新工科背景下“电气绝缘导论”教学探讨_高宇.pdf

天津大学电气工程专业本科生课程“电气绝缘导论”，是衔接高电压与绝缘技术方向的基础课与专业课之间的纽带。为满足新工科建设对人才培养的交叉型、创新型、实践型和善于解决复杂工程问题能力的要求，分别从教学内容、教学方法和培养模式上对“电气绝缘导论”课程进行探讨，提出符合新工科建设要求的教学改革措施，为培养具有创新精神和实践能力的复合型人才提供借鉴。关键词:新工科;电气绝缘导论中图分类号:G424文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0001-04Teaching Discussion of Introduction to Electrical Insulation forEmerging Engineering EducationGAO YuLI ZhongleiHAN TaoLIU YongXIAO MengDU Boxue(School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract:The Introduction to Electrical Insulation course is set up in Tianjin University to undergraduate students with the majorof electrical engineering，which acts as a transition from the basic course to the professional course in the direction of high voltageand electrical insulation In order to meet the requirement of emerging engineering education on training students with great abilityof multi-specialty，creativity，practice and solving complicated engineering problem，the discussion on Introduction to ElectricalInsulation has been performed on teaching content，teaching method and training mode，and the method of teaching reform withrespect to the emerging engineering education has been proposed，which will provide references to train students as interdiscipli-nary talents with great creative and practical abilitiesKeywords:emerging engineering education;introduction to electrical insulation天津大学为电气工程专业本科生开设了名为“电气绝缘导论”的专业选修课，其主要涵盖两方面内容:电介质基础理论和电气设备绝缘，是衔接高电压与绝缘技术方向的基础课和专业课之间的纽带。通过课程的讲授，本科生对于电介质基础理论有了初步了解，对变压器、气体绝缘开关设备、电容器、电力电缆等大型设备有了形象化的概念，理解了绝缘技术在电气设备设计中的重要性，为后续进行“高电压工程”课程学习奠定了必要的基础。为了主动应对新一轮的科技革命和产业变革、服务国家战略和产业发展需求，教育部自 2017 年2 月以来，积极推动新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”1 3。天津大学作为新工科建设的积极倡导者和实践者，在专业设置、人才培养模式等方面均做出重要改革，切实推动了新工科建设的步伐4 5。新工科建设对于专业结构、知识体系、教育方式等均提出了新要求，也为传统电气工程专业的课程改革指明了方向。虽然“电气绝缘导论”课程已针对新工科建设要求逐步做出了调整，但仍然存在许多不足之处。在知识体系方面，部分内容的模块化特征严重、知识点前后联系紧密程度不足;缺乏对实践工具的学习和应用，学科交叉体现的不明显。在授课方法方面，一直沿用传统的“讲授法”，缺乏课堂活力和学生参与度，不利于激发学生的学习热情和创新精神。在培养模式方面，主要依托高等学校的理论教学，在实践方面存在不足。针对“电气绝缘导论”课程中存在的上述不足，本文分别从教学内容、教学方法和培养模式方面进行了思考，提出了相应的改革措施，使这门课程符合新工科对人才培养提出的交叉型、创新型和实践型的要求，使学生具备解决复杂工程问题的能力，为电气工程专业其他课程的新工科教改提供借鉴。1教学中存在的问题分析1 1教学内容孤立，学科交叉不足“电气绝缘导论”课程主要包括两大部分内容，分别是电介质基础理论和电气设备绝缘。电介质基础理论部分主要讲解气、液、固体电介质的介电和击穿特性，按照内容安排，从简到繁、从易至难，在逻辑上具有一定的递进关系。电气设备绝缘部分主要讲解大型电力设备的绝缘结构、特点和设计方法，包括气体绝缘开关设备、变压器、电力电缆等，内容独立性强，模块化特征显著。另外，电介质基础理论部分的内容比较抽象，基本概念、原理繁多，讲述的内容主要为电介质的微观介电特性及击穿过程;而电气设备绝缘部分更偏重于工程应用，内容相对直观。一方面，前后两部分内容的衔接不足:在介绍设备绝缘特性时，运用电介质微观原理进行解释的场合较少，从而使两部分内容显得比较孤立;另一方面，教学内容缺乏新意，明显滞后于日新月异的电气绝缘领域研究进展，难以体现课程的前沿性和先进性。此外，“电气绝缘导论”涉及电磁场、数值计算、材料科学、结构设计、信息与通讯、控制理论和美学等多学科知识，具有典型的“多学科交叉”特征6。但上述学科交叉的特点受到教学内容和学时的限制，并未得到充分的体现。对于相关学科常用的专业软件等实践工具，如用于电场计算的Comsol Multiphysics、数值计算的 Matlab 等，也未予以介绍及实践。这导致学生无法从更宽广的视角去认识和处理电气绝缘领域的复杂工程问题，教学效果受到限制。1 2教学形式单一，缺乏主动思考目前，“电气绝缘导论”的课堂教学主要通过“讲授法”完成，即由授课教师通过讲解、说明、启发、引导等方式，将专业知识传授给学生。尽管也采取“随机测验”“课堂问答”等方式与学生互动、对即时学习效果进行检验，但总体上学生的积极性和参与度不高，教师也很难评价学生对知识体系的掌握程度和对复杂问题的解决能力。新工科教育对于学生的创新能力、解决复杂工程问题能力均有较高的要求，传统的“讲授法”课堂教学不利于调动学生积极性、提高学生的自主思考和创新能力，更难以培养学生解决复杂工程问题的能力，无法满足新工科对人才培养的高标准要求。因此，对教学方法进行改革势在必行。1 3培养模式固化，产教融合欠缺作为工科课程，“电气绝缘导论”具有很强的理论性和实践性。电介质基础理论部分突出体现了课程的理论性，电气设备绝缘部分则包含了丰富的工程实践内容。现阶段，该课程的全部教学内容均在校内完成，是典型的课堂讲授与笔试考核相结合的传统培养模式。这导致，一方面，学生无法通过接触实物来获取更为直观的工程知识，使课程的实践性大打折扣;另一方面，这种传统的单一培养模式，也不利于学生对复杂工程问题的理解和对其他相关知识体系的认知，不符合新工科教育对交叉型、实践型人才的培养要求。提高“电气绝缘导论”课程的实践性，将产业信息直观地、多元地与教学内容相融合，打造产教融合的育人新模式，是深化新工科教改面临的一项重要任务。2教学改革的思考与措施为了适应新工科背景下的人才培养要求，本文对“电气绝缘导论”课程进行了教学改革探索，分别从教学内容、教学方法和培养模式三个方面入手，构建更为前沿、交叉、问题导向的知识体系，提出更为主动、多元、虚实结合的教学方法，建立产教结合的培养模式，力求实现交叉型、创新型、实践型的人才培养，使学生具备解决复杂工程问题的能力，继而达到新工科人才培养的要求。本文构建的教学改革措施对新工科背景下人才培养目标的支撑关系如图 1 所示，具体的改革措施如下:图 1教学改革措施对新工科背景下人才培养目标的支撑关系示意图2 1教学内容改革首先，对原有教学内容进行梳理，重新编排各部分内容的讲授次序，使课程内容从整体上展现“从理论到实践”“理论 实践相对应”的逻辑性。在电介质基础理论部分，按照气、液、固体绝缘的顺序安排教学内容;在电气设备绝缘部分，调整内容使其与气、液、固体绝缘的递进关系相对应。例如:2电气电子教学学报第 45 卷以气体为主要绝缘介质的“气体绝缘开关设备”“输电线路外绝缘”率先讲授，以液体为典型介质的“变压器”“套管”“互感器”紧随其后，最后讲授“电力电缆”“电机”“电容器”等主要采用固体绝缘的设备。这既有利于学生们从简至繁地理解和掌握设备的绝缘特性，也有助于针对性运用电介质基础理论发现设计缺陷、提出更好的解决方案。其次，针对各个章节内容，添加该领域的最新研究进展，提升授课内容的前沿性和先进性。例如:在气体放电部分，添加纳秒脉冲放电、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)等拓展知识，如图 2(a)所示，介绍气体放电的最新理论发展动态和工业应用前景;在固体介质部分，添加电声脉冲法(Pulsed Electro-Acoustic，PEA)测量固体介质空间电荷分布的原理及应用，如图 2(b)所示，介绍该领域的前沿研究热点、问题及挑战;在讲解“气体绝缘开关设备”时，增加盆式绝缘子表面电荷的测量、机理分析和防控知识，启发学生们关注“气 固”界面的绝缘薄弱点;在讲解变压器的油纸绝缘时，介绍环保型绝缘油的研究进展情况，宣传“环保型绝缘”的理念;在讲解“电力电缆”附件绝缘时，引入非线性电导绝缘材料在电缆附件中的应用情况，介绍功能绝缘材料在电气设备中的广阔应用前景。总之，通过在各章节中植入该领域的最新研究动态，体现课程内容的前沿性、交叉性，也可进一步激发学生们的好奇心和求知欲。(a)DBD 放电(b)PEA 法空间电荷测量系统图 2新增研究热点教学内容实例最后，在教学内容中构建“案例式”模式，以工程问题为切入点，问题导向引出知识点，使学生们明确所学知识与工程问题之间的联系。同时，也要将“案例”所涉及的知识点逐层剥离、拆解，从理论、工具、实践等角度分析此“案例”蕴含了哪些专业知识，拓宽原有的单一专业知识体系。例如:在讲解“气体绝缘开关设备”时，先介绍国内外知名制造商的典型设计案例，进而提出“具有什么性质的气体可以满足工程需求?”“如何设计绝缘间隙?”等问题，引导学生思考此类设备的设计原则。之后，逐一讲解设备对气体的绝缘、液化、环保等多方面性能的要求，对绝缘间隙电场均匀性的要求，对支撑绝缘子的绝缘、力学性能的要求等，以及如何对各种性能进行优化选择。同时，介绍电场计算软件 Ansys 及 Comsol Multiphysics 在此领域的应用，锻炼学生们的工程思维和运用实践工具分析、解决多学科交叉问题的能力，深化教学内容的问题导向性和实践性。2 2教学方法改革为了进一步提高学生们听课的积极性和参与度，培养主动思考和分析复杂工程问题的能力，本文对“电气绝缘导论”课程的教学方法进行了改革。在保留了传统“讲授式”教学的基础上，充分利用小班上课的便利条件，开展了形式多样的教学探索。1)分组竞赛将学生分成若干小组，每组布置一道包含多个知识点的开放性综合题，通过查阅文献、使用专业软件建模计算等方式完成。各组选出 1 名代表进行课堂展示，互相打分，竞赛分数与该课程的平时成绩挂钩。例如，通过电场计算的方法，比较说明气体绝缘开关设备中不同形状和材质的盆式绝缘子，最大电场值出现在哪些区域，以及如何优化绝缘子的材料及形状，降低其最大电场值，提高绝缘利用系数。学生们需要查阅盆式绝缘子的常用材料及介电性能，要掌握盆式绝缘子的常见形状，还要学会使用 Comsol Multiphysics 等专业软件建模、进行电场计算。在此过程中，学生以“复杂问题”为导向，逐层剥离，各个击破，运用了不同章节，甚至不同学科的知识，是对自主思考、多元交叉能力的一种很好的锻炼，既提升了学生的参与度，也培养了其解决问题的能力。2)思辨课堂锻炼批判性思维，对提高创新能力具有重要帮助。针对部分章节，特别是前沿拓展内容，提出开放性问题，请学生们进行思考，鼓励大家从不同角3第 3 期高宇，等:新工科背景下“电气绝缘导论”教学探讨度审视问题，提出新观点。例如，在介绍环保型绝缘气体的研究进展时，提出了“开发环保型绝缘气体的必要性”问题。面对当前如火如荼的环保气体研究，学生在查阅文献和计算的基础上，提出了“此项研究性价比较低”的新观点，并认为“开发SF6 气体回收技术”更利于环保、更经济。尽管学生的观点是否正确需进一步考证，但其敢于批判性思考问题的精神可嘉，这也是新工科创新型人才培养的重要方面。通过开展思辨课堂，激发学生的思维活力，有助于培养其创新精神。3)虚实结合充分利用天津大学国家级虚拟仿真实验教学示范中心的平台资源，通过大型设备的 3D 虚拟影像，帮助学生认知电力设备的内部结构，从而掌握设备绝缘设计的原则和方法。结合课堂上的教具展示，加深对电力设备绝缘特性的理解。综上所述，通过采用“分组竞赛”“思辨课堂”“虚实结合”等方法，活跃了课堂气氛，促进了学生的自主思考，提高了原来单一的“讲授式”教学的效果，形成了以学生为中心的课堂教学体系，对新工科背景下的人才培养进程起到了积极的促进作用。2 3培养模式改革为了适应新工科背景下人才培养对实践性的要求，高校作为育人主体，不仅要依托课堂完成理论教学，还要创新培养模式，着力构建产教结合的实践育人平台，提高工程人才的培养质量。“电气绝缘导论”是一门涉及电气设备生产制造和电能传输的专业课，我们通过与国网天津市电力公司、天津平高智能电气有限公司合作，建立了产学研实践平台，为新工科人才培养提供了便利条件。在授课过程中，我们筛选部分具有代表性的企业技术需求，形成“分组竞赛”题目，引导学生运用专业工具开展绝缘设计或评估。再将竞赛优胜组的方案反馈给企业，组织优胜组的学生参观企业实验室，与企业工程师交流后，进一步细化设计方案，为解决实际工程问题提供支撑。近年来，已先后在电缆终端、盆式绝缘子的电场分布优化方面开展产教合作，成果得到了电网企业的认可。通过上述平台的建立，高校进一步与企业开展新工科人才培养实践，逐步完善实践培养体系，健全实践基地和实践条件，以产业和技术发展要求推动新工科实践型人才培养模式的改革，增强实践平台的育人作用，形成产教融合的新型培养模式。这不仅对新工科背景下的人才培养具有推动作用，更通过教学反哺技术发展和产业升级，展现了新工科育人的社会价值。3教学改革的实践与成效通过对 2017 年春季以来选学此课的 700 余名学生的课堂表现、期末试卷的分析，以及对部分学生参与创新竞赛、毕业设计成绩的追踪关注，初步得到以下结论:第一，学生不仅对大纲中要求的知识点掌握较好，更建立了涉及多学科交叉内容的、宽泛的专业基础，视野广阔、思维灵活，创新能力明显增强。第二，学生的学习热情和主动性提升，敢于发问，思辨能力增强。知识点掌握牢固，能够灵活运用课程知识分析电气领域的相关工程问题。第三，学生具备了较好的分析、解决复杂工程问题的能力，掌握了将复杂问题“层层剥离、各个击破”的一般性方法，具有良好的实践意识，能够从工程实际出发思考问题，寻求合理的解决方案。4结语本文以新工科背景下的人才培养对课程体系的新要求为导向，针对“电气绝缘导论”课程中存在的不足，分别从教学内容、教学方法和培养模式三方面入手，探讨了适应新工科育人目标的教改思路。分别构建了具有前沿性、富含交叉学科特征的教学内容，提出了以激发学生自主思考和创新思维为抓手、以培养学生分析和解决复杂工程问题的能力为目标的教学方法，通过产学研合作，建立了产教融合的多元育人新模式，增强了实践育人水平，提高了学生的培养质量，为新工科背景下电气工程学科其他课程的教学改革提供了参考和借鉴。参考文献 1 李煊鹏，王东，秦文虎 新工科背景下“智能汽车技术”课程改革与实践 J 电气电子教学学报 2021，43(4):41 44 2 万琳，吕泽华 新工科背景下“计算机图形学”教学改革 J 电气电子教学学报 2021，43(4):52 56 3 王阳俊，陈江璋，潘明强，等 新工科背景下“现代设计方法”教学探讨 J 电气电子教学学报 2021，43(4):85 88 4 刘坤 新工科建设“天大方案”2 0 发布EB/OL(2020 06 16)http:/www tju edu cn/info/1026/3151 htm 5 忠建丰 天津大学积极推进新工科建设EB/OL(2018 09 28)http:/www moe gov cn/jyb_xwfb/s6192/s133/s157/201809/t20180928_350278 html 6 严璋，朱德恒 高电压绝缘技术 M 第二版 北京:中国电力出版社，20074电气电子教学学报第 45 卷