李 化 劉 毅 李柳霞 李紅斌 楊 勇

(華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,武漢 430074)

“高電壓與絕緣技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心必修課程。課程目標(biāo)是面向電力系統(tǒng)、電氣裝備制造、電氣科學(xué)研究等領(lǐng)域,培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬口徑、創(chuàng)新能力突出、具有國際視野的高素質(zhì)專業(yè)人才和領(lǐng)軍人才[1]。近年來,高電壓新技術(shù)、脈沖功率技術(shù)、電工絕緣新材料等前沿科學(xué)問題取得重大進(jìn)展,對(duì)培養(yǎng)高電壓與絕緣技術(shù)人才的實(shí)踐能力和工程素質(zhì)提出了新的要求,在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)新形勢(shì)下“高電壓與絕緣技術(shù)”的教學(xué)面臨著工程認(rèn)知能力培養(yǎng)的難題[2]。由于課程具有工程性強(qiáng)的特點(diǎn),很多物理概念和現(xiàn)象通過實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)和實(shí)現(xiàn),課堂教學(xué)雖能通過課件等輔助認(rèn)知,但缺乏對(duì)關(guān)鍵物理概念、物理過程及其實(shí)現(xiàn)方式的強(qiáng)調(diào)和具化,存在學(xué)生學(xué)不知義、教師教不得法的情況。因此,需針對(duì)性地開展教學(xué)創(chuàng)新研究與實(shí)踐,同步提升師生教與學(xué)的體驗(yàn),提升教學(xué)水平和改進(jìn)教學(xué)效果[3]。

自2021年起,華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院“高電壓與絕緣技術(shù)”課程組率先開展了“課堂串行演示”的教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐,設(shè)立高電壓與絕緣技術(shù)演示(High Voltage Laboratory Demonstration,HVLab Demo)環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)跟進(jìn)課堂教學(xué),提升學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)的認(rèn)知水平,同時(shí)教師與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng),提升學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。

1 現(xiàn)有課程體系存在的問題

1.1 課程體系設(shè)置時(shí)效性

原有“高電壓與絕緣技術(shù)”課程體系遵循“高電壓與絕緣技術(shù)課程教學(xué)→高電壓工程訓(xùn)練營(yíng)→高電壓實(shí)驗(yàn)”的順序。主體課程“高電壓與絕緣技術(shù)”設(shè)置在第三學(xué)年下學(xué)期,高壓電工程訓(xùn)練營(yíng)和高電壓實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置在第三學(xué)年暑期和第四學(xué)年上學(xué)期。由于訓(xùn)練營(yíng)和實(shí)驗(yàn)課均為選修,學(xué)生參與度或完成質(zhì)量不高,缺乏對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的及時(shí)跟進(jìn)和轉(zhuǎn)化,時(shí)效性不強(qiáng),認(rèn)識(shí)多停留在理論層面,不利于專業(yè)綜合能力的培養(yǎng)[4]。

1.2 主體課程教學(xué)單向性

“高電壓與絕緣技術(shù)”在“大學(xué)物理”“電路理論”“電磁場(chǎng)與波”等先修課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯的細(xì)化、問題解決的工程化,課程與工程實(shí)踐密切相關(guān),傳統(tǒng)“課堂講授教學(xué)”中多以教師主導(dǎo)教學(xué)過程,缺乏學(xué)生對(duì)具體物理原理與現(xiàn)象、試驗(yàn)設(shè)備和方法等認(rèn)知和反饋[5]。

1.3 課堂教學(xué)資源局限性

課堂講授教學(xué)以教材為中心,輔以課件,通過圖片和視頻呈現(xiàn)物理現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)裝置等,有限的教學(xué)學(xué)時(shí)和課時(shí)導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)間的邏輯關(guān)聯(lián)及其應(yīng)用難以展開,在學(xué)生啟發(fā)性和創(chuàng)新性思維方面的引導(dǎo)有待加強(qiáng),同時(shí)束縛了教學(xué)與科研并重型教師的主觀能動(dòng)性[6]。

2 課程改革創(chuàng)新探索

2.1 課程改革思路與措施

“高電壓與絕緣技術(shù)”課程是試驗(yàn)性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù),注重培養(yǎng)認(rèn)知和動(dòng)手能力,具有理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)[7]。因此,教學(xué)注重基礎(chǔ)理論、試驗(yàn)技術(shù)和工程應(yīng)用的緊密結(jié)合。為此,課程組開展了“課堂串行演示”的課程改革的創(chuàng)新與實(shí)踐,總體思路為:課堂教學(xué)采用以教師為主導(dǎo)的邏輯優(yōu)先的頂層設(shè)計(jì)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)輸入;HVLab Demo增強(qiáng)對(duì)物理原理、現(xiàn)象的認(rèn)知水平,實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的具體化。具體課程措施為:

1)課堂教學(xué)

采用教師主導(dǎo)的教學(xué)優(yōu)先形式,制定課堂教學(xué)大綱,采用課件、板書輔助教師課堂講授。課堂教學(xué)制定邏輯體系優(yōu)先的頂層設(shè)計(jì)教學(xué)方式,采用自上而下的平行層次結(jié)構(gòu)教學(xué),知識(shí)點(diǎn)分散在章節(jié)順序教學(xué)中;教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教師定期開展課程研討會(huì),分享教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)資源和研究成果,開展互聽互評(píng)活動(dòng),實(shí)現(xiàn)教學(xué)能力和水平的自我提升[8]。

2)高電壓與絕緣技術(shù)演示(HVLab Demo)

該環(huán)節(jié)貫穿于“高電壓與絕緣技術(shù)”課程的教學(xué)中,跟隨課堂教學(xué),在關(guān)鍵環(huán)節(jié)及時(shí)跟進(jìn),通過課堂外教學(xué)的方式具化學(xué)生對(duì)基本原理、高壓設(shè)備與回路、試驗(yàn)方法、物理現(xiàn)象及規(guī)律的主觀體驗(yàn),并及時(shí)將該體驗(yàn)進(jìn)行反饋,通過教師進(jìn)一步引導(dǎo),提升學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知水平,同時(shí)通過教師與學(xué)生的互動(dòng),達(dá)到提升學(xué)習(xí)興趣、教學(xué)相長(zhǎng)的效果。

2.2 課程改革設(shè)置與特點(diǎn)

1)基于HVLab Demo的教學(xué)內(nèi)容與課程銜接

HVLab Demo環(huán)節(jié)與課堂教學(xué)的銜接遵循“先授課-后演示”的串行順序。課程組教師13人,共設(shè)置11個(gè)模塊,每個(gè)模塊均由課程組教師承擔(dān)(如圖1所示)。按照課堂教學(xué)進(jìn)度及時(shí)跟進(jìn)并合理安排模塊順序和開課時(shí)間,如第1章氣體電介質(zhì)絕緣特性的課堂教學(xué)在第2周完成,第3周即安排氣體放電的演示模塊教學(xué),及時(shí)跟進(jìn),通過演示過程中的感官體驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

圖1 HVLab Demo環(huán)節(jié)模塊設(shè)置

2) 基于HVLab Demo的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

為保證教學(xué)效果,每個(gè)模塊均設(shè)置了不同的時(shí)間段,向限定人數(shù)的學(xué)生開放。HVLab Demo環(huán)節(jié)門票設(shè)置如圖2所示,憑票加入模塊學(xué)習(xí)。HVLab Demo票面規(guī)定了進(jìn)入模塊的時(shí)間段、學(xué)情反饋、目標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的課堂知識(shí)儲(chǔ)備。知識(shí)儲(chǔ)備為學(xué)生已完成的課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容,促進(jìn)學(xué)生復(fù)習(xí),強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)。2021和2022年分別采用不同門票制式,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)“高電壓與絕緣技術(shù)”課程專業(yè)性的認(rèn)同感。

圖2 HVLab Demo環(huán)節(jié)門票設(shè)置

HVLab Demo采用現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)(如圖3所示),每個(gè)Demo模塊按照順序分為“現(xiàn)場(chǎng)講解→現(xiàn)場(chǎng)演示→現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)→提交報(bào)告”四個(gè)環(huán)節(jié),其中現(xiàn)場(chǎng)講解環(huán)節(jié)主要包括研究背景、工作原理、實(shí)現(xiàn)方法與回路、關(guān)鍵設(shè)備、影響因素和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果;現(xiàn)場(chǎng)演示環(huán)節(jié)主要包括關(guān)鍵回路及設(shè)備介紹、實(shí)驗(yàn)過程演示、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明;現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)環(huán)節(jié)主要開展學(xué)生提問、教師回答和討論活動(dòng);課程報(bào)告環(huán)節(jié)提交學(xué)習(xí)報(bào)告并設(shè)立建議反饋欄,輔助學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)及教學(xué)改進(jìn)。

圖3 HVLab Demo教學(xué)設(shè)計(jì)

3) 基于HVLab Demo的教學(xué)資源與呈現(xiàn)方式

利用強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等高水平科研平臺(tái),結(jié)合課堂教學(xué)并引入教師最新科研成果,定位科教融合和創(chuàng)新激勵(lì),面向能源安全、國家安全等重大背景,通過演示性、設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展現(xiàn)“高電壓與絕緣技術(shù)”的基本原理及其最新應(yīng)用。如“液體電介質(zhì)放電激波效應(yīng)及其應(yīng)用”模塊面向我國油氣安全,采用高壓脈沖液體放電的激波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)油井解堵和石油增產(chǎn),結(jié)合液體電介質(zhì)的擊穿、高電壓和大電流的產(chǎn)生及測(cè)量等課堂知識(shí)點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)使用沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生高壓脈沖激勵(lì),采用高壓示波器、羅氏線圈進(jìn)行高電壓、大電流測(cè)量,采用高速照相等實(shí)現(xiàn)快速放電現(xiàn)象的觀測(cè),通過觀感震撼的高壓液體放電現(xiàn)象,給學(xué)生展現(xiàn)了從“研究背景→科學(xué)問題→物理原理→實(shí)驗(yàn)回路→實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象→結(jié)果分析”的完整的科學(xué)研究案例;又如“仿生材料在外絕緣防污防覆冰中的應(yīng)用”面向電力系統(tǒng)安全大背景,結(jié)合電工絕緣材料的最新研究和工程應(yīng)用進(jìn)展,結(jié)合沿面放電和絕緣子絕緣等知識(shí)點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)展示新型納米材料絕緣的“荷葉效應(yīng)”;學(xué)生在進(jìn)入模塊之后觀看瓷、玻璃和復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)和實(shí)物,并觀摩大雨條件下絕緣子沿面水膜路徑,將課堂知識(shí)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)演示有機(jī)結(jié)合,既增加了師生互動(dòng),又增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),同時(shí)引入學(xué)科交叉和創(chuàng)新應(yīng)用,讓學(xué)生“知其意、明其理、曉其用”。

為了保證演示教學(xué)的效果,模塊演示不超過45 min,節(jié)奏緊湊。在演示實(shí)驗(yàn)安全方面,學(xué)生僅觀看或觸摸不帶電的設(shè)備及樣品,但不進(jìn)行任何帶電操作,教師預(yù)先做高電壓試驗(yàn)安全介紹并將具體實(shí)操貫穿于演示過程中,培養(yǎng)學(xué)生從事“高電壓與絕緣技術(shù)”的專業(yè)安全素養(yǎng),做到“守其則,踐其行”。

4) 教學(xué)效果評(píng)價(jià)與具體措施

在“課堂串行演示”的課程改革中,增加了工程認(rèn)知能力的習(xí)得性評(píng)價(jià),考核成績(jī)組成包含考試成績(jī)、平時(shí)成績(jī)和演示報(bào)告,其中考試成績(jī)占70%,平時(shí)成績(jī)占15%,演示報(bào)告占15%。其中演示報(bào)告開放性較強(qiáng),重視并鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解、掌握和綜合運(yùn)用。在教學(xué)反饋方面,課程組按照當(dāng)年教學(xué)組織情況,采用HVLab Demo報(bào)告設(shè)問和學(xué)情反饋等形式,進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)價(jià)和改進(jìn)。

3 教學(xué)效果

近兩年來,“高電壓與絕緣技術(shù)”課程組共為27個(gè)電氣工程本科班級(jí)共計(jì)803名學(xué)生開展了“課堂串行演示”創(chuàng)新性教學(xué)。從學(xué)情反饋來看,該教學(xué)模式在強(qiáng)化、梳理課程知識(shí)點(diǎn)及其邏輯體系,培養(yǎng)工程認(rèn)知能力方面效果顯著。引入的HVLab Demo大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,實(shí)現(xiàn)了“走出課堂,走進(jìn)高壓,身臨其境,知行合一”的目標(biāo)。

2021年課程組對(duì)2021屆14個(gè)班級(jí)共計(jì)421名學(xué)生開展了課程建議的全樣本收集(反饋率100%),該屆學(xué)生對(duì)初設(shè)的“課堂串行演示”的教學(xué)模式高度認(rèn)可,并提出了“除課堂內(nèi)容外延伸課外知識(shí)”“建議增加上課提醒”“增加演示內(nèi)容”“同時(shí)參觀實(shí)驗(yàn)室”等建議。

2022年課程組針對(duì)以上建議進(jìn)行了教學(xué)改進(jìn),改進(jìn)包括強(qiáng)化新原理、新技術(shù)等應(yīng)用,安排助教課前提醒,增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并開放實(shí)驗(yàn)室等。對(duì)2022屆13個(gè)班級(jí)共計(jì)382學(xué)生開展了課程建議的全樣本收集(反饋率100%)和學(xué)情反饋的大樣本分析(反饋率76%)。學(xué)情反饋表明:認(rèn)可該教學(xué)模式并建議繼續(xù)的學(xué)生占比88%;能夠結(jié)合演示課程進(jìn)行基礎(chǔ)預(yù)習(xí)或閱讀文獻(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)展預(yù)習(xí)的占比75%;認(rèn)為有助于具化課本知識(shí)、促進(jìn)專業(yè)能力提升的占比52%(如圖4所示)。通過HVLab Demo環(huán)節(jié)中的師生互動(dòng),學(xué)生高度肯定課程組教師專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的教學(xué)態(tài)度,認(rèn)為“課堂串行演示”教學(xué)模式對(duì)其個(gè)人未來發(fā)展,如讀研深造或走向企業(yè)等都十分有益。同時(shí)該屆學(xué)生提出的主要改進(jìn)建議是:首先增加HVLab Demo環(huán)節(jié)的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)或場(chǎng)次;其次演示時(shí)增加互動(dòng)和交流,部分帶電實(shí)驗(yàn)在教師指導(dǎo)下親自動(dòng)手;最后提供延伸參考文獻(xiàn)和背景資料,進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。

(a)課程評(píng)價(jià)

學(xué)情反饋表明,學(xué)生不僅對(duì)“課堂串行演示”教學(xué)模式充分認(rèn)可,還認(rèn)識(shí)到了“高電壓與絕緣技術(shù)”的學(xué)科魅力和生命力,發(fā)展了求知、求真的內(nèi)驅(qū)力,培養(yǎng)了終生學(xué)習(xí)的能力目標(biāo)。

4 結(jié)語

華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院“高電壓與絕緣技術(shù)”課程組提出的“課堂串行演示”教學(xué)模式是工程教育專業(yè)認(rèn)證大背景下培養(yǎng)模式的一次有效創(chuàng)新。以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心,結(jié)合“高電壓與絕緣技術(shù)”工程性強(qiáng)的特點(diǎn)設(shè)置了與課堂教學(xué)串行的HVLab Demo演示環(huán)節(jié),從教學(xué)設(shè)計(jì)、內(nèi)容、實(shí)施和反饋等環(huán)節(jié)配置資源和安排教學(xué),鞏固了教學(xué)過程中的習(xí)得性成效,培養(yǎng)了學(xué)生的工程認(rèn)知能力,為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)體系的建立提供了重要支撐。