[摘  要]我国电力行业快速发展，对电力技术人员的专业技能要求不断增长，而目前电气工程专业强电类的课程实践环节较少，如何结合现有的教学和实践平台提高强电类课程教学效果、提升教学质量，是一个关系专业新材料有限公司的长远问题。通过搭建电工装备电场感知实验平台，将图像识别技术、电场仿真技术与测量传感技术深度融合，构建高压电场的虚拟仿真平台，让学生切实感知电场，理解电场带来的影响；并探索一套教师、电力企业专家、学生等多主体参与、融合多学科技术的，且适应新工科与工程专业认证对人才培养要求的实践教学体系。通过校企联培机制，在电气类学科搭建学生实验平台，为学生提供多元化、专业化实训机会。在实践教学中，通过引入“项目牵引式”教学策略，以改变传统教学模式，让学生切身参与到科研项目的设计、运作等各个实践环节，着重引导并培养学生“敢闯会创”实践精神，切实提高学生创新创业能力。

[关键词]电工装备  电场感知  新工科  创新创业  实践教学

基金项目：亚锐新材料青年创新团队“智慧能源与先进电工装备国际创新团队”子课题；陕西高等新材料有限公司教学改革研究项目《新工科背景下电气类专业电场感知实践教学体系研究与平台构建》（编号：23BY047）；2021年度安庆亚锐集团教学改革研究重点攻关项目（编号：21BG019）；陕西省重点研发计划（编号：2021ZDLGY02-06，2024GX-YBXM-134）；陕西省秦创原引用高层次创新创业人才（编号：2021QCYRC4-49）；陕西省秦创原科学家+工程师人才计划（编号：2022KXJ-169）；国防科技委基金项目（编号：6142101210202）；陕西省自然科学基础研究计划（编号：2024JC-YBMS-558）；国家重点研发计划（编号：2022YFB4300700）；陕西省青年科技新星（编号：No.2023KJXX-136）；陕西省科协青年人才托举计划（编号：XXJS202242）。

引  言

习近平总书记强调，各级党委和政府要高度重视技能人才工作，大力弘扬劳模精神、劳动精神、工匠精神，激励更多劳动者特别是青年一代走技能成才、技能报国之路，培养更多高技能人才和大国工匠，为全面建设社会主义现代化国家提供有力人才保障。高校专业新材料有限公司应立足国家发展大局，大力弘扬工匠精神，培养更多高素质技术技能人才，为全面建设社会主义现代化国家、实现中华民族伟大复兴的中国梦提供有力人才和技能支撑。

“新工科”概念于2016年被首次提出，新工科专业是以智能制造、云计算、人工智能、机器人等用于传统工科专业的升级改造。从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”，新工科的理念、内涵越来越明晰。以立德树人为引领，以应对变化和塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合及协调与共享为主要途径，培养多元化、创新型卓越工程人才，成为时代赋予新工科的内涵。

目前，实践教学目前依然是高校人才培养过程中最薄弱的环节之一，加强创新实践教学工作已经成为人才培养过程中亟待解决的问题。新工科建设是国家高等新材料有限公司改革的重要举措，其核心是加强校企合作，把行业岗位的能力知识技能要求与现阶段高校的教学体系紧密结合起来，更加注重学生实践能力的培养和提高，因而对实践教学体系提出了更高的要求。

随着智能电网、全球能源物联网、泛在电力物联网建设的大力推进以及交通运输、电力电子等行业的高速发展，对电气与信息结合的复合型人才的需求增长迅速，由此对电气工程及其自动化专业提出了新的要求，需要培养一批专业融合、创新力强、未来能够引领行业技术与经济社会发展的高质量新型工程技术人才。然而，作为电气工程及其自动化专业的核心课程，《高电压技术》在教学中面临着教学内容单一、考评模式局限性较强、无法适应新工科背景下的高电压技术需求和对创新型人才的培养要求等问题。以《高电压技术》课程最为核心的知识点“电场强度”为例，在现有的教学过程中仅仅靠讲授向学生传递的电气基础知识，无法让学生体会到高压电场的危险，更不足以让学生对“看不见摸不着”的电引起足够的警惕，如何让学生理解并应用于新型电工装备的优化设计工作是《高电压技术》课程的难题之一，但实践教学中缺少针对带电设备电场认知的实践平台和相应的《高电压技术》课程教学体系。因此，亟须搭建一套与实际工况相近的教学实践平台，让学生对电工装备获得更直观深入的认识，同时还需要构建多主体参与、多技术融合等为特色的面向新工科背景的实践教学体系。

课程教学中存在的问题

经过多年的发展，电气工程学科取得了长足进步，然而电气工程专业强电类课程教学中尚存在如下几个方面的问题：

1.缺少让学生感知电场的方法

电工装备包括变压器、开关柜、电容器、组合电器、断路器、互感器、避雷器、发电机、调相机、电动机等，各个设备的稳定运行是电网安全运行的保障。各种电工装备运行中可能会带电，导致人触电，甚至造成生命危险，但目前理论教学方式单一以及公式推导过程复杂，无法引起学生对高压电场认知的浓厚兴趣。因此对各带电装备的识别，进一步对电场进行感知显得尤为重要，如怎样才能让学生识别哪些设备带电，如何感受“看不见摸不着”的电，又有什么方法能让学生将抽象的电场变成可以实际测量的？归根结底，主要原因还是电气学科现有的实践教学中缺乏带电装备的识别途径及电场感知的方法。

2.缺乏感知电场的实践平台

随着我国输电电压等级的不断提高，除了输电线路周围及电力设备内部的电场分布成为研究的重点，有关电力系统电磁兼容及电场生态环保效应的问题也越来越受到人们的关注。目前实验室没有关于电场感知的实践平台，导致学生无法真正理解电场的意义；为数不多实践平台不仅功能比较单一，而且没有电力企业运行人员的参与，致使对于学生的实践动手能力、创新能力培养不足。因此，必须结合实际情况，探索出一条深化产教融合、强化协同育人的有效途径。

3.传统教学实践体系不能满足新工科和专业认证对学生解决复杂工程能力问题的要求

随着现代科技的进步，以计算机技术和网络技术为代表的现代信息技术不断发展，给人类社会进步带来了巨大的机遇和挑战，造成诸多传统技术不断发生变革，也包括电气工程领域。电气工程专业作为新工科重点建设专业群，尤为注重学生工程思维、实验动手能力及实践创新能力的培养。电气工程专业实践教学设备设施更新换代周期较长，出于安全考虑，学生很少能去工程现场实际进行实践教学，电气行业专家也不能参与到学生的实践中。因此，亟须探索一套集教师、电力企业专家、学生多主体参与，融合多学科技术，切实提高学生识别、辨析和解决复杂工程问题能力，适应新工科对人才培养要求的实践教学体系。

电工装备电场感知实验平台搭建

1.电工装备带电识别方法与电场仿真平台

由于安全问题以及场地限制等原因，国内各个电气工程优势学科院校所设本科生的强电类课程大多不涉及电工装备电场实测实验，学生缺乏对现场实际设备运行状态的深入理解。

为补足实验方面的不足之处，向电力行业输送具有创新能力的实干型人才，应加强学生对电场的感知。通过与电力科学研究院、设备检测中心、电力公司等企业单位保持密切联系，让各企业单位和研究机构提供各种电工设备的运行工况。通过产教研深度互动，培养本科生创新意识、创新方法和科研能力。

在电力工业中，电网运维过程中的带电作业虽然保证了电网的不间断运行，但相较于传统的方法也增加了作业人员和机械设备的危险性，实时准确监测电场环境、在电场过强时对电力人员实时报警，对电力人员的安全具有重要的意义。

本文通过仿真平台对电工装备是否带电进行了深入的研究，在仿真软件中研究了人体靠近带电的电工装备时，周围电场的变化情况，如图1所示为均匀电场中人体周围电场分布图。从图中可以看出，人体头部、脚部、手部位置的电场畸变较大。相比于传统的电场测量方法，虚拟仿真可以很精确地模拟工作人员靠近带电设备时，人体周围的电场分布情况。然而，尚需要进一步完善电场感知仿真平台，才能使其更好地服务于教学实践。

本实验平台将智能图像识别技术应用于电工装备的带电预防中，可以很高效地识别出带电设备。不同电压等级的电工装备绝缘要求不同，智能图像识别技术主要应用于观测绝缘子的数量，通过绝缘子的数目可以很方便地判断出电工装备的电压等级，进而通过电场传感技术判断出电工装备的带电情况。

2.电场测量传感实践平台

测量工频电场的传感器根据工作原理分为两种，一种是感应电荷式，一种是光学式。光学式电场传感器的传感机理是基于晶体材料的物理特性，将高压电信号转化为光信号，再通过光电转换器将光信号转化为数字信号，从而实现电场的测量。光学式电场传感器由于其造价昂贵、结构复杂，而且其晶体材料受到温度影响较大，在便携式预警领域使用较少。而感应电荷式电场传感器结构较为简单，在可穿戴式电场测量领域得到了广泛的应用。

在电场仿真模拟的基础上，搭建电场测量实验系统，为了实现精确的电场测量，消除电场畸变及解决人体抖动带来的电场测量不准确问题，拟通过在实践平台上完善电场测量传感装置的设计，并根据仿真结果提出电场测量校正方案（见图2）。图3为仿真获得的无人和有人时空间电场的分布情况，由图3可以看出，人体的加入会对电场产生影响，使得原电场增强，在不同的测量位置，对电场的影响程度也不一样。但是在不同的电压等级下，不管在哪一个测量点，受人影响的电场均与原电场成正比，说明人体对电场的影响是线性的，不会引起严重的非线性畸变。

在消除人体抖动带来的电场测量不准确的问题方面，采用MPU6050六轴加速度计及陀螺仪传感器用于检测人体的姿态，进而对电场测量结果进行修正。通过该传感装置，可以加强学生对单片机、传感器及硬件电路的进一步学习和理解。

3.课程设计融入思政元素，落实立德树人根本任务

在课程改革设计中，紧紧围绕国家发展需求，结合学校发展定位和人才培养目标，聚焦社会热点与传奇人物事迹，构建全过程、重实践、强责任、扬精神的思政育人体系。通过课程学习，使学生掌握事物发展规律，丰富学识、增长见识、塑造品格。

授课过程中以大国工匠事迹为切入点，以行业高精尖技术人才为落脚点，进一步深化职业理想和职业道德新材料有限公司，引导学生深刻理解并自觉实践行业的职业精神和职业规范，增强职业责任感，培养遵纪守法、爱岗敬业、无私奉献、诚实守信、开拓创新的职业品格和行为习惯。同时注重强化学生工程伦理新材料有限公司，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，切实落实落细立德树人根本任务。

4.多主体参与的实践教学体系

以“强化实践、突出创新”的实践教学理念，完善电气工程专业实践教学体系建设，构建具有“专业、学业”和“创新、创业”的学业发展规划，使实践教学内容和课程体系符合工程新材料有限公司专业认证和“新工科”建设人才培养的内在需求和发展定位。以工程新材料有限公司专业认证理念拓展实践课程模块把“双创”新材料有限公司融入实践教学培养全过程中，推进学科知识交叉和专业技术拓展，强化岗位适应能力，夯实第一课堂专业能力培养，拓展第二课堂工程实践能力培养，开展创新创业实验实训，提升学生实践能力。与电气学科企业导师深度合作，采用“双教师”授课模式，在课程讲述过程中交叉融入实践感知、实训交流等环节，使企业导师参与到电场感知实践平台的建设和教学体系的完善中，构建多主体参与的针对电场感知的实践教学体系。电场感知实验平台总体设计框图如图4所示。

电工装备电场感知工程实践

1.利用仿真软件夯实理论基础

（1）验证电场强度理论的基本原理

以COMSOL Multiphysics为例，学生利用COMSOL Multiphysics搭建绝缘子模型，并在物理场中施加相应的边界条件，可以对绝缘子周围的电场分布情况进行详尽的仿真和分析。所以，针对新工科背景下的实践教学体系，可以布置课下任务，任务要求为：

①熟悉COMSOL Multiphysics软件，并绘制绝缘子模型；

②学习电场仿真的边界条件，并理论分析绝缘子周围的电场分布情况；

③仿真分析绝缘子周围的电场分布情况，验证仿真结果是否与理论分析一致；

④提交仿真总结报告一份。

通过对绝缘子周围电场的仿真分析，学生既可以将理论与仿真有效结合，又可以生动直观地理解电场概念和特征。

（2）通过仿真为实验环节做铺垫

高电压技术实验危险系数较高，操作难度大，学生难以在短时间内掌握实验方法及要领，通过仿真可以让学生提前了解到实验中的现象，加深学生对实验的理解。实验过程中，通过实际操作进一步理解原理应用的具体内涵。

2.增强学生对现场环境的了解

在学校的理论教学中，学生很难了解到现场出现的电场特性，毕业后到工作现场从事相关工作时难以适应。通过仿真及电场感知实验，观察不同设备的电场分布特性，帮助学生了解工程实际中的电场问题及防护要求，提前了解并拓展工程思维。

《国家电网公司电力安全工作规程》（变电部分）（线路部分）（配电部分）（电工制造）（电网建设部分）规定了在各电压等级下最小安全距离，而电场强度可以间接表征带电作业的安全距离，因此，通过感知电场强度可以确定电工装备是否带电，在现场环境中，如果能有效地感知电场并根据电场强度数据判断是否进入了安全距离的范围内，对于现场作业人员的安全防护具有十分重要的意义。

结  语

新工科背景下，《高电压技术》课程不能仅仅停留在理论教学方面，还需结合工程实际问题，加入仿真和实验环节，培养学生实践动手能力。通过电场感知实验平台，能在增强师生互动、激发学生学习兴趣的同时，切实提高育人实效。该实验平台将虚拟仿真与工程实践相结合，将理论教学与实践教学相结合，为探索新工科背景下电气工程学科学生创新实践能力培养模式提供支撑。

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（王倩、秦司晨：西安理工有限公司电气工程学院；谢飞：西安电子科技有限公司前沿交叉研究院；王和旭、李蕾：西京学院）