[摘" 要]我國電力行業(yè)快速發(fā)展，對電力技術(shù)人員的專業(yè)技能要求不斷增長，而目前電氣工程專業(yè)強(qiáng)電類的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)較少，如何結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)和實(shí)踐平臺提高強(qiáng)電類課程教學(xué)效果、提升教學(xué)質(zhì)量，是一個(gè)關(guān)系專業(yè)教育的長遠(yuǎn)問題。通過搭建電工裝備電場感知實(shí)驗(yàn)平臺，將圖像識別技術(shù)、電場仿真技術(shù)與測量傳感技術(shù)深度融合，構(gòu)建高壓電場的虛擬仿真平臺，讓學(xué)生切實(shí)感知電場，理解電場帶來的影響；并探索一套教師、電力企業(yè)專家、學(xué)生等多主體參與、融合多學(xué)科技術(shù)的，且適應(yīng)新工科與工程專業(yè)認(rèn)證對人才培養(yǎng)要求的實(shí)踐教學(xué)體系。通過校企聯(lián)培機(jī)制，在電氣類學(xué)科搭建學(xué)生實(shí)驗(yàn)平臺，為學(xué)生提供多元化、專業(yè)化實(shí)訓(xùn)機(jī)會。在實(shí)踐教學(xué)中，通過引入“項(xiàng)目牽引式”教學(xué)策略，以改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，讓學(xué)生切身參與到科研項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、運(yùn)作等各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，著重引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生“敢闖會創(chuàng)”實(shí)踐精神，切實(shí)提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

[關(guān)鍵詞]電工裝備" 電場感知" 新工科" 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)" 實(shí)踐教學(xué)

引" 言

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，各級黨委和政府要高度重視技能人才工作，大力弘揚(yáng)勞模精神、勞動精神、工匠精神，激勵更多勞動者特別是青年一代走技能成才、技能報(bào)國之路，培養(yǎng)更多高技能人才和大國工匠，為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家提供有力人才保障。高校專業(yè)教育應(yīng)立足國家發(fā)展大局，大力弘揚(yáng)工匠精神，培養(yǎng)更多高素質(zhì)技術(shù)技能人才，為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢提供有力人才和技能支撐。

“新工科”概念于2016年被首次提出，新工科專業(yè)是以智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。從“復(fù)旦共識”“天大行動”到“北京指南”，新工科的理念、內(nèi)涵越來越明晰。以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化和塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合及協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，成為時(shí)代賦予新工科的內(nèi)涵。

目前，實(shí)踐教學(xué)目前依然是高校人才培養(yǎng)過程中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)工作已經(jīng)成為人才培養(yǎng)過程中亟待解決的問題。新工科建設(shè)是國家高等教育改革的重要舉措，其核心是加強(qiáng)校企合作，把行業(yè)崗位的能力知識技能要求與現(xiàn)階段高校的教學(xué)體系緊密結(jié)合起來，更加注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提高，因而對實(shí)踐教學(xué)體系提出了更高的要求。

隨著智能電網(wǎng)、全球能源物聯(lián)網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的大力推進(jìn)以及交通運(yùn)輸、電力電子等行業(yè)的高速發(fā)展，對電氣與信息結(jié)合的復(fù)合型人才的需求增長迅速，由此對電氣工程及其自動化專業(yè)提出了新的要求，需要培養(yǎng)一批專業(yè)融合、創(chuàng)新力強(qiáng)、未來能夠引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的高質(zhì)量新型工程技術(shù)人才。然而，作為電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程，《高電壓技術(shù)》在教學(xué)中面臨著教學(xué)內(nèi)容單一、考評模式局限性較強(qiáng)、無法適應(yīng)新工科背景下的高電壓技術(shù)需求和對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求等問題。以《高電壓技術(shù)》課程最為核心的知識點(diǎn)“電場強(qiáng)度”為例，在現(xiàn)有的教學(xué)過程中僅僅靠講授向?qū)W生傳遞的電氣基礎(chǔ)知識，無法讓學(xué)生體會到高壓電場的危險(xiǎn)，更不足以讓學(xué)生對“看不見摸不著”的電引起足夠的警惕，如何讓學(xué)生理解并應(yīng)用于新型電工裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作是《高電壓技術(shù)》課程的難題之一，但實(shí)踐教學(xué)中缺少針對帶電設(shè)備電場認(rèn)知的實(shí)踐平臺和相應(yīng)的《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)體系。因此，亟須搭建一套與實(shí)際工況相近的教學(xué)實(shí)踐平臺，讓學(xué)生對電工裝備獲得更直觀深入的認(rèn)識，同時(shí)還需要構(gòu)建多主體參與、多技術(shù)融合等為特色的面向新工科背景的實(shí)踐教學(xué)體系。

課程教學(xué)中存在的問題

經(jīng)過多年的發(fā)展，電氣工程學(xué)科取得了長足進(jìn)步，然而電氣工程專業(yè)強(qiáng)電類課程教學(xué)中尚存在如下幾個(gè)方面的問題：

1.缺少讓學(xué)生感知電場的方法

電工裝備包括變壓器、開關(guān)柜、電容器、組合電器、斷路器、互感器、避雷器、發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、電動機(jī)等，各個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)安全運(yùn)行的保障。各種電工裝備運(yùn)行中可能會帶電，導(dǎo)致人觸電，甚至造成生命危險(xiǎn)，但目前理論教學(xué)方式單一以及公式推導(dǎo)過程復(fù)雜，無法引起學(xué)生對高壓電場認(rèn)知的濃厚興趣。因此對各帶電裝備的識別，進(jìn)一步對電場進(jìn)行感知顯得尤為重要，如怎樣才能讓學(xué)生識別哪些設(shè)備帶電，如何感受“看不見摸不著”的電，又有什么方法能讓學(xué)生將抽象的電場變成可以實(shí)際測量的？歸根結(jié)底，主要原因還是電氣學(xué)科現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)中缺乏帶電裝備的識別途徑及電場感知的方法。

2.缺乏感知電場的實(shí)踐平臺

隨著我國輸電電壓等級的不斷提高，除了輸電線路周圍及電力設(shè)備內(nèi)部的電場分布成為研究的重點(diǎn)，有關(guān)電力系統(tǒng)電磁兼容及電場生態(tài)環(huán)保效應(yīng)的問題也越來越受到人們的關(guān)注。目前實(shí)驗(yàn)室沒有關(guān)于電場感知的實(shí)踐平臺，導(dǎo)致學(xué)生無法真正理解電場的意義；為數(shù)不多實(shí)踐平臺不僅功能比較單一，而且沒有電力企業(yè)運(yùn)行人員的參與，致使對于學(xué)生的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足。因此，必須結(jié)合實(shí)際情況，探索出一條深化產(chǎn)教融合、強(qiáng)化協(xié)同育人的有效途徑。

3.傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐體系不能滿足新工科和專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生解決復(fù)雜工程能力問題的要求

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，以計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)不斷發(fā)展，給人類社會進(jìn)步帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，造成諸多傳統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)生變革，也包括電氣工程領(lǐng)域。電氣工程專業(yè)作為新工科重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)群，尤為注重學(xué)生工程思維、實(shí)驗(yàn)動手能力及實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。電氣工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)設(shè)備設(shè)施更新?lián)Q代周期較長，出于安全考慮，學(xué)生很少能去工程現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，電氣行業(yè)專家也不能參與到學(xué)生的實(shí)踐中。因此，亟須探索一套集教師、電力企業(yè)專家、學(xué)生多主體參與，融合多學(xué)科技術(shù)，切實(shí)提高學(xué)生識別、辨析和解決復(fù)雜工程問題能力，適應(yīng)新工科對人才培養(yǎng)要求的實(shí)踐教學(xué)體系。

電工裝備電場感知實(shí)驗(yàn)平臺搭建

1.電工裝備帶電識別方法與電場仿真平臺

由于安全問題以及場地限制等原因，國內(nèi)各個(gè)電氣工程優(yōu)勢學(xué)科院校所設(shè)本科生的強(qiáng)電類課程大多不涉及電工裝備電場實(shí)測實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏對現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的深入理解。

為補(bǔ)足實(shí)驗(yàn)方面的不足之處，向電力行業(yè)輸送具有創(chuàng)新能力的實(shí)干型人才，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對電場的感知。通過與電力科學(xué)研究院、設(shè)備檢測中心、電力公司等企業(yè)單位保持密切聯(lián)系，讓各企業(yè)單位和研究機(jī)構(gòu)提供各種電工設(shè)備的運(yùn)行工況。通過產(chǎn)教研深度互動，培養(yǎng)本科生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新方法和科研能力。

在電力工業(yè)中，電網(wǎng)運(yùn)維過程中的帶電作業(yè)雖然保證了電網(wǎng)的不間斷運(yùn)行，但相較于傳統(tǒng)的方法也增加了作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備的危險(xiǎn)性，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測電場環(huán)境、在電場過強(qiáng)時(shí)對電力人員實(shí)時(shí)報(bào)警，對電力人員的安全具有重要的意義。

本文通過仿真平臺對電工裝備是否帶電進(jìn)行了深入的研究，在仿真軟件中研究了人體靠近帶電的電工裝備時(shí)，周圍電場的變化情況，如圖1所示為均勻電場中人體周圍電場分布圖。從圖中可以看出，人體頭部、腳部、手部位置的電場畸變較大。相比于傳統(tǒng)的電場測量方法，虛擬仿真可以很精確地模擬工作人員靠近帶電設(shè)備時(shí)，人體周圍的電場分布情況。然而，尚需要進(jìn)一步完善電場感知仿真平臺，才能使其更好地服務(wù)于教學(xué)實(shí)踐。

本實(shí)驗(yàn)平臺將智能圖像識別技術(shù)應(yīng)用于電工裝備的帶電預(yù)防中，可以很高效地識別出帶電設(shè)備。不同電壓等級的電工裝備絕緣要求不同，智能圖像識別技術(shù)主要應(yīng)用于觀測絕緣子的數(shù)量，通過絕緣子的數(shù)目可以很方便地判斷出電工裝備的電壓等級，進(jìn)而通過電場傳感技術(shù)判斷出電工裝備的帶電情況。

2.電場測量傳感實(shí)踐平臺

測量工頻電場的傳感器根據(jù)工作原理分為兩種，一種是感應(yīng)電荷式，一種是光學(xué)式。光學(xué)式電場傳感器的傳感機(jī)理是基于晶體材料的物理特性，將高壓電信號轉(zhuǎn)化為光信號，再通過光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，從而實(shí)現(xiàn)電場的測量。光學(xué)式電場傳感器由于其造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其晶體材料受到溫度影響較大，在便攜式預(yù)警領(lǐng)域使用較少。而感應(yīng)電荷式電場傳感器結(jié)構(gòu)較為簡單，在可穿戴式電場測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在電場仿真模擬的基礎(chǔ)上，搭建電場測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)精確的電場測量，消除電場畸變及解決人體抖動帶來的電場測量不準(zhǔn)確問題，擬通過在實(shí)踐平臺上完善電場測量傳感裝置的設(shè)計(jì)，并根據(jù)仿真結(jié)果提出電場測量校正方案（見圖2）。圖3為仿真獲得的無人和有人時(shí)空間電場的分布情況，由圖3可以看出，人體的加入會對電場產(chǎn)生影響，使得原電場增強(qiáng)，在不同的測量位置，對電場的影響程度也不一樣。但是在不同的電壓等級下，不管在哪一個(gè)測量點(diǎn)，受人影響的電場均與原電場成正比，說明人體對電場的影響是線性的，不會引起嚴(yán)重的非線性畸變。

在消除人體抖動帶來的電場測量不準(zhǔn)確的問題方面，采用MPU6050六軸加速度計(jì)及陀螺儀傳感器用于檢測人體的姿態(tài)，進(jìn)而對電場測量結(jié)果進(jìn)行修正。通過該傳感裝置，可以加強(qiáng)學(xué)生對單片機(jī)、傳感器及硬件電路的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和理解。

3.課程設(shè)計(jì)融入思政元素，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)

在課程改革設(shè)計(jì)中，緊緊圍繞國家發(fā)展需求，結(jié)合學(xué)校發(fā)展定位和人才培養(yǎng)目標(biāo)，聚焦社會熱點(diǎn)與傳奇人物事跡，構(gòu)建全過程、重實(shí)踐、強(qiáng)責(zé)任、揚(yáng)精神的思政育人體系。通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握事物發(fā)展規(guī)律，豐富學(xué)識、增長見識、塑造品格。

授課過程中以大國工匠事跡為切入點(diǎn)，以行業(yè)高精尖技術(shù)人才為落腳點(diǎn)，進(jìn)一步深化職業(yè)理想和職業(yè)道德教育，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解并自覺實(shí)踐行業(yè)的職業(yè)精神和職業(yè)規(guī)范，增強(qiáng)職業(yè)責(zé)任感，培養(yǎng)遵紀(jì)守法、愛崗敬業(yè)、無私奉獻(xiàn)、誠實(shí)守信、開拓創(chuàng)新的職業(yè)品格和行為習(xí)慣。同時(shí)注重強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，切實(shí)落實(shí)落細(xì)立德樹人根本任務(wù)。

4.多主體參與的實(shí)踐教學(xué)體系

以“強(qiáng)化實(shí)踐、突出創(chuàng)新”的實(shí)踐教學(xué)理念，完善電氣工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)，構(gòu)建具有“專業(yè)、學(xué)業(yè)”和“創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”的學(xué)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，使實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和課程體系符合工程教育專業(yè)認(rèn)證和“新工科”建設(shè)人才培養(yǎng)的內(nèi)在需求和發(fā)展定位。以工程教育專業(yè)認(rèn)證理念拓展實(shí)踐課程模塊把“雙創(chuàng)”教育融入實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)全過程中，推進(jìn)學(xué)科知識交叉和專業(yè)技術(shù)拓展，強(qiáng)化崗位適應(yīng)能力，夯實(shí)第一課堂專業(yè)能力培養(yǎng)，拓展第二課堂工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，提升學(xué)生實(shí)踐能力。與電氣學(xué)科企業(yè)導(dǎo)師深度合作，采用“雙教師”授課模式，在課程講述過程中交叉融入實(shí)踐感知、實(shí)訓(xùn)交流等環(huán)節(jié)，使企業(yè)導(dǎo)師參與到電場感知實(shí)踐平臺的建設(shè)和教學(xué)體系的完善中，構(gòu)建多主體參與的針對電場感知的實(shí)踐教學(xué)體系。電場感知實(shí)驗(yàn)平臺總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

電工裝備電場感知工程實(shí)踐

1.利用仿真軟件夯實(shí)理論基礎(chǔ)

（1）驗(yàn)證電場強(qiáng)度理論的基本原理

以COMSOL Multiphysics為例，學(xué)生利用COMSOL Multiphysics搭建絕緣子模型，并在物理場中施加相應(yīng)的邊界條件，可以對絕緣子周圍的電場分布情況進(jìn)行詳盡的仿真和分析。所以，針對新工科背景下的實(shí)踐教學(xué)體系，可以布置課下任務(wù)，任務(wù)要求為：

①熟悉COMSOL Multiphysics軟件，并繪制絕緣子模型；

②學(xué)習(xí)電場仿真的邊界條件，并理論分析絕緣子周圍的電場分布情況；

③仿真分析絕緣子周圍的電場分布情況，驗(yàn)證仿真結(jié)果是否與理論分析一致；

④提交仿真總結(jié)報(bào)告一份。

通過對絕緣子周圍電場的仿真分析，學(xué)生既可以將理論與仿真有效結(jié)合，又可以生動直觀地理解電場概念和特征。

（2）通過仿真為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)做鋪墊

高電壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)較高，操作難度大，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)掌握實(shí)驗(yàn)方法及要領(lǐng)，通過仿真可以讓學(xué)生提前了解到實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解。實(shí)驗(yàn)過程中，通過實(shí)際操作進(jìn)一步理解原理應(yīng)用的具體內(nèi)涵。

2.增強(qiáng)學(xué)生對現(xiàn)場環(huán)境的了解

在學(xué)校的理論教學(xué)中，學(xué)生很難了解到現(xiàn)場出現(xiàn)的電場特性，畢業(yè)后到工作現(xiàn)場從事相關(guān)工作時(shí)難以適應(yīng)。通過仿真及電場感知實(shí)驗(yàn)，觀察不同設(shè)備的電場分布特性，幫助學(xué)生了解工程實(shí)際中的電場問題及防護(hù)要求，提前了解并拓展工程思維。

《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》（變電部分）（線路部分）（配電部分）（電工制造）（電網(wǎng)建設(shè)部分）規(guī)定了在各電壓等級下最小安全距離，而電場強(qiáng)度可以間接表征帶電作業(yè)的安全距離，因此，通過感知電場強(qiáng)度可以確定電工裝備是否帶電，在現(xiàn)場環(huán)境中，如果能有效地感知電場并根據(jù)電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)判斷是否進(jìn)入了安全距離的范圍內(nèi)，對于現(xiàn)場作業(yè)人員的安全防護(hù)具有十分重要的意義。

結(jié)" 語

新工科背景下，《高電壓技術(shù)》課程不能僅僅停留在理論教學(xué)方面，還需結(jié)合工程實(shí)際問題，加入仿真和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力。通過電場感知實(shí)驗(yàn)平臺，能在增強(qiáng)師生互動、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，切實(shí)提高育人實(shí)效。該實(shí)驗(yàn)平臺將虛擬仿真與工程實(shí)踐相結(jié)合，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，為探索新工科背景下電氣工程學(xué)科學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)模式提供支撐。

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