面向新工科人才培养的“高电压技术”课程教改与实践

李 平，张宏亮，顾 军，郑晓亮

(1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001；2.兰州理工大学电气与信息工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

人才培养是大学的基本使命，本科教育是大学的根和本，在促进经济社会发展中具有重要的战略地位.自2016 年“新工科”提出以来，教育部分别组织研讨形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，标志着新工科建设的开始[1-3].进入21 世纪以来，新一轮科技和产业革命蓄势待发，新工科在新经济背景下应工程教育改革之需而生，给电气工程及相关学科发展的提供了新的机遇.尤其是特高压建设的提速，可以预见未来国家对高电压的人才需求将越来越大.“高电压技术”课程是电气工程一级学科的重要组成部分，其主要课程体系包括高压的产生、高压试验与高压防护等方面.高电压技术的应用范围不断拓展，在诸如脉冲功率及等离子体、航空航天、核能利用、材料改性、等离子体蚀刻、环境保护、生物医学应用等多个领域交叉融合，具有鲜明的学科交叉特点和广阔的应用前景.[4-5]

1 “高电压技术”课程育人的目标要求

新工科要在培养学生科学的思维方法基础上，注重学生综合素质培育，提升学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力.面向新工科背景下的育人要求，“高电压技术”课程育人必须确立与课程教学目标相适应的育人目标和要求.

2.1 坚持立德树人融入课程思政

进入新时代，培养什么人、怎样培养人、为谁培养人成为中国高等教育必须回答的根本问题，习近平总书记也特别强调课程思政是落实立德树人根本任务的关键.“新工科”新时代育人内涵着重对学生的综合素养培育，尤其强调以立德树人为引领，培养未来多元化、创新型的工程人才[6].教师须将立德树人贯彻到课堂教学中，培养热爱祖国、遵纪守法、德才兼备和为社会主义建设服务的高级专门人才.要通过“高电压技术”课程教学，弘扬我国高电压技术领域建设取得的伟大成就；通过讲解我国特高压电网建设由“追随”到“引领”的过程，培养学生的爱国主义情怀和民族自豪感.

2.2 建立以学生为中心的课程育人观

要实现教学由教师主体到学生主体地位的意识转变，培养满足社会需求导向的具体良好科学素养和了解行业动态的合格大学生.结合特高电压技术方面的一些典型应用，将工程项目引入课堂教学中.在教学实践中的答案是开放的、发展的，教师在进行教学时要注重学生个体认知水平和学习能力的差异，因材施教，使不同的人在学习、讨论中获得不同的发展.

现阶段“高电压技术”课程教学多以教师课堂讲授专业知识为主，而与学生的互动交流相对较少，在知识体系的构建和深化上还存在教学提升的空间.教师在教学过程中可适当调整课堂教学内容，通过引入课堂小组讨论及合作解决问题等方式，营造良好开放的教学环境；通过学生自主学习一些轻型高电压技术的典型应用案例，促使学生主动参与、主动分析、主动解决问题，增强学生的团队协作与独立处理问题的能力.

2.3 拓展课程知识体系实现创新育人

教材出版与科技发展有时间差，现有教材中大多为传统高电压技术知识体系，教材内容落后于技术创新的进程，对高电压技术在新型行业发展应用介绍较少，存在专业技术人才培养与交叉学科创新型人才需求相脱节的现象.高电压技术发展新领域的脉冲功率技术可获得强脉冲电离辐射及强激光和高功率微波，已在核辐射效应模拟和惯性约束聚变研究等方面发挥十分重要的作用[7]，并在医疗、食品工业和生物工程中也得到应用，如利用高电压技术产生的毫米波用于治疗、用脉冲电场对牛奶和果汁进行消毒的效果明显优于传统的消毒方法、用脉冲电场联合碳纳米管可进行癌细胞杀伤等[8-11]，目前课程体系中缺乏对这些前沿性交叉学科成果的介绍.

近年来，高压放电等离子体技术的发展迅速，国内外研究者在等离子体产生、控制及应用等领域进行了大量探索.如，通过低温等离子技术增强种子活性，促使种子增产、农药表面降解等[12]；在环境保护方面，利用介质阻挡放电产生低温等离子体降解处理VOC 等[13-15]；在航空技术领域，等离子体技术应用主要包括等离子体电推进、点火助燃和流动控制等[16-19]；结合材料领域，通过等离子体进行石墨烯/碳纳米管制备也取得了不错的进展[20-21].高电压静电技术在环境保护、医疗卫生、食品保鲜等多领域也得到广泛应用，如通过高压静电场形成电晕，使气体分子电离成正负离子，使粉尘、颗粒物依附其上，进而控制细颗粒物生成的静电除尘技术[22].

如图1 所示，高电压新技术的应用领域已从传统的电力行业拓展到多个学科、行业，具有鲜明的学科交叉特点.目前相关领域研究的科技前沿，亟须高电压技术学科根据与相关行业的交叉研究，培养高电压新技术应用的专业人才.但在当前的“高电压技术”课程体系中却较为缺乏新领域应用的相关论述，因此“高电压技术”课程作为重要的专业课程有必要向前沿领域拓展，在教学过程中有必要补充更新部分内容，以适应当前学科发展需求.

图1 高电压新技术及其应用

2.4 推进理论与实践结合的系统育人

斯坦福大学的工程教育创新对我国“新工科”的建设有着深刻的启示[23].斯坦福教育模式深受“工程教育的实践意义”的深刻影响，即斯坦福大学的培养目标是“培养能将技术转化为劳动生产力、合理想法应用于实践，促进世界更好发展的人”.结合我国的教育及社会实践要求，吸收“工程教育实践意义”的内涵，将理论与实践相结合，即以理论知识为基础、以解决实际问题为目标、以实践为手段，作为学生科研生活和社会实践中的行动指南.

采用轻型高电压技术实验装置如介质阻挡放电等离子体射流等工程应用实例，将课堂抽象的基础理论用直观案例展示出来，激发学生将理论与实践相结合的志趣，结合学校、省级和国家级相关创新创业项目参与，夯实学生的基础课程知识，强化创新精神和创新能力.

3 “高电压技术”课程教学改革的实践路径

安徽理工大学和兰州理工大学均为区域高水平大学，电气工程及其自动化专业均为国家一流本科，两校学科历史和沉淀厚重、学科结构相似，两校电气工程教研室每学期通过网络会议等方式不定期参加课程建设方面的教研活动，讨论在教学中存在的问题，研究解决方案，不断的改进教学方法.在前期教学探索的基础上，按照图2 的课程育人总体思路实施教学.

图2 课程育人总体思路

“高电压技术”课程在电气工程学科的地位日益显现，具有广泛的应用前景和较高的技术经济效益.突出实践在“高电压技术”教学改革中的重要作用，以高电压试验视频教学、引入计算高电压工程学课程、将工程项目引入教学环节中为主要实践措施.高电压技术的综合性、应用性和实践性很强，实践环节至关重要.利用现有条件，在“高电压技术”的实践环节中，不断提高教学质量，提高学生综合分析和解决工程实际问题的能力，培养高素质创新型人才，满足人才市场日渐增长的需求.

3.1 利用高电压试验视频教学加强学生实践感知

“高电压技术”课程试验一般分为高电压试验和电气绝缘试验，高电压技术试验由于其特殊的自身特性，对试验条件和外部环境要求较为严苛.试验过程中易产生高压、强磁场、大电流、弧光等物理现象，由于学生操作经验不足，加之高电压技术试验存在一定的人身安全局限[24]，因此，在实际课堂教学中，教师应多通过视频综合演示、虚拟现实技术等方式介绍高电压操作规程国家标准，直观展示试验的流程与效果.加强学生对复杂危险的高电压试验场景的感知，鼓励学生思索与提问；教师在这一过程中，扮演引导讲解者的角色，大胆鼓励学生思考自己在实际场景下的行为选择，并根据教学材料中出现的关键场景或学生提出的问题进行重点讲解，与学生相互交流讨论，促进学生对理论知识的吸收与理解，提升课堂教学效果，加强实践感知.

3.2 将计算高电压工程学融入课程教学提升学生实践能力

“高电压技术”课程在实践中面临的问题通常是综合性较强的复杂问题，学生在学习基础理论知识的同时，应当具备相应的处理问题能力.利用应用数学和计算机科学解决或解释高电压工程实际问题的计算高电压工程学(Computational High Voltage Engineering,CHVE)应运而生[25]，利用虚拟仿真软件为载体的计算高电压工程学与实体项目教学在实践上拥有时间、空间等优势.因此，将COMSOL、ANSYS等多物理场仿真软件引入高电压技术教学，培养学生对知识发现和对问题解决的能力，有助于训练学生的逻辑思维和探索精神，增强面对困难的自信心，以此养成良好的学习和科研习惯，并在教学过程中帮助学生构建完善的知识体系及提高解决综合问题的能力.

3.3 加大工程项目引入课堂教学力度

工程项目引入课堂教学实际上是在教师的指导下，将一个独立完整的问题交给学生来解决，包括问题的提出、解决方案的设计及最终评价等.实践的目的是以学生为中心、问题为导向，通过呈现情境，把理论和实践紧密结合，引导学生发现问题、分析问题和解决问题，从而掌握理论，形成观点，提高能力.在理论与实践相结合的理念下，学生通过独立研究和相互讨论的方式，进行工程项目实践来提高学生分析问题和解决问题的能力.通过这样的工程项目教学实践，其意义在于通过展现层次丰富、角度不同、彼此之间有密切逻辑关系的事实，回答“为什么”和“怎么样”的问题，而不是对“应该是什么”之类的问题做出简单的判断.传统教学是实践的基础，而引入工程项目的实践教学是对传统课堂教学的一种有效补充，通过学生自学、互学和教师讲授，多渠道学习，最终达到教学相长目的.

4 结语

面向高电压绝缘技术的前沿热点和行业发展，坚持立德树人的育人原则，拓展课程知识体系，通过理论与实践相结合，探索以学生为主体、教师为主导，研究式教学内容为载体，引导学生主动探索和发现的研究性教学新模式，达到了提升课程教学内涵建设质量的课程建设目标.融入计算高电压工程学，结合数值仿真技术，适当将工程项目引入教学过程，提升了学生的综合能力，从而满足“新工科”对人才培养的需求.