面向新工科人才培養(yǎng)的“高電壓技術(shù)”課程教改與實(shí)踐

李 平，張宏亮，顧 軍，鄭曉亮

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

0 引言

人才培養(yǎng)是大學(xué)的基本使命，本科教育是大學(xué)的根和本，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位.自2016 年“新工科”提出以來(lái)，教育部分別組織研討形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，標(biāo)志著新工科建設(shè)的開(kāi)始[1-3].進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢(shì)待發(fā)，新工科在新經(jīng)濟(jì)背景下應(yīng)工程教育改革之需而生，給電氣工程及相關(guān)學(xué)科發(fā)展的提供了新的機(jī)遇.尤其是特高壓建設(shè)的提速，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)國(guó)家對(duì)高電壓的人才需求將越來(lái)越大.“高電壓技術(shù)”課程是電氣工程一級(jí)學(xué)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(yàn)與高壓防護(hù)等方面.高電壓技術(shù)的應(yīng)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(hù)、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域交叉融合，具有鮮明的學(xué)科交叉特點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景.[4-5]

1 “高電壓技術(shù)”課程育人的目標(biāo)要求

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

2.1 堅(jiān)持立德樹(shù)人融入課程思政

進(jìn)入新時(shí)代，培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人成為中國(guó)高等教育必須回答的根本問(wèn)題，習(xí)近平總書(shū)記也特別強(qiáng)調(diào)課程思政是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的關(guān)鍵.“新工科”新時(shí)代育人內(nèi)涵著重對(duì)學(xué)生的綜合素養(yǎng)培育，尤其強(qiáng)調(diào)以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型的工程人才[6].教師須將立德樹(shù)人貫徹到課堂教學(xué)中，培養(yǎng)熱愛(ài)祖國(guó)、遵紀(jì)守法、德才兼?zhèn)浜蜑樯鐣?huì)主義建設(shè)服務(wù)的高級(jí)專門人才.要通過(guò)“高電壓技術(shù)”課程教學(xué)，弘揚(yáng)我國(guó)高電壓技術(shù)領(lǐng)域建設(shè)取得的偉大成就；通過(guò)講解我國(guó)特高壓電網(wǎng)建設(shè)由“追隨”到“引領(lǐng)”的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷和民族自豪感.

2.2 建立以學(xué)生為中心的課程育人觀

要實(shí)現(xiàn)教學(xué)由教師主體到學(xué)生主體地位的意識(shí)轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)滿足社會(huì)需求導(dǎo)向的具體良好科學(xué)素養(yǎng)和了解行業(yè)動(dòng)態(tài)的合格大學(xué)生.結(jié)合特高電壓技術(shù)方面的一些典型應(yīng)用，將工程項(xiàng)目引入課堂教學(xué)中.在教學(xué)實(shí)踐中的答案是開(kāi)放的、發(fā)展的，教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)要注重學(xué)生個(gè)體認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)能力的差異，因材施教，使不同的人在學(xué)習(xí)、討論中獲得不同的發(fā)展.

現(xiàn)階段“高電壓技術(shù)”課程教學(xué)多以教師課堂講授專業(yè)知識(shí)為主，而與學(xué)生的互動(dòng)交流相對(duì)較少，在知識(shí)體系的構(gòu)建和深化上還存在教學(xué)提升的空間.教師在教學(xué)過(guò)程中可適當(dāng)調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)引入課堂小組討論及合作解決問(wèn)題等方式，營(yíng)造良好開(kāi)放的教學(xué)環(huán)境；通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)一些輕型高電壓技術(shù)的典型應(yīng)用案例，促使學(xué)生主動(dòng)參與、主動(dòng)分析、主動(dòng)解決問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與獨(dú)立處理問(wèn)題的能力.

2.3 拓展課程知識(shí)體系實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新育人

教材出版與科技發(fā)展有時(shí)間差，現(xiàn)有教材中大多為傳統(tǒng)高電壓技術(shù)知識(shí)體系，教材內(nèi)容落后于技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)程，對(duì)高電壓技術(shù)在新型行業(yè)發(fā)展應(yīng)用介紹較少，存在專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)與交叉學(xué)科創(chuàng)新型人才需求相脫節(jié)的現(xiàn)象.高電壓技術(shù)發(fā)展新領(lǐng)域的脈沖功率技術(shù)可獲得強(qiáng)脈沖電離輻射及強(qiáng)激光和高功率微波，已在核輻射效應(yīng)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(yīng)用，如利用高電壓技術(shù)產(chǎn)生的毫米波用于治療、用脈沖電場(chǎng)對(duì)牛奶和果汁進(jìn)行消毒的效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的消毒方法、用脈沖電場(chǎng)聯(lián)合碳納米管可進(jìn)行癌細(xì)胞殺傷等[8-11]，目前課程體系中缺乏對(duì)這些前沿性交叉學(xué)科成果的介紹.

近年來(lái)，高壓放電等離子體技術(shù)的發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外研究者在等離子體產(chǎn)生、控制及應(yīng)用等領(lǐng)域進(jìn)行了大量探索.如，通過(guò)低溫等離子技術(shù)增強(qiáng)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(hù)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(shù)領(lǐng)域，等離子體技術(shù)應(yīng)用主要包括等離子體電推進(jìn)、點(diǎn)火助燃和流動(dòng)控制等[16-19]；結(jié)合材料領(lǐng)域，通過(guò)等離子體進(jìn)行石墨烯/碳納米管制備也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展[20-21].高電壓靜電技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品保鮮等多領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，如通過(guò)高壓靜電場(chǎng)形成電暈，使氣體分子電離成正負(fù)離子，使粉塵、顆粒物依附其上，進(jìn)而控制細(xì)顆粒物生成的靜電除塵技術(shù)[22].

如圖1 所示，高電壓新技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已從傳統(tǒng)的電力行業(yè)拓展到多個(gè)學(xué)科、行業(yè)，具有鮮明的學(xué)科交叉特點(diǎn).目前相關(guān)領(lǐng)域研究的科技前沿，亟須高電壓技術(shù)學(xué)科根據(jù)與相關(guān)行業(yè)的交叉研究，培養(yǎng)高電壓新技術(shù)應(yīng)用的專業(yè)人才.但在當(dāng)前的“高電壓技術(shù)”課程體系中卻較為缺乏新領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)論述，因此“高電壓技術(shù)”課程作為重要的專業(yè)課程有必要向前沿領(lǐng)域拓展，在教學(xué)過(guò)程中有必要補(bǔ)充更新部分內(nèi)容，以適應(yīng)當(dāng)前學(xué)科發(fā)展需求.

圖1 高電壓新技術(shù)及其應(yīng)用

2.4 推進(jìn)理論與實(shí)踐結(jié)合的系統(tǒng)育人

斯坦福大學(xué)的工程教育創(chuàng)新對(duì)我國(guó)“新工科”的建設(shè)有著深刻的啟示[23].斯坦福教育模式深受“工程教育的實(shí)踐意義”的深刻影響，即斯坦福大學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)是“培養(yǎng)能將技術(shù)轉(zhuǎn)化為勞動(dòng)生產(chǎn)力、合理想法應(yīng)用于實(shí)踐，促進(jìn)世界更好發(fā)展的人”.結(jié)合我國(guó)的教育及社會(huì)實(shí)踐要求，吸收“工程教育實(shí)踐意義”的內(nèi)涵，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，即以理論知識(shí)為基礎(chǔ)、以解決實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)、以實(shí)踐為手段，作為學(xué)生科研生活和社會(huì)實(shí)踐中的行動(dòng)指南.

采用輕型高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置如介質(zhì)阻擋放電等離子體射流等工程應(yīng)用實(shí)例，將課堂抽象的基礎(chǔ)理論用直觀案例展示出來(lái)，激發(fā)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合的志趣，結(jié)合學(xué)校、省級(jí)和國(guó)家級(jí)相關(guān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目參與，夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)課程知識(shí)，強(qiáng)化創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力.

3 “高電壓技術(shù)”課程教學(xué)改革的實(shí)踐路徑

安徽理工大學(xué)和蘭州理工大學(xué)均為區(qū)域高水平大學(xué)，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)均為國(guó)家一流本科，兩校學(xué)科歷史和沉淀厚重、學(xué)科結(jié)構(gòu)相似，兩校電氣工程教研室每學(xué)期通過(guò)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議等方式不定期參加課程建設(shè)方面的教研活動(dòng)，討論在教學(xué)中存在的問(wèn)題，研究解決方案，不斷的改進(jìn)教學(xué)方法.在前期教學(xué)探索的基礎(chǔ)上，按照?qǐng)D2 的課程育人總體思路實(shí)施教學(xué).

圖2 課程育人總體思路

“高電壓技術(shù)”課程在電氣工程學(xué)科的地位日益顯現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景和較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益.突出實(shí)踐在“高電壓技術(shù)”教學(xué)改革中的重要作用，以高電壓試驗(yàn)視頻教學(xué)、引入計(jì)算高電壓工程學(xué)課程、將工程項(xiàng)目引入教學(xué)環(huán)節(jié)中為主要實(shí)踐措施.高電壓技術(shù)的綜合性、應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)踐環(huán)節(jié)至關(guān)重要.利用現(xiàn)有條件，在“高電壓技術(shù)”的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生綜合分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，滿足人才市場(chǎng)日漸增長(zhǎng)的需求.

3.1 利用高電壓試驗(yàn)視頻教學(xué)加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐感知

“高電壓技術(shù)”課程試驗(yàn)一般分為高電壓試驗(yàn)和電氣絕緣試驗(yàn)，高電壓技術(shù)試驗(yàn)由于其特殊的自身特性，對(duì)試驗(yàn)條件和外部環(huán)境要求較為嚴(yán)苛.試驗(yàn)過(guò)程中易產(chǎn)生高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、大電流、弧光等物理現(xiàn)象，由于學(xué)生操作經(jīng)驗(yàn)不足，加之高電壓技術(shù)試驗(yàn)存在一定的人身安全局限[24]，因此，在實(shí)際課堂教學(xué)中，教師應(yīng)多通過(guò)視頻綜合演示、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等方式介紹高電壓操作規(guī)程國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直觀展示試驗(yàn)的流程與效果.加強(qiáng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)的高電壓試驗(yàn)場(chǎng)景的感知，鼓勵(lì)學(xué)生思索與提問(wèn)；教師在這一過(guò)程中，扮演引導(dǎo)講解者的角色，大膽鼓勵(lì)學(xué)生思考自己在實(shí)際場(chǎng)景下的行為選擇，并根據(jù)教學(xué)材料中出現(xiàn)的關(guān)鍵場(chǎng)景或?qū)W生提出的問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)講解，與學(xué)生相互交流討論，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的吸收與理解，提升課堂教學(xué)效果，加強(qiáng)實(shí)踐感知.

3.2 將計(jì)算高電壓工程學(xué)融入課程教學(xué)提升學(xué)生實(shí)踐能力

“高電壓技術(shù)”課程在實(shí)踐中面臨的問(wèn)題通常是綜合性較強(qiáng)的復(fù)雜問(wèn)題，學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)具備相應(yīng)的處理問(wèn)題能力.利用應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)解決或解釋高電壓工程實(shí)際問(wèn)題的計(jì)算高電壓工程學(xué)(Computational High Voltage Engineering,CHVE)應(yīng)運(yùn)而生[25]，利用虛擬仿真軟件為載體的計(jì)算高電壓工程學(xué)與實(shí)體項(xiàng)目教學(xué)在實(shí)踐上擁有時(shí)間、空間等優(yōu)勢(shì).因此，將COMSOL、ANSYS等多物理場(chǎng)仿真軟件引入高電壓技術(shù)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)發(fā)現(xiàn)和對(duì)問(wèn)題解決的能力，有助于訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維和探索精神，增強(qiáng)面對(duì)困難的自信心，以此養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)和科研習(xí)慣，并在教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生構(gòu)建完善的知識(shí)體系及提高解決綜合問(wèn)題的能力.

3.3 加大工程項(xiàng)目引入課堂教學(xué)力度

工程項(xiàng)目引入課堂教學(xué)實(shí)際上是在教師的指導(dǎo)下，將一個(gè)獨(dú)立完整的問(wèn)題交給學(xué)生來(lái)解決，包括問(wèn)題的提出、解決方案的設(shè)計(jì)及最終評(píng)價(jià)等.實(shí)踐的目的是以學(xué)生為中心、問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)呈現(xiàn)情境，把理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，從而掌握理論，形成觀點(diǎn)，提高能力.在理論與實(shí)踐相結(jié)合的理念下，學(xué)生通過(guò)獨(dú)立研究和相互討論的方式，進(jìn)行工程項(xiàng)目實(shí)踐來(lái)提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.通過(guò)這樣的工程項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐，其意義在于通過(guò)展現(xiàn)層次豐富、角度不同、彼此之間有密切邏輯關(guān)系的事實(shí)，回答“為什么”和“怎么樣”的問(wèn)題，而不是對(duì)“應(yīng)該是什么”之類的問(wèn)題做出簡(jiǎn)單的判斷.傳統(tǒng)教學(xué)是實(shí)踐的基礎(chǔ)，而引入工程項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的一種有效補(bǔ)充，通過(guò)學(xué)生自學(xué)、互學(xué)和教師講授，多渠道學(xué)習(xí)，最終達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)目的.

4 結(jié)語(yǔ)

面向高電壓絕緣技術(shù)的前沿?zé)狳c(diǎn)和行業(yè)發(fā)展，堅(jiān)持立德樹(shù)人的育人原則，拓展課程知識(shí)體系，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合，探索以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，研究式教學(xué)內(nèi)容為載體，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索和發(fā)現(xiàn)的研究性教學(xué)新模式，達(dá)到了提升課程教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)質(zhì)量的課程建設(shè)目標(biāo).融入計(jì)算高電壓工程學(xué)，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)，適當(dāng)將工程項(xiàng)目引入教學(xué)過(guò)程，提升了學(xué)生的綜合能力，從而滿足“新工科”對(duì)人才培養(yǎng)的需求.