《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)的初步探索與實(shí)踐

吳淑群　武菲　江軍　張潮海

摘? 要：高電壓技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課。為了完善南京航空航天大學(xué)電氣工程學(xué)科，結(jié)合航空航天民航“三航”特色，首次開(kāi)設(shè)了面向本科生的《高電壓技術(shù)》課程，且對(duì)該課程進(jìn)了初步探索與實(shí)踐。該文立足于航空特色的本科生教學(xué)，以培養(yǎng)復(fù)合型電氣工程專(zhuān)業(yè)人才為目的，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考核方法和教學(xué)效果反饋與改進(jìn)方面對(duì)該課程的本科教學(xué)進(jìn)了初步探索，為南京航空航天大學(xué)高電壓與絕緣二級(jí)學(xué)科的建立與發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高電壓技術(shù)? 航空航天? 課程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（b）-0111-03

Abstract： High voltage technology is an important professional course of electrical engineering and automation. In order to perfect the subject of the electrical engineering in Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， combining with aerospace aviation "Sanhang" characteristics， the curriculum of "high voltage technology" is offered for the first time for undergraduates， and carried on the preliminary exploration. Based on the undergraduate teaching with aviation characteristics， this work is aimed to cultivate professional talents in the field of electrical engineering. From the aspects of the content， teaching methods， teaching assessment methods， teaching feedback and further improvement， the course of "high voltage technology" is explored initially， which lays the foundation for the establishment and the development of the secondary subject of the high voltage and insulation in Nanjing University of Aeronautics & Astronautics.

Key Words： High voltage technology; Aeronautics and astronautics; Course teaching

高電壓與絕緣學(xué)科是電氣工程專(zhuān)業(yè)的一個(gè)二級(jí)學(xué)科，《高電壓技術(shù)》課程是該二級(jí)學(xué)科的核心基礎(chǔ)課程之一。國(guó)內(nèi)多所電氣領(lǐng)域較強(qiáng)的院校，如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和重慶大學(xué)等，都開(kāi)設(shè)了《高電壓技術(shù)》課程，并已形成較為完備的電氣工程學(xué)科體系。近年來(lái)，這些高校抓住了我國(guó)電網(wǎng)大力發(fā)展特高壓輸電工程的戰(zhàn)略需求，為我國(guó)電網(wǎng)輸送了大量專(zhuān)業(yè)人才。南京航空航天大學(xué)是一所具有航空航天鮮明特色的工科院校，并較早開(kāi)設(shè)了電氣工程專(zhuān)業(yè)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，南京航空航天大學(xué)電氣工程學(xué)科取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，其中電力電子與電力傳動(dòng)、電機(jī)與電器二級(jí)學(xué)科走在了全國(guó)前列。然而，由于種種原因，各個(gè)二級(jí)學(xué)科的發(fā)展并不均衡，特別是高電壓與絕緣學(xué)科還未建立，這嚴(yán)重制約了南京航空航天大學(xué)電氣工程一級(jí)學(xué)科的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。為了完善與壯大南京航空航天大學(xué)電氣工程學(xué)科、培養(yǎng)復(fù)合型專(zhuān)業(yè)人才，有必要開(kāi)設(shè)《高電壓技術(shù)》課程及進(jìn)行探索實(shí)踐。

我國(guó)的《高電壓技術(shù)》課程起始于20世紀(jì)50年代，主要面向電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，在電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科培養(yǎng)方案中將該課程列為電氣工程核心課程中的必修課程[1，2]。該課程理論性和實(shí)踐性都比較強(qiáng)，內(nèi)容主要涉及4個(gè)方面：固、液、氣三類(lèi)電介質(zhì)的放電理論，電氣特性和耐壓絕緣試驗(yàn)，輸電線路和繞組中波過(guò)程。雷電和操作過(guò)電壓及保護(hù)。內(nèi)容十分豐富，是電氣工程技術(shù)人才必備的專(zhuān)業(yè)技能之一，更是從事高電壓輸電工程應(yīng)用的一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)。傳統(tǒng)高電壓技術(shù)主要是立足于研究電力系統(tǒng)過(guò)電壓，以便合理確定其絕緣水平[3-5]。2001年，西安交通大學(xué)的邱毓昌教授探討了面向21世紀(jì)的高電壓技術(shù)課程，回顧了高電壓技術(shù)課程的由來(lái)，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外強(qiáng)電人才培養(yǎng)趨勢(shì)，分析了高電壓發(fā)展現(xiàn)狀，指出高電壓技術(shù)將在特高壓輸電工程得以大規(guī)模應(yīng)用，并且在許多非電力領(lǐng)域也將起到重要作用，如電磁兼容、航空航天技術(shù)中的絕緣故障、脈沖功率技術(shù)等[1]。2006年，西安交通大學(xué)的周利軍、吳廣寧和高波細(xì)致分析了“教、學(xué)、研”一體化的教學(xué)理念，闡述了如何實(shí)現(xiàn)與國(guó)外高校合作開(kāi)展課程教學(xué)工作和注重實(shí)踐、課內(nèi)外結(jié)合式教學(xué)手段，提出了采用多層次考核方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率[2]。2008年，南京工業(yè)大學(xué)的邵如平、方志、郝麗麗從課程特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面探索該課程的教學(xué)改革，以擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面和培養(yǎng)復(fù)合專(zhuān)業(yè)人才[3]。2012年，三峽大學(xué)的熊煒、粟世瑋針對(duì)《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng)、與實(shí)踐結(jié)合緊密等特點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本等問(wèn)題，研究如何在教學(xué)中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且教授學(xué)生如何從現(xiàn)象得到結(jié)論[4]。2014年，武漢大學(xué)的關(guān)偉民、藍(lán)磊針對(duì)《高電壓技術(shù)》課程的內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)際，充分利用學(xué)?，F(xiàn)有教學(xué)資源，因地制宜地對(duì)其課堂教學(xué)模式、教學(xué)方式和教學(xué)方法進(jìn)行一系列改革與實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果[5]。

然而，隨著高電壓技術(shù)在非電力領(lǐng)域應(yīng)用的拓展，特別是航空領(lǐng)域，展現(xiàn)系列重大工程應(yīng)用前景。如圖1所示，如飛行器防雷技術(shù)、飛行器靜電控制與防護(hù)、飛行器流動(dòng)控制與隱身技術(shù)等[6-9]。因此，有必要在傳統(tǒng)《高電壓技術(shù)》課程中添加航空元素，以適應(yīng)高電壓技術(shù)在航空領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，且充分體現(xiàn)南京航空航天大學(xué)特色。

基于上述原因，探索與實(shí)踐《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)，不僅有利于發(fā)展與壯大南京航空航天大學(xué)電氣工程學(xué)科，而且有助于培養(yǎng)復(fù)合型電氣工程專(zhuān)業(yè)人才。如圖2所示，該文將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考核方法和教學(xué)效果反饋與改進(jìn)方面進(jìn)行了探索。

1? 科學(xué)制定教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃

《高電壓技術(shù)》課程專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，所涉及的專(zhuān)業(yè)內(nèi)容十分龐雜，比如大學(xué)物理、電路、電力工程及電磁場(chǎng)等。因此，要求對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容必須進(jìn)行優(yōu)化，突出南京航空航天大學(xué)航空特色，讓學(xué)生抓住主要矛盾，掌握課程的核心知識(shí)點(diǎn)。將“高電壓”作為該課程的主要特色，將“髙電壓”與“絕緣”作為該課程要解決的主要矛盾，圍繞“特點(diǎn)”和“矛盾”來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容。其次，將高電壓技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的案例作為主要課題來(lái)進(jìn)行講解分析，不僅可以傳授高電壓技術(shù)發(fā)展的最新前沿，突出了航空航天特色，而且可以將基礎(chǔ)理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，做到有的放矢。例如，在傳授氣體放電基礎(chǔ)理論知識(shí)部分，結(jié)合最新高電壓技術(shù)將難懂的理論知識(shí)貫穿在航空應(yīng)用中，加深學(xué)生對(duì)該部分的理解和認(rèn)識(shí)。采用介質(zhì)阻擋放電電離空氣，在飛行器表面形成電離層，局部控制周?chē)鲃?dòng)，實(shí)現(xiàn)隱身、增升減阻效果。又如，在防雷部分，將飛行器的防雷當(dāng)成一個(gè)重要課題來(lái)進(jìn)行講解，結(jié)合傳輸線的波過(guò)程，讓學(xué)生了解飛行器防雷原理和相關(guān)措施，掌握飛行器雷電電荷釋放和電子設(shè)備電磁屏蔽的基本概念。最后，南京航空航天大學(xué)對(duì)高電壓技術(shù)課程設(shè)置32學(xué)時(shí)，不足以覆蓋高電壓技術(shù)教材的全部?jī)?nèi)容，必須通過(guò)對(duì)各個(gè)教學(xué)內(nèi)容和環(huán)節(jié)的合理分配學(xué)時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐內(nèi)容做到合理布局，讓學(xué)生能夠清晰地掌握整個(gè)課程的基礎(chǔ)與核心，以及各部分教學(xué)內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2? 綜合運(yùn)用多種現(xiàn)代教學(xué)手段

眾所周知，現(xiàn)代多媒體教學(xué)具有生動(dòng)形象、靈活、信息量大的突出優(yōu)點(diǎn)。為提高課堂教學(xué)質(zhì)量和講課效率，必須設(shè)計(jì)和建立一套較為完善的多媒體課件教學(xué)系統(tǒng)。但是，它也存在不足之處，如翻頁(yè)過(guò)快，學(xué)生來(lái)不及思考，概念不清晰。因此，必須恰當(dāng)使用多媒體課件，跟傳統(tǒng)講課方法有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得最佳授課效果。例如，對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)，適合在黑板上逐步推導(dǎo)，放慢節(jié)奏，有利于學(xué)生掌握概念和理論構(gòu)建方法。但對(duì)復(fù)雜的圖表、曲線、結(jié)構(gòu)、動(dòng)畫(huà)，以及某些視頻則必須用多媒體表現(xiàn)。講述時(shí)注意語(yǔ)速快慢變化，有節(jié)奏感，板書(shū)要簡(jiǎn)潔和清楚，才能充分體現(xiàn)講課藝術(shù)美感。綜合運(yùn)用不同的教學(xué)手段和方法，使授課變得精彩，讓學(xué)生始終緊扣教學(xué)內(nèi)容，輕松愉快地步步跟進(jìn)，對(duì)知識(shí)理解深透，記憶牢固。此外，高電壓技術(shù)具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，采用豐富的工程應(yīng)用實(shí)例講解抽象知識(shí)點(diǎn)，易于理解。例如，在講解提高氣體和液體擊穿電壓過(guò)程中，根據(jù)氣體的巴申定律，提高工作氣壓和采用強(qiáng)電負(fù)性氣體SF6，有助于增強(qiáng)氣體絕緣強(qiáng)度，并分析該原理如何應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)GIS設(shè)備中。

3? 形成較為完備的教學(xué)考核方法

《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)內(nèi)容龐雜，新概念較多，容易讓部分學(xué)生因概念難懂難記而產(chǎn)生畏學(xué)的心態(tài)。掌握新概念是學(xué)生學(xué)習(xí)新課程的第一道門(mén)檻，而往往是學(xué)生最為迫切解決的問(wèn)題，而這是無(wú)法通過(guò)閉卷考試能夠解決的。因此，除了常規(guī)的閉卷考試之外，在課程開(kāi)始部分，先采用集中練習(xí)的方式，設(shè)計(jì)5～10min的概念測(cè)試題，不僅可讓學(xué)生鞏理解新概念和新物理現(xiàn)象，而且可以增強(qiáng)師生互動(dòng)，活躍課堂氣氛。采用隨堂測(cè)試的方式，通過(guò)設(shè)計(jì)小題測(cè)驗(yàn)，有助于掌握重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，而且方便學(xué)生上課考勤。通過(guò)課后作業(yè)可以系統(tǒng)全面了解學(xué)生掌握知識(shí)情況，有助于安排答疑和調(diào)整教學(xué)策略。對(duì)每部分進(jìn)行合理的分配考核分?jǐn)?shù)比例，如可采用226的原則，即集中練習(xí)和隨堂測(cè)驗(yàn)占20%，課后作業(yè)占20%，閉卷考試占60%。采用多層次考核方式，靈活及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)鞏固掌握知識(shí)，提高教學(xué)效果。

4? 教學(xué)效果反饋與改進(jìn)

截止目前，選修《高電壓技術(shù)》課程的學(xué)生已覆蓋300余人，取得了較好的教學(xué)效果?！陡唠妷杭夹g(shù)》課程仍是南京航空航天大學(xué)開(kāi)設(shè)的一門(mén)新課程，根據(jù)學(xué)生的教學(xué)效果反饋來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)和進(jìn)一步持續(xù)改進(jìn)是教學(xué)探索與實(shí)踐的依據(jù)，是形成教學(xué)、考核、反饋、改進(jìn)的閉環(huán)教學(xué)過(guò)程的重要一環(huán)，是教好《高電壓技術(shù)》課程的重要保障。通過(guò)面對(duì)面談話(huà)、問(wèn)卷或網(wǎng)上交流的形式，獲得學(xué)生教學(xué)效果反饋意見(jiàn)。其次，南京航空航天大學(xué)教學(xué)督導(dǎo)組是由教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的名師組成，時(shí)常對(duì)新課程進(jìn)行隨堂聽(tīng)課，并提出寶貴的反饋意見(jiàn)，旨在提升青年教師的教學(xué)能力與教學(xué)效果。根據(jù)這些合理的意見(jiàn)，對(duì)該課程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，有意識(shí)地進(jìn)行調(diào)整和更新，不斷提高教學(xué)效果。最后，針對(duì)新課程、年輕教師，南京航空航天大學(xué)還時(shí)常組織教學(xué)沙龍和教學(xué)短期研修班等活動(dòng)，以育人為本為核心思想，積極交流教學(xué)心得，幫助進(jìn)一步完善教學(xué)方法和手段，掌握教學(xué)新理念和新方法。以上這些反饋與改進(jìn)為《高電壓技術(shù)》課程建設(shè)的持續(xù)完善提供了重要的指導(dǎo)。

5? 結(jié)語(yǔ)

《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)已在南京航空航天大學(xué)進(jìn)行初步探索與實(shí)踐，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）教學(xué)以工程應(yīng)用為目的，理論結(jié)合實(shí)際，以實(shí)際案例高度剖析“高電壓”與“絕緣”的矛盾體。

（2）以高電壓的前沿科技動(dòng)態(tài)為引導(dǎo)，有目的精煉課程內(nèi)容，凸顯航空特色。

（3）增強(qiáng)師生互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是獲得良好教學(xué)效果的保證。

（4）教學(xué)效果反饋與改進(jìn)是提升教學(xué)能力和教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)。

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