曹政欽 尹泰 魏鋼 張海燕 朱家富

摘 ? 要：《高電壓技術(shù)》課程作為學(xué)校電氣專業(yè)的一門核心課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。現(xiàn)依據(jù)本科教育人才培養(yǎng)目標(biāo)，在普通教學(xué)模式下引入基于特斯拉線圈的高電壓技術(shù)課堂演示環(huán)節(jié)，通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生更加具體直觀地理解氣體放電知識內(nèi)容更為具體、直觀，拉近學(xué)生與該課程的心理距離有效提高學(xué)生的課堂積極性和參與度，同時增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新意識，從而為今后的工作打下強(qiáng)有力的實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：特斯拉線圈 ?高電壓技術(shù) ?教學(xué)改革

中圖分類號：TM724 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0229-02

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)覆蓋面積越來越廣，對電能的大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨笠苍絹碓蕉?，在促進(jìn)社會發(fā)展和方便人們生活的同時，也帶來了許多高電壓相關(guān)的技術(shù)問題?！陡唠妷杭夹g(shù)》是重慶科技學(xué)院電氣工程及其自動化本科生需要選修的一門專業(yè)課程，同時也是電力專業(yè)從業(yè)人員需要掌握的專業(yè)知識。該課程對于學(xué)生夯實(shí)專業(yè)知識，提高就業(yè)競爭力，增強(qiáng)實(shí)踐能力具有十分重要的意義。

1 ?課程教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

《高電壓技術(shù)》主要包括電介質(zhì)絕緣電氣特性、高電壓試驗(yàn)的方法和檢測方法、電氣設(shè)備絕緣配合等內(nèi)容。其涉及到多門電氣專業(yè)基礎(chǔ)課程知識，具有體系深，覆蓋知識面廣的特點(diǎn)。同時，該課程也是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的工程技術(shù)學(xué)科。但作為本校電氣專業(yè)的選修課程，授課學(xué)時少，授課形式也較為單一。因此，對于大多數(shù)學(xué)生而言，該課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容抽象，學(xué)習(xí)熱情難以被激發(fā)，并在主觀上無法對該課程高度重視。針對以上難題，提出通過制作實(shí)物課堂演示進(jìn)行教學(xué)來幫助學(xué)生理解相關(guān)知識，提高學(xué)生課堂積極性和參與度。

2 ?基于特斯拉線圈的實(shí)物演示課堂教學(xué)

2.1 特斯拉線圈原理

特斯拉線圈工作原理如圖1所示。其放電過程主要可分為三個階段：首先接入電源，電流經(jīng)過變壓器升壓并給電容充電，其工作電路如圖2所示;其次，打火器點(diǎn)火擊穿空氣形成初級回路，產(chǎn)生LC振蕩并向次級線圈傳遞能量，其工作電路如圖3所示;最后，在次級回路中放電頂端電壓達(dá)到閾值形成閃電，其工作電路如圖4所示。

（1）升壓區(qū)：交流電壓經(jīng)過升壓變壓器升壓后，再經(jīng)整流橋轉(zhuǎn)換成直流電壓給電容C1充電，電容兩極板的電勢差逐漸增大，使得與其并聯(lián)的打火器兩端電壓增大，當(dāng)電容兩極的電壓增大到打火器擊穿電壓的閥值時，打火器間隙被擊穿，初級回路導(dǎo)通。如圖3所示。

（2）振蕩區(qū)：初級回路中的電容C1和初級線圈L1構(gòu)成一個LC振蕩回路。此時由于LC振蕩，初級電路中的能量會在電容C1和初級線圈L1之間反復(fù)轉(zhuǎn)換。又由于初級線圈與次級線圈耦合，此時次級線圈中會產(chǎn)生感生電動勢。如圖4所示。

（3）放電區(qū)：在次級線圈產(chǎn)生高電壓后，由于次級回路LC振蕩，次級回路中的電荷會不斷流向放電頂端，放電頂端電壓不斷升高，當(dāng)放電頂端的電壓達(dá)到一定值時，放電頂端會放出高壓電弧。

2.2 基于特斯拉線圈的教學(xué)實(shí)施

2.2.1 課前預(yù)習(xí)

在課堂向?qū)W生展示并介紹演示要用到的火花間隙特斯拉線圈，其實(shí)物如圖5所示，讓學(xué)生自行觀察并結(jié)合課本中沖擊放電實(shí)驗(yàn)和氣體放電部分的知識內(nèi)容，了解特斯拉線圈各部分組成及其功能，大致熟悉特斯拉線圈工作原理及其過程。

2.2.2 課堂演示

接通電源，電流先經(jīng)過整流再到變壓器升壓，電容開始充電，充電完成后打火器兩端空氣被擊穿。此時，會伴隨“啪啪”的噪音，同時，放電頂端周圍空氣將被電離，直至頂端放置的不銹鋼金屬球周圍產(chǎn)生電弧，其放電圖如圖6所示，該電弧與微型閃電相似，學(xué)生可近距離明顯觀察現(xiàn)象。與此同時，教師可現(xiàn)場結(jié)合教學(xué)內(nèi)容對該現(xiàn)象作進(jìn)一步闡述，組織學(xué)生答疑，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解。

2.2.3 課后拓展

觀察完特斯拉線圈放電現(xiàn)象后，教師可讓學(xué)生課后自行討論并查閱相關(guān)資料了解特斯拉線圈的歷史與適用范圍等，有興趣的學(xué)生可以思考特斯拉線圈的創(chuàng)新應(yīng)用等，提高個人動手能力，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新思維。

2.3 教學(xué)實(shí)物效果及展望

將實(shí)物演示引入教學(xué)環(huán)節(jié)，將抽象的放電理論具體化，對于學(xué)生掌握課堂內(nèi)容并養(yǎng)成樂于探究，熱愛科學(xué)的學(xué)習(xí)精神有較大的促進(jìn)作用;該裝置成套原材料平均成本僅為200元左右，遠(yuǎn)低于市場成品價格。此外，該裝置經(jīng)久耐用，不易損壞，預(yù)期使用可達(dá)5年以上;同時，該裝置具有良好的教學(xué)效益：除了課堂演示之外，通過了解設(shè)備的材料、安裝及原理也能使學(xué)生積極融入教學(xué)實(shí)踐。對于該教具在學(xué)校的投入使用，具有很好的應(yīng)用前景。該裝置可大面積用于課堂演示及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 ?結(jié)語

通過制作特斯拉線圈并進(jìn)行課堂演示，來加深學(xué)生對沖擊電壓發(fā)生器和放電理論的認(rèn)識。通過一系列實(shí)驗(yàn)，增加課堂師生之間的互動性，活躍課堂氛圍，增強(qiáng)學(xué)生興趣;利用實(shí)物具體闡釋課本內(nèi)容，幫助學(xué)生對課堂內(nèi)容的理解，加深其對知識的印象;在學(xué)生觀察學(xué)習(xí)的過程中，不僅增加了他們的參與感，同時也為培養(yǎng)學(xué)生課外探究與創(chuàng)新能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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