演示实验，通过高速摄像机等捕捉流柱的起始、发展等动态过程，为所学理论提供佐证。

在绝缘试验部分，涵盖绝缘性能试验与耐压试验，包括工频、直流、冲击电压与冲击电流的产生方式。通过实验深入了解结缘性能试验与耐压试验的配合关系，具备工程应用能力。绝缘配合部分重点设置2个实操实验，包括导线的波过程、变压器绕组的波过程，加深学生对波过程这一重要概念的理解。并且可以与理论计算进行对比分析，加强学生的思维训练强度。

为拓宽学生视野，实验教学环节不应再拘泥于传统领域，结合本系雄厚的科研实力，设置了脉冲功率电源、电磁发射技术2个科教融合演示实验，能够促进学生了解国防，投身国防的热情。

2.2 立体化的高电压实验教学资源

教师在高电压实验教学中更多扮演设计者、引导者和安全员的角色，提供丰富的实验教学资源供学生自主学习。教学团队针对图1所示的教学内容，对每个实操实验均编制了实验指导书和安全操作规范。

在实验教学过程中，教师可以录制标准操作视频，特别强调操作规范与安全措施，供学生提前预习。同时设置一系列思考题，引导学生思考实验步骤设置的依据和安全措施的原理。针对科教融合演示实验，提供参考文献、研究背景、实验平台介绍等资料，供学生讨论与自学。提供一线电力设备运维、试验的视频与相关资料，供学生了解实际工程应用。整理收集往届学生的优秀实验案例，供学生课下参考。立体化的教学素材为开展以学生为中心的实验教学奠定了资源基础。

3 以学生为中心的实验教学方法

3.1 归纳思维教学模式

通过实验教学培养学生主动和自主学习能力，要鼓励学生在实验过程中提出问题、大胆猜想、抽象概括、运用已学知识解释现象、思考可能的应用场景[7]。实验教学过程中，应充分考虑学生对需运用知识点的掌握情况，合理选择教学模式，实施以提升学生能力为目标的教学过程。如图2所示，采用以学生为中心的归纳思维教学模式。强调教师布置学习任务并引导基本过程，促进学生团队协作，自主记录实验数据并讨论、整理，结合已学知识点和即将学习的内容开展团队合作探究，转化为一般规律或概念，并最终学会处理或运用该概念。该模式可实现学生是真正的学习实体。

图2 基于归纳思维模式的实验教学过程

实验过程中会获得诸多的试验现象与数据，宜通过小组讨论、组间展示等方式开展教学活动，类似“三明治”教学方法的部分环节，以求将多个小组的认识点拓展到认识面，实现对知识点的深入了解。实验现象与理论相互佐证，归纳从特殊到一般，分析共同特征，从而得出结论或规律。比如在掌握气体电介质击穿理论的基础上，通过观摩液体电介质击穿的放电实验，引导学生将“纯净液体等效为高压缩的气体”，进而结合观测到的液体电击穿过程图像，得出纯净液体电击穿的机理及过程，归纳出液体电介质击穿场强高等规律。在观察与思考过程中，不断提高学生的自主学习能力。

教师引导学生在实验过程中自主获取知识，运用所学知识解决实验中的问题，并拓展学生思考概念或知识点在实际电力设备中的应用或潜在的应用方向。在实验教学上真正实现从“带实验”到“指导实验”的转变，从而提高学生的工程实践能力和创新能力。

3.2 优化实验教学与课堂授课的衔接关系

“高电压与绝缘技术”课程讲授过程中，实验教学与课堂授课合理衔接，能够更灵活地选择教学方法，使得实验教学对学生来说，难度适中。实验教学应该穿插于课堂授课，其作用是促进学生自主学习，加强对知识点的掌握。

以气体电介质的击穿为例，学生接触到大量新而难以理解的概念。气体电介质的击穿过程受诸多因素影响，较为复杂。此时，宜先完成课堂授课，待完成课后作业后再开展实验教学。通过实验过程中的视觉冲击和研讨，能够促进学生对知识点的理解，并能灵活运用，解释实验现象。

而对于液体电介质击穿的教学，有了气体电介质的击穿理论作为基础，可以先开展实验教学。如图3所示，引导学生根据实验现象自主讨论、归纳，通过充分的思维活动，自主掌握液体电介质击穿的机理及影响因素。教学反馈表明，学生能更好地掌握知识点，教学氛围更活跃。

图3 液体电介质击穿实验的教学过程

因此，对于实验教学与课堂讲授要灵活穿插，让学生在掌握前期课程的基础上，通过自主学习能够掌握更多的理论知识。让学生内心感觉到，学习能力的提升和知识的掌握都是一个“爬楼梯”的过程，既有挑战，也能通过努力达成目标。

在课程体系的完善上，可以进一步考虑将高电压生产实习、工程训练等实践教学环节与实验教学、课程授课统筹规划，真正实现“以学生为中心”，“课堂上学习、归纳”，“在实践中思考、应用”，实现学习能力的提升。

3.3 细化实验教学效果评价模式

把学习效果作为判断教学成效的主要依据，注重分项目标与过程的考核。基于布鲁姆目标分类学，教学环节分为三个部分。第一部分为课前预习环节，重点考核实验准备与小组协作情况，根据评价量表互评实验方案得分，占考核成绩的20%。第二部分为实验教学环节，团队协作完成实验内容，并进行数据分析归纳。教师根据实验环节团队与个人情况进行评价，占考核成绩的20%。第三个部分为实验总结反思环节。采用“三明治”教学方法，经过小组讨论-小组展示-组间互评，得分占考核成绩的30%。教师点评讨论，引导反思，教师评分占考核成绩的20%。作业得分占考核成绩的10%。

细化实验教学的评价体系，对各个环节的教学达成度进行评估，教学效果反馈更加客观。同时能够培养学生客观评价他人工作的能力，实现相互督促与勉励。