武汉大学“脉冲功率基础”课程建设实践

［摘 要］ 近年来，脉冲功率技术在国防、科研领域取得了令人瞩目的研究成果，“脉冲功率基础”是一门讲解脉冲功率技术的专业课程，对电气工程学科体系非常重要。立足于课程定位、课程目标、课程内容、教学方法、课程考核等内容，对武汉大学的“脉冲功率基础”课程建设进行了全面介绍，对脉冲功率技术与传统文化相结合的课程思政建设进行了初步探析，最后提出了未来的努力方向。希望后续能够与开展相关课程的教师切磋探讨，共同进步。

［关键词］ 脉冲功率技术；课程建设；课程思政

［基金项目］ 2022—2025年国家自然科学基金项目“电磁线圈发射极端物理条件下的G10复合材料老化机理”（52177155）

［作者简介］ 张亚东（1984—），男，吉林白山人，博士，武汉大学电气与自动化学院教授，主要从事高电压与绝缘技术、脉冲功率技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）08-0012-04 ［收稿日期］ 2023-11-20

引言

脉冲功率技术是基于国防科研需求发展起来的，以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压大电流技术融为一体的新兴学科［1-2］，经过几十年的发展，其体系已基本成熟。脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用，而且现在已经越来越多地被应用于工业和民用部门，它是高新技术研究的重要技术基础之一，有着极其广泛的发展和应用前景。近年来，脉冲功率技术不断吸收材料科学、计算科学、人工智能等学科的新知识和新技术，在脉冲功率装置的小型化、重复性、可靠性等方面有了长足进步，拓展了其分析设计方法和应用领域，促进了电工学科的发展。

与此同时，我国一些高校进行了卓有成效的脉冲功率技术课程建设工作，其中清华大学、西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、海军工程大学、国防科技大学等少数学校开设了脉冲功率技术专业课程，编写了多本相关教材，发表了学术和教学相关著作。经过多年努力，课程建设取得了较好的成绩。例如2009年，武汉大学王莹教授对脉冲功率技术的定义、历史、组成、储能或脉冲发生系统、脉冲压缩或成形系统、负载类型及其应用等进行了全面论述，对脉冲功率科学体系进行了梳理，编写了《脉冲功率科学与技术》。2011年，国家自然科学基金委员会组织专家对脉冲功率学科的发展方向进行了专题研讨，总结了当时的研究成果，建议重点突破高功率、高可靠性、脉冲功率开关、能量转换等4个技术方向［3］。2022年，海军工程大学探讨了“脉冲功率”课程的课程思政建设问题，从顶层规划、思政元素挖掘和教学方式设计三个方面，探究了“脉冲功率基础”课程思政建设的策略，从行业、国家、国际竞争等角度，选取装置、关键元器件、科研人员等作为思政切入点，引导学生坚定“四个自信”，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，将思政理论无痕地融入专业课学习中［4-5］。2023年，国防科技大学开展了研究生在“脉冲功率技术”课程上的实践性教学探索，分析了“脉冲功率基础”课程在电子科学与技术一级学科下物理电子学方向研究生教育中的基本情况，以及前期教育教学中遇到的一些问题，阐述了该课程的实践性教学探索过程及取得的成效，给出了针对研究生前沿课程实践性教学探索的若干建议［6］。

武汉大学开设“脉冲功率基础”课程已13年左右。笔者开展相关教学11年，逐渐形成了对脉冲功率技术的理解及课程建设风格。为了推进新工科建设与发展，深化高等工程教育改革，本文对课程的总体定位、课程目标、课程内容、教学方法、课程考核、课程思政等方面进行了总结和介绍，通过对教学内容、教学方法、考核方式的改革，积极探索实施工程教育人才培养的新模式。

一、总体定位

“脉冲功率基础”课程是武汉大学电气工程专业的一门专业选修课，课程教材为北京航空航天大学出版社出版的《脉冲功率科学与技术》，该书是脉冲功率技术教学和研究的重要学习参考书。该书的特点是系统框架清晰、内容丰富、论述全面、体系严谨。但是由于本课程学时有限，共28学时（2023年已改为32学时），仅能择其重点、要点进行讲解，因此武汉大学“脉冲功率基础”课程定位为：旨在通过本课程的学习，使学生理解和掌握脉冲功率技术的专业基础知识，初步培养学生在脉冲功率技术实际应用中分析和解决问题的能力。

二、课程目标

根据《脉冲功率科学与技术》教材内容框架，以及我校电气专业特色和背景，提出了“脉冲功率基础”课程的教学目标，即让学生理解和掌握以下4个方面的内容：（1）熟悉脉冲功率技术的发展历史及其与电力系统技术的相关性。（2）掌握脉冲功率技术的知识体系，包括脉冲功率技术的基本原理、基本结构组成，重点掌握4种脉冲功率电源的充放电特性，开关与电源的配合方式及限制条件，电压、电流等参量的测量方法。（3）熟悉脉冲功率技术的应用领域，分析其在应用中面临的电磁、温度、应力等限制条件，分析一种典型应用技术问题。（4）建立社会背景和工程背景，拓展学生的应用分析思维，认识更广阔的知识体系和文化属性，开展自我分析和批评，审视自身发展，培养人文社会科学素养及社会责任感。

三、课程内容

由于课时有限，无法按照教材进行逐章讲解，而是择其框架和技术要点进行讲解。本课程的教学内容主要包括掌握脉冲功率技术的基本原理、脉冲功率技术考察的特征量、高压大功率脉冲装置基本结构形式（电容储能、电感储能、惯性储能、电池储能）、脉冲功率系统开关（闭合开关、断路开关、半导体开关等）、脉冲功率测量技术、等离子体技术以及脉冲功率技术的典型应用等方面的基础知识。

本课程开设在大三下学期，在此之前学生已经学习了“电路”“大学物理”“工程电磁场”“电机学”“高电压工程”等课程，因此容易理解“脉冲功率基础”课程所涉及的专业基础知识。本课程为后续“高压电器”“高电压试验设计”“电力拖动与控制”等课程提供了研究方向、应用案例和基础分析方法，也为本科毕业设计中高电压与绝缘技术方向提供了选题内容和研究方法。

四、教学方法

新工科教育面临两大问题：一是学生知识面过窄，缺乏对工程及工程问题的基本认知，发现、解决工程实际问题的能力较弱；二是缺乏创新思维培育及创新能力训练［7］。教学方法创新是探索实施工程教育人才培养、提升高等工程教育人才培养质量的重要抓手。

选课之初，学生觉得脉冲功率技术是“高大上”的科学技术，充满科幻色彩，因此充满好奇，但也心存畏惧，怕难以听懂。如何能在短短二十几个学时中让学生理解并掌握脉冲功率技术，这对教学方法提出了很高的要求。

笔者在“脉冲功率基础”课程实践中主要采用了内容PPT讲解、难点提问、黑板作答、多媒体视频呈现、实验室参观、结课PPT汇报及评审等六种形式，通过线上线下不同渠道交流，不断训练学生对典型脉冲功率电路的分析能力，修正学生对脉冲功率知识的理解，锻炼其科技论文写作的规范性。多年的课程实践表明，目前所用的教学手段缺一不可。其中，PPT讲解是基本授课过程，是最需要吸引学生注意力的部分，教师需要对课件不断改进完善，注重其逻辑性和表现力才能抓住学生的注意力。但毕竟这门课是选修课，部分学生重视度不够，容易在课上走神或学习其他课程。难点提问和黑板作答是触发学生紧张情绪，使其从溜号状态紧急拉回学习状态的重要方法，能够有效帮助学生学习和掌握知识要点和难点。该方法特别适用于部分枯燥但很重要的知识点，是提高学生听课效果的灵丹妙药。但是上述方法不能提高学生的学习兴趣，因此可增加多媒体视频和实验室参观环节。利用网络中优质的视频资源能够让很多脉冲功率技术的表现力更直观、更震撼，能够极大提高学生的注意力。通常讲解普通PPT课件的抬头率仅有60%～70%，而在播放多媒体视频和在实验室参观时，学生的抬头率会达到90%以上。结课报告中很多学生反馈要进一步提高多媒体视频和实验室参观的教学占比。

结课PPT汇报及评审是考查学生对脉冲功率技术应用的汇报，学生通过选题及PPT汇报评审旁听，能够了解到脉冲功率技术应用面广，所含技术包罗万象，能够从工程实际角度认识脉冲功率技术不同方法的优点和局限性，获得写作能力和分析研究问题的能力。该方法适合新工科建设要求的课堂知识学以致用，在工程训练中提高了学生对知识的掌握程度，是不可或缺的教学方法。

上述六种教学方法得到了学生的充分肯定，帮助笔者实现了教学目标。

五、课程考核

课程考核是“脉冲功率基础”课程解决新工科教育难题的另一个有效手段。按照课程内容布置作业和考核，课程考核方法上鼓励学生分组开展仿真实验，并形成较为系统的研究成果，尽早实现理论和实践相结合，踏入工程研究的门槛，这样在开展本科毕业设计和研究生项目时能够快速上手。目前“脉冲功率基础”课程的选课学生有1/3正在开展大学生创新实践活动，由于脉冲功率技术涉及众多学科交叉及创新，学生所开展的国家级、校级大学生创新实践课题大多能够用于脉冲功率技术领域，因此鼓励他们将“大创”课题内容作为课程报告。

通过问卷调查了解学生对课程的评价，结果显示，课程安排合理，内容丰富，考核方式得当，大多数学生感觉学习压力适中，基本掌握了脉冲功率的作用机理。学生认识到电气科学是一个很大的学科，电力系统虽然非常重要，但脉冲功率技术涉及武器、大科学装置、民用等方方面面，也是非常有意义的学科。学生开阔了眼界，对电气学科有了更加立体的认知，其中的Marx发生器、特斯拉线圈、电感储能放电装置等内容让学生认识到高功率脉冲实验装置设计之巧妙。通过讲解和提问让学生逐步理解脉冲功率的内涵、知识体系、脉冲电压、电流放大技术实现的关键技术等，提高了学生开展科学研究的兴趣，锻炼了学生的科研能力。

六、课程思政

思想政治建设是高校课程改革的重要内容之一。2019年，清华大学于歆杰教授总结了理工科常见的对课程思政的7个错误或片面观点，论证了理解开展思政教育的必要性，从如何立德树人、开展价值塑造、进行能力培养等不同层面阐释了课程思政方法［8］。课程思政对培养脉冲功率技术人才同样具有重要作用。除了采用多媒体等手段使学生深入了解脉冲功率知识外，本课程专门从传统文化和科学名人等角度进行了课程思政建设。

课程用1个学时介绍了中华优秀传统文化，如太极拳和中医等。首先基于平时的视频、新闻等讨论大家对中华优秀传统文化的认识和质疑，然后本课程通过波形、力学分析，让学生明白中医的治病原理和太极拳的技击技巧，通过逻辑推理，分析和理解中华优秀传统文化，让学生带着问题思考。通过讲解中华优秀传统文化中蕴含的脉冲功率概念，增强学生对中华优秀传统文化的认同感，坚定文化自信。

课程用2个学时介绍了尼古拉·特斯拉，介绍了其对电气学科和脉冲功率学科的贡献，鼓励学生开发想象力和质疑精神，更加平衡地开展科学研究工作。

课程用1个学时开展了电磁线圈发射技术讲座及课程训练点评，让他们了解工程设计需要从多角度考虑，不但要解决电磁温度应力等耦合问题，还要关注环境友好、成本低廉等因素，这样才能做出受欢迎的产品，得到令人信服的结果。

课程思政取得了一定效果：（1）科学学习方法。培养学生掌握科学学习方法，学会分析问题，开展模型仿真分析和实验验证，把问题和解答刻画完整，是需要投入时间精雕细刻的。（2）端正对于科学本身的态度。科学的态度是不迷信，课程在讲解太极拳、中医的基本原理时，很多学生都认为是迷信，虽然大家没有学习接触过，但是由于影视宣传耳濡目染，想当然地认为这些都是迷信，当笔者给大家讲解完，学生恍然大悟，认识到原来可以这么理解人体、理解中华优秀传统文化，顿时就不神秘了。（3）认识到脉冲功率科学就在我们身边。通过体育锻炼、太极拳、中医、声音传播、按摩、武器应用、科学装置等，学生发现脉冲功率一直在我们身边，要用科学的眼光去发现身边的科学密码。

七、改进方向

上文简要介绍了“脉冲功率基础”课程建设的基本思路和实施方法。虽然课程建设思路更加明确，得到了学生的肯定，但是根据学生的课程反馈意见、教学方法的进步、脉冲功率技术发展的新动向等，需要继续完善课程体系建设，未来拟进行以下五个方面的改进：（1）为了适应脉冲功率新概念武器、大科学装置新一轮建设、新型电力系统等方面的研究进展，需要不断补充、更新这三个方面的教学内容和考核题目。（2）增加布鲁姆林传输线、脉冲等离子体方面的内容，这是脉冲功率技术两个非常重要的知识点，但之前由于课时有限，只是一带而过，对于新增课时可以对这两项内容进行更全面的讲解。（3）为了进一步激发学生的学习热情，强化对脉冲功率基础知识的掌握，增加演示实验教学方法，对此进行实验仪器建设，拟开发脉冲电容、电感储能及放电系统等。（4）在综述报告的基础上，开展仿真和实验方面的考核，让全体学生都能真正地动手参与和实现部分脉冲功率技术功能，最终形成案例库。（5）根据近年来“脉冲功率基础”课程建设内容的改进，开展配套的教材建设，以便让学生更加容易学习和掌握脉冲功率知识体系。