《高电压技术》课程教学的初步探索与实践

吴淑群　武菲　江军　张潮海

摘  要：高电压技术是电气工程及其自动化专业的重要专业课。为了完善南京航空航天大学电气工程学科，结合航空航天民航“三航”特色，首次开设了面向本科生的《高电压技术》课程，且对该课程进了初步探索与实践。该文立足于航空特色的本科生教学，以培养复合型电气工程专业人才为目的，从教学内容、教学手段、考核方法和教学效果反馈与改进方面对该课程的本科教学进了初步探索，为南京航空航天大学高电压与绝缘二级学科的建立与发展奠定基础。

关键词：高电压技术  航空航天  课程教学

中图分类号：G642    文献标识码：A 文章编号：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

高电压与绝缘学科是电气工程专业的一个二级学科，《高电压技术》课程是该二级学科的核心基础课程之一。国内多所电气领域较强的院校，如清华大学、西安交通大学、华中科技大学和重庆大学等，都开设了《高电压技术》课程，并已形成较为完备的电气工程学科体系。近年来，这些高校抓住了我国电网大力发展特高压输电工程的战略需求，为我国电网输送了大量专业人才。南京航空航天大学是一所具有航空航天鲜明特色的工科院校，并较早开设了电气工程专业。经过多年发展，南京航空航天大学电气工程学科取得了长足进步，其中电力电子与电力传动、电机与电器二级学科走在了全国前列。然而，由于种种原因，各个二级学科的发展并不均衡，特别是高电压与绝缘学科还未建立，这严重制约了南京航空航天大学电气工程一级学科的长远发展。为了完善与壮大南京航空航天大学电气工程学科、培养复合型专业人才，有必要开设《高电压技术》课程及进行探索实践。

我国的《高电压技术》課程起始于20世纪50年代，主要面向电力系统专业，在电气工程及其自动化专业本科培养方案中将该课程列为电气工程核心课程中的必修课程[1，2]。该课程理论性和实践性都比较强，内容主要涉及4个方面：固、液、气三类电介质的放电理论，电气特性和耐压绝缘试验，输电线路和绕组中波过程。雷电和操作过电压及保护。内容十分丰富，是电气工程技术人才必备的专业技能之一，更是从事高电压输电工程应用的一门专业技术。传统高电压技术主要是立足于研究电力系统过电压，以便合理确定其绝缘水平[3-5]。2001年，西安交通大学的邱毓昌教授探讨了面向21世纪的高电压技术课程，回顾了高电压技术课程的由来，对比了国内外强电人才培养趋势，分析了高电压发展现状，指出高电压技术将在特高压输电工程得以大规模应用，并且在许多非电力领域也将起到重要作用，如电磁兼容、航空航天技术中的绝缘故障、脉冲功率技术等[1]。2006年，西安交通大学的周利军、吴广宁和高波细致分析了“教、学、研”一体化的教学理念，阐述了如何实现与国外高校合作开展课程教学工作和注重实践、课内外结合式教学手段，提出了采用多层次考核方法提高学生的学习兴趣和学习效率[2]。2008年，南京工业大学的邵如平、方志、郝丽丽从课程特点、教学内容、教学方法和实践环节等方面探索该课程的教学改革，以扩大学生知识面和培养复合专业人才[3]。2012年，三峡大学的熊炜、粟世玮针对《高电压技术》课程教学内容理论性强、与实践结合紧密等特点，结合经济成本等问题，研究如何在教学中提高学生的学习兴趣，并且教授学生如何从现象得到结论[4]。2014年，武汉大学的关伟民、蓝磊针对《高电压技术》课程的内容特点和教学实际，充分利用学校现有教学资源，因地制宜地对其课堂教学模式、教学方式和教学方法进行一系列改革与实践，取得了良好的教学效果[5]。

然而，随着高电压技术在非电力领域应用的拓展，特别是航空领域，展现系列重大工程应用前景。如图1所示，如飞行器防雷技术、飞行器静电控制与防护、飞行器流动控制与隐身技术等[6-9]。因此，有必要在传统《高电压技术》课程中添加航空元素，以适应高电压技术在航空领域的蓬勃发展，且充分体现南京航空航天大学特色。

基于上述原因，探索与实践《高电压技术》课程教学，不仅有利于发展与壮大南京航空航天大学电气工程学科，而且有助于培养复合型电气工程专业人才。如图2所示，该文将从教学内容、教学手段、考核方法和教学效果反馈与改进方面进行了探索。

1  科学制定教学大纲和教学计划

《高电压技术》课程专业性较强，所涉及的专业内容十分庞杂，比如大学物理、电路、电力工程及电磁场等。因此，要求对课堂教学内容必须进行优化，突出南京航空航天大学航空特色，让学生抓住主要矛盾，掌握课程的核心知识点。将“高电压”作为该课程的主要特色，将“髙电压”与“绝缘”作为该课程要解决的主要矛盾，围绕“特点”和“矛盾”来组织教学内容。其次，将高电压技术应用于航空航天领域的案例作为主要课题来进行讲解分析，不仅可以传授高电压技术发展的最新前沿，突出了航空航天特色，而且可以将基础理论知识与工程实践相结合起来，做到有的放矢。例如，在传授气体放电基础理论知识部分，结合最新高电压技术将难懂的理论知识贯穿在航空应用中，加深学生对该部分的理解和认识。采用介质阻挡放电电离空气，在飞行器表面形成电离层，局部控制周围流动，实现隐身、增升减阻效果。又如，在防雷部分，将飞行器的防雷当成一个重要课题来进行讲解，结合传输线的波过程，让学生了解飞行器防雷原理和相关措施，掌握飞行器雷电电荷释放和电子设备电磁屏蔽的基本概念。最后，南京航空航天大学对高电压技术课程设置32学时，不足以覆盖高电压技术教材的全部内容，必须通过对各个教学内容和环节的合理分配学时，对基础理论和工程实践内容做到合理布局，让学生能够清晰地掌握整个课程的基础与核心，以及各部分教学内容之间的内在联系。

2  综合运用多种现代教学手段

众所周知，现代多媒体教学具有生动形象、灵活、信息量大的突出优点。为提高课堂教学质量和讲课效率，必须设计和建立一套较为完善的多媒体课件教学系统。但是，它也存在不足之处，如翻页过快，学生来不及思考，概念不清晰。因此，必须恰当使用多媒体课件，跟传统讲课方法有机结合，实现优势互补，获得最佳授课效果。例如，对基础理论知识，适合在黑板上逐步推导，放慢节奏，有利于学生掌握概念和理论构建方法。但对复杂的图表、曲线、结构、动画，以及某些视频则必须用多媒体表现。讲述时注意语速快慢变化，有节奏感，板书要简洁和清楚，才能充分体现讲课艺术美感。综合运用不同的教学手段和方法，使授课变得精彩，让学生始终紧扣教学内容，轻松愉快地步步跟进，对知识理解深透，记忆牢固。此外，高电压技术具有很强的工程应用背景，采用丰富的工程应用实例讲解抽象知识点，易于理解。例如，在讲解提高气体和液体击穿电压过程中，根据气体的巴申定律，提高工作气压和采用强电负性气体SF6，有助于增强气体绝缘强度，并分析该原理如何应用于气体绝缘金属封闭开关GIS设备中。

3  形成较为完备的教学考核方法

《高电压技术》课程教学内容庞杂，新概念较多，容易让部分学生因概念难懂难记而产生畏学的心态。掌握新概念是学生学习新课程的第一道门槛，而往往是学生最为迫切解决的问题，而这是无法通过闭卷考试能够解决的。因此，除了常规的闭卷考试之外，在课程开始部分，先采用集中练习的方式，设计5～10min的概念测试题，不仅可让学生巩理解新概念和新物理现象，而且可以增强师生互动，活跃课堂气氛。采用随堂测试的方式，通过设计小题测验，有助于掌握重点教学内容，而且方便学生上课考勤。通过课后作业可以系统全面了解学生掌握知识情况，有助于安排答疑和调整教学策略。对每部分进行合理的分配考核分数比例，如可采用226的原则，即集中练习和随堂测验占20%，课后作业占20%，闭卷考试占60%。采用多层次考核方式，灵活及时掌握学生学习情况，增强学生主动巩固掌握知识，提高教学效果。

4  教学效果反馈与改进

截止目前，选修《高电压技术》课程的学生已覆盖300余人，取得了较好的教学效果。《高电压技术》课程仍是南京航空航天大学开设的一门新课程，根据学生的教学效果反馈来进行检验和进一步持续改进是教学探索与实践的依据，是形成教学、考核、反馈、改进的闭环教学过程的重要一环，是教好《高电压技术》课程的重要保障。通过面对面谈话、问卷或网上交流的形式，获得学生教学效果反馈意见。其次，南京航空航天大学教学督导组是由教学经验丰富的名师组成，时常对新课程进行随堂听课，并提出宝贵的反馈意见，旨在提升青年教师的教学能力与教学效果。根据这些合理的意见，对该课程进行持续改进，有意识地进行调整和更新，不断提高教学效果。最后，针对新课程、年轻教师，南京航空航天大学还时常组织教学沙龙和教学短期研修班等活动，以育人为本为核心思想，积极交流教学心得，帮助进一步完善教学方法和手段，掌握教学新理念和新方法。以上这些反馈与改进为《高电压技术》课程建设的持续完善提供了重要的指导。

5  结语

《高电压技术》课程教学已在南京航空航天大学进行初步探索与实践，得到以下几点结论。

（1）教学以工程应用为目的，理论结合实际，以实际案例高度剖析“高电压”与“绝缘”的矛盾体。

（2）以高電压的前沿科技动态为引导，有目的精炼课程内容，凸显航空特色。

（3）增强师生互动，激发学生学习兴趣是获得良好教学效果的保证。

（4）教学效果反馈与改进是提升教学能力和教学效果的重要环节。

参考文献

[1] 邱毓昌.对面向21世纪的高电压技术课程的探讨[J].电气与电子教学学报，2001，23（2）：12.

[2] 周利军，吴广宁，高波.高电压技术国家精品课程教学方法的研讨[J].电气电子教学学报，2006，28（6）：113.

[3] 邵如平，方志，郝丽丽.高电压技术_教学改革的探索.中国电力教育，2008（110）：64.

[4] 熊炜，粟世玮.基于“高电压技术”课程特点的教学方法研究.中国电力教育，2012（27）：63.

[5] 关伟民，蓝磊.“高电压技术”课程课堂教学改革与实践.中国电力教育，2014（6）：50.

[6] 王冰，乔新，傅正财.飞机闪电附着点试验设计与初步实现，电瓷避雷器，2015（263）：106.

[7] Smorgonskiy Alexander，Rachidi，Farhad;Rubinstein，Marcos. Are Standardized Lightning Current Waveforms Suitable for Aircraft and Wind Turbine Blades Made of Composite Materials[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2017，59（4）：1320.

[8] G Neretti， P Seri， M Taglioli，et al.Geometry optimization of linear and annular plasma synthetic jet actuators[J].Journal of . Physics.D：Applied. Physics，2017，50（1）：015210.

[9] 段泽民，仇善良，司晓亮，等.飞机静电放电器静电泄放性能的影响参数，高电压技术，2016，42（5）：1356.