引入啟發創新模式的電力電子技術實驗教學改革

陳 怡, 南余榮

(浙江工業大學 信息工程學院, 浙江 杭州 310023)

引入啟發創新模式的電力電子技術實驗教學改革

陳 怡, 南余榮

(浙江工業大學 信息工程學院, 浙江 杭州 310023)

針對傳統模式的電力電子技術實驗教學引入啟發創新模式,先抓住實驗內容在知識更新方面滯后和實驗室在新實驗拓展方面不足這2個核心問題,從實驗內容、實驗方式、教學情景設計3個方面入手做出改進；再通過傳統模式和啟發創新模式互融的教學方法激發學生的學習動能,促使學生在實驗中能夠自主地運用知識去解決實際問題。

電力電子技術； 實驗教學改革； 傳統模式； 啟發創新模式

對電氣工程及其自動化專業和自動化專業的本科生培養而言,電力電子技術課程是一門非常重要的專業必修課[1]。以浙江工業大學為例,它不但為電力電子裝置及系統、運動控制系統、開關電源設計、現代電力電子技術等后續本科專業課程和碩士學位課程提供必要的理論基礎[2],而且還為畢業設計等實踐環節以及全國大學生電子設計競賽的培訓提供必要的技術知識與技能支撐[3]。

電力電子技術課程具有工程實踐性強的特點。該課程的實驗教學和理論教學同等重要。在該課程的改革中,浙江工業大學(下稱我校)提出引入啟發創新模式,培養學生創新實踐能力,以符合我校作為區域特色鮮明研究型大學的辦學定位[4]。

1 抓住核心問題,做基礎性改進

與理論教學相比,電力電子技術實驗教學需要的經費更多、占用的場地大。面對教學建設經費有限和教學場地不足的困難,實施引入啟發創新模式的實驗教學改革需要因地制宜、量力而行。結合我校教改前的實際情況,原有的一批電力電子技術實驗裝置存在著可視化程度差、價格昂貴、占用空間大、可開展的實驗項目十分有限等問題,雖然仍可支撐一部分經典的驗證性實驗項目,但是已全面落后于知識點不斷更新和新實驗不斷拓展的教學要求。

為了解決上述2個核心問題,我校充分利用已有資源,先從實驗內容、實驗方式、教學情景設計3個方面入手作出改進[5],為實驗教學全面引入啟發創新模式奠定基礎。

1.1 實驗內容的改進

在不增加實驗學時數的前提下,充實實驗內容,實現重要理論知識點的全覆蓋,合理化驗證性實驗,增加自主創新設計性實驗學時的比重,突出新增的自主創新設計性實驗，具體措施如下:

(1) 濃縮原實驗內容,僅保留經典驗證性實驗的經典部分,為新增自主創新設計性實驗創造學時空間。表1列出了我校教改前和教改中的驗證性實驗內容的對比情況。經過保留和濃縮,為自主創新設計性實驗爭取到了寶貴的8個學時。

表1 教改前和教改中的驗證性實驗內容對比

(2) 找出原實驗內容未覆蓋的重要理論知識點(特別是前沿的電力電子新技術),參照CDIO工程教育模式有針對性地開發自主創新設計性實驗[6-7]。充分利用全國和浙江省大學生電子設計競賽資源,結合理論教學內容將歷年來的賽題改編成自主創新設計性實驗內容。新增的自主創新設計性實驗“開關電源模塊并聯供電系統”就源自于2011年全國大學生電子設計競賽的賽題。

1.2 實驗方式的改進

改進后的實驗內容包含經典驗證性和自主創新設計性2種不同類型。它們的最佳實驗方式與實驗室能提供的條件密切相關。在不增加教學經費和場地的前提下,被保留下來的經典驗證性實驗仍然以現實的方式進行,而新增的自主創新設計性實驗則以仿真[8-10]的方式進行。具體措施如下:

(1) 將保留下來的經典驗證性實驗和新增的自主創新設計性實驗安排在不同的實驗場地同時進行,實行學生分批流轉的實驗制度,大幅度地提高實驗裝置、實物教具、專業仿真軟件的使用率,保證每個學生獲得平等的實踐能力鍛煉機會。同時,組建由教師和多名研究生助教組成實驗指導教學小組,以應對同一時間、不同場地開展多個實驗的需求。

(2) 充分考慮學生的培養計劃和課程教學大綱,挑選Matlab/Simulink[8, 10-11]作為自主創新設計性實驗使用的專業仿真軟件,以便增強電力電子技術課程與其他課程尤其是其后續課程間的關聯度。借助專業仿真軟件的強大功能,營造一種“虛擬現實”的實驗環境[11-12],為學生能夠驗證自主創新設計方案的可行性和進一步優化自主創新設計方案提供便利。

1.3 教學情景設計的改進

電力電子技術實驗教學與理論教學密不可分。在教學情景上實現部分實驗教學與部分理論教學的交互,可進一步強化學生對“理論聯系實踐”的認知。具體措施如下:

(1) 為實現教學情景交互,精選實驗教學和理論教學內容。如圖1所示,從理論教學內容中選取了“電力電子技術的應用”這一章節在實驗室里進行,通過現場演示實物教具的輔助手段,增強向學生傳授理論知識和實驗技能的效果；又從實驗教學內容中選取了“交流實驗方案與結果”這一環節在教室里進行,通過學生集中匯報實驗方案及結果和教師當場點評的互動方式,完善學生運用所學知識解決工程問題的整個實踐教學過程[13-15]。

圖1 含教學情景交互設計的實驗教學安排

(2) 擴充實物教具,將歷年來我校學生在全國和浙江省大學生電子設計競賽的獲獎作品納入實物教具的范疇。這些獲獎作品不但元器件可視,而且全部由學生自己設計和制作完成,極具教育價值和意義。圖2所示的實物教具是我校2013年全國大學生電子設計競賽一等獎作品——單相AC-DC變換電路。

圖2 由學生自己設計和制作完成的實物教具

2 改進的傳統模式和啟發創新模式互融的教學方法與效果

通過實驗內容、實驗方式、教學情景設計3個方面的改進,我校的電力電子技術課程獲得了驗證性實驗和自主創新設計性實驗在學時上各占50%的有益改進,不僅豐富了實驗手段和改善了實驗條件,還強化了實踐與理論之間的紐帶。這些基礎性的改進最終都由教師通過傳統模式和啟發創新模式互融的教學方法有效地傳授給學生。

根據實驗的性質,采用先進的教學方法,可達到最佳的教學效果。驗證性實驗依然采用傳統模式的教學方法,學生跟隨教師在原電力電子裝置上進行實驗,重點在于在教師的規范示范下學生學習如何通過實驗驗證已學理論的正確性。自主創新設計性實驗則采用啟發創新模式的教學方法,學生基于仿真軟件獨立地完成從方案設計到驗證的整套實驗過程,重點在于在教師的啟發引導下學生自主地運用已學的知識去解決實際問題。為了能讓學生順利地適應自主創新設計性實驗的要求,教師以實物教具演示教學作為前奏,為學生提供問題剖析、解決方案可行性論證、電路設計、實驗驗證的范例。學生參照范例,隨后即可開展自主創新設計性實驗。自主創新設計性實驗中最重要的環節是師生雙方就實驗方案與結果展開研討,教師著重幫助學生深入了解實驗方案的優缺點和實驗結果的完備程度,在教師的啟發引導下學生給出合理的改進方案,并完成“圓滿的收官”。

引入了啟發創新模式以后,實驗教學在考核機制上也發生了改變。教改中的實驗總成績由3個部分組成如圖3所示:經典驗證性實驗占40%,自主創新設計性實驗占60%。作為重點的自主創新設計性實驗,其成績又由設計與仿真報告、PPT制作、口頭交流3個部分組成，各占20%。

圖3 引入啟發創新模式的實驗總成績組成

在經歷了一個完整的引入啟發創新模式的實驗教學過程之后,學生對運用所學知識解決工程問題的認識和體驗上了一個新臺階。同時,學生的實驗報告寫作水平、PPT制作水平、口頭交流能力也獲得了提升。

隨著引入啟發創新模式的電力電子技術實驗教學改革的深入,越來越多的學生對電力電子技術的學習熱情被激發出來。在第二課堂里,他們積極參加全國和浙江省大學生電子設計競賽,取得的成績也越來越喜人:2011年獲全國大學生電子設計競賽全國二等獎1項,2013年獲全國大學生電子設計競賽全國一等獎1項,2015年獲全國大學生電子設計競賽全國一等獎1項和全國二等獎2項。

3 結語

在電力電子技術課程改革過程中,我校提出為傳統模式的電力電子技術實驗教學引入啟發創新模式。目前,引入啟發創新模式的實驗教學改革已取得了初步的成效,其中的成功經驗還將拓展至電力電子裝置與系統和專業大型實驗等后續課程的實驗教學改革中,進一步擴大了學生受益面。

References)

[1] 王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京:機械工業出版社,2009.

[2] 陳怡,鐘德剛.關于電力電子技術本科生教學的實踐與設想[J].中國電力教育,2011(12):161-162.

[3] 陳怡,陳國定,南余榮,等.論電源類實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):169-172，193.

[4] 王明彥.“電力電子技術”實驗環節開展研究性教學的探索[J].中國電力教育,2009(5):137-139.

[5] 陳萬,丁衛紅,鄔青海,等.“電力電子技術”課程理論和實踐同步教學法[J].電氣電子教學學報,2014,36(6):93-95,103.

[6] 陸益民,劉運歡,黃險峰,等.基于CDIO理念的電力電子技術實驗教學[J].電氣電子教學學報,2014,36(3):90-92,108.

[7] 孫鐵成,楊華,呂瑞豐,等.“電力電子技術”實踐性教學體系的建設與實踐[J].電氣電子教學學報,2011,33(增刊):107-109.

[8] 林飛,杜欣.電力電子應用技術的Matlab仿真[M].北京:中國電力出版社,2009.

[9] 蘇良昱,王武,葛瑜.電力電子技術仿真實驗教學與創新思維拓展[J].實驗技術與管理,2013,30(1):170-173.

[10] 牛天林,樊波,張強,等.Matlab/Simulink仿真在電力電子技術教學中應[J].實驗室研究與探索,2015,34(2):84-87.

[11] 劉艷.基于MATLAB的《電力電子技術》虛擬實驗仿真平臺[J].大連大學學報,2004,25(4):71-74.

[12] 趙凱岐,蘭海,杜春洋.電力電子技術雙環節實驗教學新方法[J].電氣電子教學學報,2009,31(3):73-74，90.

[13] 劉海波.《電力電子技術》實驗教學改革探索與實踐[J].實驗科學與技術,2012,10(4):95-97.

[14] 葛瑜,王武.電力電子技術遞階式實驗教學研究[J].實驗技術與管理,2011,28(5):156-159.

[15] 鄧春花,李軍.電力電子技術實驗教學模式探索與實踐[J].實驗科學與技術,2015,13(5):92-95.

Experimental teaching reform with power electronic technology based on introducing guided and innovative mode

Chen Yi, Nan Yurong

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

A guided and innovative mode has been introduced into the experimental teaching reform with power electronic technology. In order to solve two core problems of the late updating of experimental contents and the weak laboratory productivity of new experiments, some improvements were made from three aspects of experimental contents, experimental modes, and teaching scene design. Based on the improvement, a guided and innovative teaching method with the traditional teaching method was applied to urge students to apply knowledge to solve real problems in the experiments on their own initiative.

power electronic technology; experimental teaching reform; traditional mode; guided and innovative mode

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.008

2016-09-23

國家自然科學基金項目(51207141)；浙江省自然科學基金項目(LY15E070005)；浙江省“控制科學與工程”重中之重學科開放基金項目；浙江省新興特色專業建設項目(080601)

陳怡(1977—)，女，浙江杭州，博士，副教授，電氣工程研究所所長，主要研究方向為電力電子技術.

E-mail：eeyzchen@zjut.edu.cn

G64.20

A

1002-4956(2017)2-0028-03