科研反哺教學(xué)在高電壓技術(shù)課程改革中實(shí)踐

科研反哺教學(xué)在高電壓技術(shù)課程改革中理論〔〕:

摘要：以科研工程為依托，吸引本科生參與到科學(xué)研究過程中，探究科研與教學(xué)相交融的新型教學(xué)方式。打破傳統(tǒng)本科生死記硬背的高電壓技術(shù)課程學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生在科學(xué)研究過程中直觀地認(rèn)識(shí)和理解相關(guān)的理論，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的才能。在理論中和學(xué)生互動(dòng)，通過學(xué)生在科學(xué)研究中的理論反響，考慮和改良教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：科學(xué)研究；高電壓技術(shù)；本科生

2022年教育部、財(cái)政部和國家開展改革委印發(fā)的?統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建立施行方法(暫行)?與同年公布的"雙一流";建立高校名單，將全國高校對(duì)學(xué)科建立和科學(xué)研究的重視推向了一個(gè)頂峰【1】。大學(xué)中"重科研、輕教學(xué)";的現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，大學(xué)內(nèi)部教學(xué)與科研活動(dòng)的矛盾逐漸白熱化。

?國家中長(zhǎng)期教育改革和開展規(guī)劃綱要〔2022-2022年〕?中指出，要進(jìn)步人才培養(yǎng)質(zhì)量，支持學(xué)生參與科學(xué)研究，著力培養(yǎng)高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才；強(qiáng)化理論教學(xué)環(huán)節(jié)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性，提升科學(xué)研究程度【2】。任何大學(xué)都應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)人才為主要任務(wù)，如何整合教學(xué)和科研，共同支撐創(chuàng)新人才培養(yǎng)，是當(dāng)前高校亟待解決的主要問題[3,4]。

針對(duì)目前高校里"教學(xué)、科研兩張皮";的問題，探究教學(xué)促進(jìn)科研，科研反哺教學(xué)的操作方式，實(shí)現(xiàn)二者互助共贏，這是新時(shí)代"雙一流";建立的必要選擇途徑。本文基于電氣工程的核心專業(yè)課程"高電壓技術(shù)";的重要知識(shí)點(diǎn)，以"納米改性絕緣介質(zhì)的制備和改性機(jī)理";課題為背景支撐，選取局部本科生參與到科學(xué)研究小組，使得學(xué)生在科學(xué)研究過程中使用和穩(wěn)固所學(xué)知識(shí)；與此同時(shí)，專業(yè)教師基于學(xué)生在使用知識(shí)過程中出現(xiàn)的問題調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、改良教學(xué)方法，探究學(xué)用互助的科研反哺教學(xué)的理論方式。

一高電壓課堂教學(xué)中存在的問題

高電壓技術(shù)作為電氣工程專業(yè)的專業(yè)必修課之一，理論性極強(qiáng)。電力系統(tǒng)中電力設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)、運(yùn)行檢測(cè)和檢修維護(hù)工作都需用到高電壓技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)筆者以往的教學(xué)經(jīng)歷和同事之間的教學(xué)心得，高電壓技術(shù)課程的主要教學(xué)難點(diǎn)包括：一是知識(shí)面廣、知識(shí)點(diǎn)多。高電壓技術(shù)包含了高電壓絕緣、高電壓試驗(yàn)和電力系統(tǒng)三局部?jī)?nèi)容，各局部的邏輯聯(lián)絡(luò)不明顯，以致于學(xué)生學(xué)習(xí)過程中難以抓住重點(diǎn)；二是局部理論知識(shí)相比照較抽象，如絕緣理論局部，與電氣工程專業(yè)其他以網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)為對(duì)象的課程不同，其內(nèi)容更偏向于材料和物理，學(xué)生對(duì)該局部?jī)?nèi)容以背誦為主，無法深化理解理論背后的物理意義和應(yīng)用理論；三是由于學(xué)生長(zhǎng)期脫離理論，僅靠書本和ppt上的少量圖片來認(rèn)識(shí)電力設(shè)備以及絕緣材料的應(yīng)用，理論與理論脫離；且學(xué)生承受知識(shí)的過程處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，鮮有積極去理解和掌握這些研究對(duì)象的特性，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的過程。傳統(tǒng)教學(xué)方式通常采用專業(yè)教師利用PPT講解知識(shí)點(diǎn)；學(xué)生被動(dòng)地聽課，考前突擊背誦，考試完畢后不久便幾乎遺忘殆盡。學(xué)生將這門課程理解為理工科專業(yè)的"文科";課程，靠考前"背誦";相關(guān)知識(shí)點(diǎn)來通過考試，難以將所學(xué)的知識(shí)與消費(fèi)實(shí)際問題相聯(lián)絡(luò)，與人才培養(yǎng)的目的相違犯。

二高電壓技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)和研究課題的相關(guān)性

"高電壓技術(shù)";是電氣工程專業(yè)的專業(yè)必修課，涵蓋了電介質(zhì)的介電現(xiàn)象與擊穿理論，電力設(shè)備的絕緣與耐壓試驗(yàn)，和電力系統(tǒng)過電壓三局部教學(xué)內(nèi)容【5】。電介質(zhì)的介電現(xiàn)象和擊穿理論可以幫助學(xué)生理解根本的電力設(shè)備中氣體、液體和固體工程電介質(zhì)的根本特性以及在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中收到電、熱、輻射等外界應(yīng)力下性能變化的原因和機(jī)理。電力設(shè)備的絕緣和耐壓試驗(yàn)幫助學(xué)生理解測(cè)試和分析材料以及電力設(shè)備性能的根本方法。電力系統(tǒng)過電壓包括輸電線路和變電站防雷技術(shù)，電力系統(tǒng)過電壓產(chǎn)活力制和防范措施，幫助學(xué)生理解電力系統(tǒng)中過電壓的來源以及抑制措施。

"納米改性絕緣介質(zhì)的制備和改性機(jī)理";課題涉及對(duì)詳細(xì)絕緣材料的根本認(rèn)識(shí)、電介質(zhì)的根本介電和絕緣特性的測(cè)量方法、納米改性改性前后材料特性測(cè)試結(jié)果的分析和討論等內(nèi)容是對(duì)高電壓技術(shù)課程中高電壓絕緣理論和試驗(yàn)技術(shù)的全面應(yīng)用，可以表達(dá)學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解情況，并能使學(xué)生在理論中學(xué)習(xí)和運(yùn)用，幫助教師改良教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)的目的。

圖1為"高電壓技術(shù)";知識(shí)構(gòu)造框架與"納米改性絕緣介質(zhì)的制備和改性機(jī)理";課題中研究?jī)?nèi)容的關(guān)系映射圖。課題包含納米粒子合成、絕緣材料的改性、根本絕緣性能和介電特性測(cè)試、基于測(cè)試結(jié)果的機(jī)理分析等主要內(nèi)容。其中根本絕緣性能和介電特性測(cè)試包括測(cè)量改性前后絕緣材料的擊穿電壓、介電頻譜、電導(dǎo)電流、介質(zhì)損耗、導(dǎo)熱率等關(guān)鍵性能參數(shù)。只有掌握高電壓試驗(yàn)技術(shù)，才能搭建根本的耐壓電路對(duì)絕緣試品進(jìn)展耐壓測(cè)試，運(yùn)用放電理論的相關(guān)知識(shí)，結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析和解釋改性前后擊穿電壓變化的原因；只有掌握介電常數(shù)的根本極化理論，才能分析納米改性前后的介電譜和材料極化的對(duì)應(yīng)關(guān)系；只有理解電介質(zhì)的電導(dǎo)理論和測(cè)量方法，才能正確區(qū)分試品外表電導(dǎo)和體積電導(dǎo)，分析電導(dǎo)電流測(cè)試過程中的電流衰減現(xiàn)象。顯然，在研究過程中并不是孤立地運(yùn)用"高電壓技術(shù)";中的相關(guān)知識(shí)，而是需要學(xué)生全面將電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的介電和電導(dǎo)現(xiàn)象充分理解，并且在此根底上自主學(xué)習(xí)，深化理論認(rèn)知，從而訓(xùn)練學(xué)生靈敏學(xué)習(xí)和使用高階知識(shí)的才能，也對(duì)教師選取詳細(xì)案例分析理論聯(lián)絡(luò)實(shí)際的授課提出了更高要求。

三"科研反哺教學(xué)";的理論

〔一〕研究背景認(rèn)識(shí)和學(xué)生遴選

在學(xué)生開始研究課題前，首先對(duì)課題的研究對(duì)象即絕緣油、交聯(lián)聚乙烯、聚酰亞胺等電介質(zhì)材料以及其運(yùn)用場(chǎng)合應(yīng)該有最根本的認(rèn)識(shí)。絕緣油是油浸式電力設(shè)備特別是電力變壓器的主要內(nèi)絕緣，主要起到絕緣和散熱雙重作用。在電力設(shè)備的運(yùn)行過程中，由于外界入侵以及材料本身老化會(huì)在油中引入的水分是降低變壓器油絕緣性能的重要影響因素。而交聯(lián)聚乙烯和聚酰亞胺等固體絕緣材料主要用在電纜和電機(jī)絕緣中，其導(dǎo)熱性和絕緣性會(huì)直接影響電力設(shè)備的尺寸和平安穩(wěn)定性，且這些聚合物絕緣材料在運(yùn)行過程中容易因?yàn)榫植糠烹姾屠匣阅芰踊?。?duì)于學(xué)生來說，利用納米粒子改性傳統(tǒng)電介質(zhì)是一種新型材料，它是指將具有納米構(gòu)造的填料添加到傳統(tǒng)介質(zhì)中使得其性能由于納米級(jí)別上的改變而表現(xiàn)得與眾不同。一般而言，在分散均勻的情況下，納米填料的引入對(duì)于電介質(zhì)材料性能的提升可有效進(jìn)步納米電介質(zhì)的自由體積，導(dǎo)致介電常數(shù)降低；可使傳統(tǒng)電介質(zhì)材料的交流與直流擊穿強(qiáng)度得到進(jìn)步；可顯著進(jìn)步電介質(zhì)的長(zhǎng)期老化性能與耐電暈性能；可有效抑制電介質(zhì)材料內(nèi)部的空間電荷等【6】。

故在理論初，教師結(jié)合"高電壓技術(shù)";緒論內(nèi)容"電力系統(tǒng)中電力設(shè)備及其絕緣構(gòu)造導(dǎo)論";中，介紹電力設(shè)備構(gòu)造的同時(shí)引入學(xué)科的最新研究進(jìn)展，使學(xué)生總體理解納米改性應(yīng)用的研究背景和應(yīng)用前景的相關(guān)知識(shí)。并將局部研制成功的試品和根本的試驗(yàn)結(jié)果帶到課堂上，吸引學(xué)生的興趣和關(guān)注。采取背景調(diào)研和作業(yè)的方式，考核和選拔局部真正對(duì)課題有興趣并具有良好的學(xué)習(xí)和科研習(xí)慣的同學(xué)參與課題。

〔二〕電介質(zhì)的局部放電和耐壓試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)象包含了液體和固體兩種形態(tài)的電介質(zhì)，對(duì)應(yīng)的放電理論和放電現(xiàn)象各有不同。學(xué)生通過學(xué)習(xí)"高電壓技術(shù)";中的氣、液和固體電介質(zhì)的放電理論，掌握根本的電離、電子崩和流注的概念，并在此根底上理解液體電介質(zhì)的小橋理論和固體電介質(zhì)的電、熱和電化學(xué)擊穿理論以及影響因素。學(xué)生僅限需要掌握其根本原理，更應(yīng)理解其工程試驗(yàn)方法。通過學(xué)習(xí)電力設(shè)備的耐壓試驗(yàn)內(nèi)容，掌握高壓試驗(yàn)的根本接線方法和測(cè)試手段。并由教師提供相應(yīng)的工程試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如GB/T1408-2022、GB/T7354-2022和GB/T507-2022等，分別搭建固體和液體局部放電和耐壓試驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)，使學(xué)生建立理論知識(shí)和工程運(yùn)用之間的聯(lián)絡(luò)。得到測(cè)試結(jié)果之后，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用根本的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)展總結(jié)和分析。并通過其他文獻(xiàn)的閱讀，對(duì)納米粒子對(duì)改性前后絕緣性能的改性的機(jī)理提出創(chuàng)新性的解釋。教師通過將科研前期積累的新理論浸透其中，學(xué)生不僅能更好地理解傳統(tǒng)電介質(zhì)放電理論，并且建立了相關(guān)知識(shí)之間的鏈接，即在學(xué)習(xí)課本理論的過程當(dāng)中，不再單純的將各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)展背誦，而是會(huì)在理解知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)知識(shí)進(jìn)展思維發(fā)散，并實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)用，最終導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)具有更為深化的認(rèn)識(shí)。

〔三〕電介質(zhì)的介電性能測(cè)試

電介質(zhì)的介電性能分析是電氣工程專業(yè)的人在電力設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)和故障診斷過程中必備的根底技能。"高電壓技術(shù)";中對(duì)電介質(zhì)的三大介電性能的根本測(cè)量原理進(jìn)展了簡(jiǎn)單的介紹。但是課本上的知識(shí)相比照較抽象，只有和理論相結(jié)合，才能使學(xué)生真正掌握。且在科研過程中，通常采用信息量更加豐富的電導(dǎo)電流和介電譜等手段來替代工程上簡(jiǎn)單的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。因此課程不應(yīng)局限于書本傳統(tǒng)理論，要注重培養(yǎng)學(xué)生掌握新技術(shù)新方法，并用應(yīng)用分析方法解決詳細(xì)問題的才能。

學(xué)生參與教師的課題進(jìn)展科學(xué)研究，理解最新技術(shù)的同時(shí)還能完成知識(shí)和理論相結(jié)合。測(cè)量?jī)x器在學(xué)生眼里不再僅僅是一張?jiān)韴D，而是其構(gòu)造組成呈如今學(xué)生眼前的實(shí)物；測(cè)量完畢后需要學(xué)生基于所學(xué)知識(shí)對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)展作圖分析和標(biāo)定，得到納米改性前后樣品的介電特性；在分析數(shù)據(jù)結(jié)果的過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)絡(luò)"高電壓技術(shù)";中不同極化形式的特點(diǎn)以及外界和雜質(zhì)等影響因素對(duì)極化和電導(dǎo)的影響，使學(xué)生更好的理解利用介電特性的變化來評(píng)價(jià)電介質(zhì)的性能，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)性的理解。

四總結(jié)

本科階段學(xué)生參與教師的科學(xué)研究，對(duì)學(xué)生而言是將課堂所學(xué)知識(shí)進(jìn)展實(shí)際和綜合運(yùn)用的過程。通過理論深化和穩(wěn)固所學(xué)知識(shí)，知識(shí)就不再是平面的和枯燥的書面知識(shí)，為今后學(xué)生的工作和科研打下根底。另一方面教師可以通過科研過程檢驗(yàn)教學(xué)效果，根據(jù)學(xué)生在理論過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容、改良教學(xué)方法。最終實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)、教學(xué)促科研。

參考文獻(xiàn)

【1】周光禮，"雙