以學生為中心的高電壓實驗教學探討

劉 毅， 賀恒鑫， 李 化， 王 燕

(華中科技大學 電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430074)

0 引言

“新工科”建設、“卓越計劃”的陸續推出，旨在培養創新性強、具有國際視野的高素質專業人才與領軍人才。高電壓與絕緣技術是電氣工程的重要二級學科之一，已成為高端電氣裝備、國防安全與戰略能源安全等重要領域發展的基礎[1]。高電壓工程往往伴隨著高電壓、大電流及強電磁，對人員的專業素養要求極高。相對于傳統的專業人才培養，卓越工程師應具有大工程觀、多學科交叉意識與自主學習能力；應該具有強烈的使命感，如家國情懷、創新、服務社會等，能夠靈活運用專業知識解決復雜工程問題；具備團隊協作與工程管理能力。

為適應新工科建設的需要，對高電壓實驗的教學內容、教學資源、教學模式及教學評價等進行改革探索。實驗教學應該堅持以學生為中心的原則，讓學生成為教學活動的主體，以過程考核與學生能力提升作為教學評價的核心，打造一種以學生為中心、特色鮮明的高電壓實驗教學新模式。

1 高電壓實驗教學存在問題

學科特點決定實踐教學是高電壓與絕緣技術專業人才培養的一個非常重要環節。而實驗教學是其中的重中之重，其教學內容、教學形式、評價機制等直接關系到人才培養的質量。高電壓實驗教學必須立足于學科前沿，著重培養學生具備從事強電工作的基本素養，鼓勵學生運用高電壓知識解決工程實際問題。加強學生對基本概念和基本原理的理解，尤其注重對科學研究方法和工程設計思路的訓練。高電壓學科已與國家重大需求有機融合，實驗教學時要體現國家需求、科學前沿，培養學生家國情懷與職業規劃能力。

目前，高電壓實驗教學主要存在以下問題：①教學模式單一，采用教師“帶實驗”的教學模式，內容、形式僵化，學生只需根據既定方案嚴格執行操作步驟，缺乏學習興趣和創新動力；②過于強調高電壓技術在傳統電力系統的應用，缺少學科前沿與國防領域拓展，無法適應寬口徑、創新能力突出、具有國際視野的人才培養目標；③重復驗證性實驗多，創新性研究實驗缺乏，教學過程理論分析、知識交叉與思維活動訓練不足，難以促進學生主動學習；④實驗教學與課堂授課分離，甚至在不同學期開設，造成學習環節脫節，無法實現二者的有機結合；⑤缺乏職業規劃、愛國主義教育。高電壓技術在特高壓輸電、新概念武器、聚變新能源等國家安全領域具有廣泛的應用，融合職業規劃、愛國主義教育具有明顯優勢。

高電壓實驗教學與其它實驗課程類似，存在傳統實驗教學的一些通病，但又存在其特殊性。高電壓學科的諸多知識點，比如電介質的放電機理，仍在不斷研究完善當中，難以通過軟件實現動態過程的精確模擬；高電壓的人身、設備安全防范措施，需要在實際實驗中鍛煉才能真正給學生留下深刻印象，難以通過虛擬仿真實現。因此，對于高電壓實驗教學仍需堅持“能實則實”、“虛實結合”的原則。其改革的目標是激發學生的學習興趣，促進學生自主學習，豐富學生視野，培養學生工程實踐能力與職業規劃能力。必須堅持“學生為學習的主體”。

2 以學生為中心的高電壓實驗教學

“以學生為中心”的教學理念主要包含三個方面的內涵：①以學生發展為中心：以學生當前狀態為基礎，以促進其發展為目的，幫助學生發展其心智和大腦。②以學生學習為中心：培養主動學習和自主學習能力，學生是學習的主體，教師是學習活動的設計者、學習環境的營造者、學習過程的輔導者。③以學習效果為中心：把學習效果作為判斷教學成效的主要依據，重視測量與反饋在學習中的作用，建立有效的、及時的反饋機制，幫助學生調整學習和教師改進教學[4～6]。

堅持“以學生為中心”的教學理念對高電壓實驗教學進行改革，教學內容、模式與效果評價等均必須以落實三個內涵為目標，并分解到教學的各個環節，通過多個途徑和方法來達成目標，并使得該目標達成度可評價?；凇耙詫W生為中心”的理念，對高電壓實驗教學課程改革進行了探索。

2.1 優化與拓展高電壓實驗教學的項目

“高電壓與絕緣技術”課程的主要教學內容包括三大部分，分別為電介質的電氣特性、電氣設備絕緣試驗及電力系統過電壓與絕緣配合。課程的概念新且多，如電子崩、流柱、先導、雷電、波阻抗、波過程等。流柱、雷電等涉及微觀、宏觀多空間尺度和納秒到秒級多時間尺度，是教學過程中的難點與重點[1～3]。與課堂講授相比，學生對自主實驗獲得視覺沖擊的印象更深刻，能夠加深對概念的理解。但是電介質放電過程對于觀測技術手段要求較高，普通實驗教學平臺只能獲取宏觀特性，無法反映擊穿的動態過程。此時結合本院先進的電介質放電研究平臺，開展科教融合演示實驗教學，前沿的研究方向可以激發學生的學習興趣，先進的觀測手段和豐富的實驗現象可以引起學生的好奇心，同時可以鼓勵學生自主探索。因此，在教學項目上，可以實現實操實驗項目和科教融合演示項目的結合。如圖1所示，針對高電壓課程的特點與重要知識點，按照促進學生自主學習的原則，一共設置8個實操實驗項目與4個科教融合演示項目。

圖1 優化后的高電壓實驗教學內容

以氣體、液體和固體電介質電擊穿的知識點為例，設置有氣體擊穿特性實驗，實驗難度保證學生團隊可獨立完成，重點讓學生理解電場均勻程度等對擊穿電壓的影響規律，深入分析極不均勻電場下的極性效應。同時設置有擊穿特性的科教融合演示實驗，通過高速攝像機等捕捉流柱的起始、發展等動態過程，為所學理論提供佐證。

在絕緣試驗部分，涵蓋絕緣性能試驗與耐壓試驗，包括工頻、直流、沖擊電壓與沖擊電流的產生方式。通過實驗深入了解結緣性能試驗與耐壓試驗的配合關系，具備工程應用能力。絕緣配合部分重點設置2個實操實驗，包括導線的波過程、變壓器繞組的波過程，加深學生對波過程這一重要概念的理解。并且可以與理論計算進行對比分析，加強學生的思維訓練強度。

為拓寬學生視野，實驗教學環節不應再拘泥于傳統領域，結合本系雄厚的科研實力，設置了脈沖功率電源、電磁發射技術2個科教融合演示實驗，能夠促進學生了解國防，投身國防的熱情。

2.2 立體化的高電壓實驗教學資源

教師在高電壓實驗教學中更多扮演設計者、引導者和安全員的角色，提供豐富的實驗教學資源供學生自主學習。教學團隊針對圖1所示的教學內容，對每個實操實驗均編制了實驗指導書和安全操作規范。

在實驗教學過程中，教師可以錄制標準操作視頻，特別強調操作規范與安全措施，供學生提前預習。同時設置一系列思考題，引導學生思考實驗步驟設置的依據和安全措施的原理。針對科教融合演示實驗，提供參考文獻、研究背景、實驗平臺介紹等資料，供學生討論與自學。提供一線電力設備運維、試驗的視頻與相關資料，供學生了解實際工程應用。整理收集往屆學生的優秀實驗案例，供學生課下參考。立體化的教學素材為開展以學生為中心的實驗教學奠定了資源基礎。

3 以學生為中心的實驗教學方法

3.1 歸納思維教學模式

通過實驗教學培養學生主動和自主學習能力，要鼓勵學生在實驗過程中提出問題、大膽猜想、抽象概括、運用已學知識解釋現象、思考可能的應用場景[7]。實驗教學過程中，應充分考慮學生對需運用知識點的掌握情況，合理選擇教學模式，實施以提升學生能力為目標的教學過程。如圖2所示，采用以學生為中心的歸納思維教學模式。強調教師布置學習任務并引導基本過程，促進學生團隊協作，自主記錄實驗數據并討論、整理，結合已學知識點和即將學習的內容開展團隊合作探究，轉化為一般規律或概念，并最終學會處理或運用該概念。該模式可實現學生是真正的學習實體。

圖2 基于歸納思維模式的實驗教學過程

實驗過程中會獲得諸多的試驗現象與數據，宜通過小組討論、組間展示等方式開展教學活動，類似“三明治”教學方法的部分環節，以求將多個小組的認識點拓展到認識面，實現對知識點的深入了解。實驗現象與理論相互佐證，歸納從特殊到一般，分析共同特征，從而得出結論或規律。比如在掌握氣體電介質擊穿理論的基礎上，通過觀摩液體電介質擊穿的放電實驗，引導學生將“純凈液體等效為高壓縮的氣體”，進而結合觀測到的液體電擊穿過程圖像，得出純凈液體電擊穿的機理及過程，歸納出液體電介質擊穿場強高等規律。在觀察與思考過程中，不斷提高學生的自主學習能力。

教師引導學生在實驗過程中自主獲取知識，運用所學知識解決實驗中的問題，并拓展學生思考概念或知識點在實際電力設備中的應用或潛在的應用方向。在實驗教學上真正實現從“帶實驗”到“指導實驗”的轉變，從而提高學生的工程實踐能力和創新能力。

3.2 優化實驗教學與課堂授課的銜接關系

“高電壓與絕緣技術”課程講授過程中，實驗教學與課堂授課合理銜接，能夠更靈活地選擇教學方法，使得實驗教學對學生來說，難度適中。實驗教學應該穿插于課堂授課，其作用是促進學生自主學習，加強對知識點的掌握。

以氣體電介質的擊穿為例，學生接觸到大量新而難以理解的概念。氣體電介質的擊穿過程受諸多因素影響，較為復雜。此時，宜先完成課堂授課，待完成課后作業后再開展實驗教學。通過實驗過程中的視覺沖擊和研討，能夠促進學生對知識點的理解，并能靈活運用，解釋實驗現象。

而對于液體電介質擊穿的教學，有了氣體電介質的擊穿理論作為基礎，可以先開展實驗教學。如圖3所示，引導學生根據實驗現象自主討論、歸納，通過充分的思維活動，自主掌握液體電介質擊穿的機理及影響因素。教學反饋表明，學生能更好地掌握知識點，教學氛圍更活躍。

圖3 液體電介質擊穿實驗的教學過程

因此，對于實驗教學與課堂講授要靈活穿插，讓學生在掌握前期課程的基礎上，通過自主學習能夠掌握更多的理論知識。讓學生內心感覺到，學習能力的提升和知識的掌握都是一個“爬樓梯”的過程，既有挑戰，也能通過努力達成目標。

在課程體系的完善上，可以進一步考慮將高電壓生產實習、工程訓練等實踐教學環節與實驗教學、課程授課統籌規劃，真正實現“以學生為中心”，“課堂上學習、歸納”，“在實踐中思考、應用”，實現學習能力的提升。

3.3 細化實驗教學效果評價模式

把學習效果作為判斷教學成效的主要依據，注重分項目標與過程的考核。基于布魯姆目標分類學，教學環節分為三個部分。第一部分為課前預習環節，重點考核實驗準備與小組協作情況，根據評價量表互評實驗方案得分，占考核成績的20%。第二部分為實驗教學環節，團隊協作完成實驗內容，并進行數據分析歸納。教師根據實驗環節團隊與個人情況進行評價，占考核成績的20%。第三個部分為實驗總結反思環節。采用“三明治”教學方法，經過小組討論-小組展示-組間互評，得分占考核成績的30%。教師點評討論，引導反思，教師評分占考核成績的20%。作業得分占考核成績的10%。

細化實驗教學的評價體系，對各個環節的教學達成度進行評估，教學效果反饋更加客觀。同時能夠培養學生客觀評價他人工作的能力，實現相互督促與勉勵。

3 結語

基于筆者所在高壓系的科研優勢，對高電壓實驗的教學進行了改革探索，更好地實現“以學生為中心”的教學。積極調動學生的主觀能動性，將被動教育變成主動學習，在教學過程中重視思維活動，從而提高學生實踐能力，拓展學生的視野。