翻轉課堂在電氣測量實驗中的教學實例分析

劉宏達， 李志鵬

(哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001)

翻轉課堂在電氣測量實驗中的教學實例分析

劉宏達， 李志鵬

(哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001)

隨著高校人才培養目標的變化，教育模式的更迭和新型教育模式的涌現已成為了必然的趨勢。同時，高校對實驗內容在綜合性和設計性方面的要求也越來越高。“翻轉課堂”作為一種新的教育模式，近年來受到越來越多教育工作者的關注。針對我校“一種針對光伏逆變器的虛擬測試裝置設計”的科研融入類設計型實驗，將翻轉課堂引入本科實驗教學中，并詳細介紹了各階段的具體工作內容。通過實踐，驗證了該模式在高校實驗中的可行性，翻轉課堂的應用，可以有效地解決這類實驗教學中“實驗課時少與內容多”的矛盾，并能在一定程度上提高學生自主學習、發現問題、解決問題的能力，為新型人才的培養打下基礎。

翻轉課堂； 實驗教學； 人才培養； 電氣實驗； 教學案例

0 引 言

為適應科學發展和社會需求的變化，高校的人才培養方向在不斷地調整。如今，不少高校已經將培養研究型人才作為人才培養的新目標，即要求學生具備一定的研究能力。

實驗課程的合理設置是培養新型人才的重要一環[1]。當今高校實驗一般可分為驗證型和設計型兩類：驗證型實驗的目的主要是通過實驗操作，驗證某一定理或理論結果；設計型實驗則是基于某一訓練目的，通過教學指導，使學生通過理論和技能知識的體會和運用，完成探究性的實踐內容。為了讓學生進一步和實際科研相接軌，有些學校還會將部分科研成果或專業熱點內容引入到設計類實驗中。這類專業性和綜合性強的設計型實驗有利于學生通過系統化的學習，鍛煉其開展簡單研究工作的能力，有利于擺脫“教-學”注入式教育方式[2-3]，但實施教學所需的學時較長，且效果不易把控。這成了科研融入類設計型實驗具體實施時的障礙之一。

翻轉課堂(Flipped Class/Inverted Classroom)是將傳統的課堂教學結構翻轉過來，調整教學活動中課堂內外的時間安排，讓學生在課前完成知識的學習，在課堂上完成知識的吸收與掌握的一種教學模式[4]。在翻轉課堂模式下，學生在課前通過自主學習的方式，完成知識的初步學習；課堂上，通過師生交流和教師引領，使學生對知識有更深層次的理解和擴展[5-6]。通過這樣的調整，一方面可以大大減少基礎內容的教學用時，縮短教學周期，從而可以將有限的課堂時間用于師生的溝通和互動，有利于教師及時發現學生在學習過程中存在的問題[7]，同時，在交流過程中，教師有充足的時間能夠采取個性化教學，有利于實現人才的培養。

本文以電氣工程專業科研融入類設計型本科實驗——“一種針對光伏逆變器的虛擬測試裝置設計”為對象，介紹了將翻轉課堂模式應用于該實驗課程的具體實施方式。

1 實驗課程概述

1.1測試實驗設立的背景及意義

高水平的實驗課程不僅要能加強學生對理論課知識的理解和掌握，還應與現實接軌，即實驗內容與當前科技發展和應用相聯系，從而真正做到“知識落地”[8]。

隨著近年來節能環保熱潮的推進，光伏發電在我國已進入快速發展階段[9]，其應用領域也日益擴大，如光伏交通、光伏農業、光伏車棚等。由圖1可見，光伏逆變器是光伏發電系統實現直流到交流電能轉換的核心[10]。對其進行測試和監控，既能評價逆變器自身的效能，又能評價光伏系統總體的效率和運行特性。所以，實驗中將測試對象選為光伏逆變器。

圖1 光伏發電系統的構成框圖

在測試手段上，考慮到近年來虛擬測試裝置(虛擬儀器)呈現高速發展的趨勢及其靈活性好、成本低、運算能力強、易擴展等優點[11-12]，實驗中，要求學生基于虛擬儀器技術構建相關的測試裝置。

該實驗可全面訓練學生電量檢測、虛擬儀器技術、新能源發電等多方面的專業技能，還能有效結合實際，與當前新興產業的應用掛鉤，做到與時俱進。

1.2實驗內容介紹

實驗要求學生以國內某廠出品的單相PWM數控式風/光發電專用逆變電源為測試對象，測試由其構建的光伏系統特性。學生需要基于LabVIEW平臺，設計虛擬儀器程序，并通過設計轉換和調理電路，完成對光伏逆變器性能指標的測量。

虛擬測試裝置從“量”和“質”兩方面對光伏逆變器的工作性能進行測量，通過測量光伏逆變器的轉換效率衡量其輸出電能的“數量”，通過測量逆變器輸出交流電能的電壓、頻率、諧波等參數評價其輸出電能的“質量”。概括來說，該虛擬測試裝置需要測量的參數有：交流電壓幅值、交流電壓有效值、交流電流幅值、交流電流有效值、有功功率，無功功率、視在功率、功率因數、THD、電壓偏差、頻率偏差、直流電壓、直流電流、轉換效率等。結合實際情況，虛擬測試裝置的整體結構框圖如圖2所示。

圖2 虛擬測試裝置的結構框圖

由圖2可見，該實驗內容可以分為兩大部分——硬件部分和軟件部分。硬件部分要求學生通過設計和連接檢測電路，實現對實際模擬電壓、電流信號的轉換和調理，將大電壓、大電流信號轉換為可被數據采集卡收集的小電壓信號；軟件部分要求學生通過搭建相關軟件部分程序，實現對采集到的各參數的運算、處理，最終得出逆變器的功率參數、電能質量分析結果，并對重要數據進行記錄。

1.3實驗課時安排

為保證實驗的順利進行，需要進行的工作有：檢測與轉換電路設計的相關知識講解，LabVIEW平臺的使用和基本設計講解，指導學生進行電路的安裝、調試和改進，指導學生完成軟件部分程序的搭建和修改，引領學生對整體運行結果進行分析等。

如采取傳統的教學方式，需要3～4周的時間才能完成，在教學安排和實施上存在很大難度。采用翻轉課堂模式，將理論知識部分的講解工作置于課下完成，同時引導學生課下完成硬件電路設計和軟件程序設計工作，課上則集中對學生提出的問題和學生未發現的重要現象進行講解，這樣可以在保證教學質量的同時，大大縮短實驗占用的課時數量。具體教學工作流程如圖3所示。

圖3 實驗教學工作流程圖

考慮實際情況，實驗以4～6人為一組分組進行，課堂授課時間安排在學期初連續4周的雙休日，這樣一方面能夠保證學生有充足的時間理解消化視頻教學內容和每次課堂教學內容，另一方面也能有效地縮短了課時占有量。同時，在第2～4周開放實驗室，學生自由地在實驗室進行操作。

2 教學工作內容安排與實施

合理的教學內容安排是實驗順利進行的前提和保障。制定的各周具體工作內容如圖4所示。

圖4 各周工作流程圖

2.1課前視頻教學

優秀的教學視頻是翻轉課堂教育模式的重要工具，也是教學過程順利進行的保證[13]。高品質的教學視頻在內容上應當條理清晰、重點突出，在形式上應滿足畫質清晰、文件大小適中等要求。教學視頻也可先將需要講解的內容制作成PPT，然后使用錄屏軟件將講解過程錄制成視頻。根據工作計劃，分為4部分制作教學視頻。

(1) 介紹實驗的背景及研究意義，提出實驗的整體設計思路，并對硬件檢測電路設計的理論知識進行講解。① 通過對實驗背景及相關發展現狀的介紹，激發學生興趣，讓學生認識到本次實驗的意義和必要性，使學生產生主動學習的欲望；② 為避免學生出現沒有頭緒、無從下手的現象，在視頻教學中幫助學生提出了整體的設計方案，即分硬件和軟件兩部分進行設計；③ 回顧硬件檢測電路設計部分的理論知識，將硬件檢測電路分為轉換電路和信號調理電路兩部分，其中轉換電路的功能是將大信號轉換為小信號，信號調理電路的功能是將小信號調理為可被數據采集卡直接接入的模擬信號，調理電路又可細分為隔離、濾波、放大、限壓等環節。這一部分涉及到模擬電子技術、電力電子技術、檢測與轉換技術中的部分理論知識，因其涉及內容較多，在視頻制作中需要注意突出重點。

(2) 對LabVIEW虛擬儀器開發平臺的講解。LabVIEW軟件是當前進行虛擬儀器開發必備的重要工具，且軟件部分是整個虛擬測試裝置的核心，因此，對LabVIEW講解尤為重要。LabVIEW軟件內部具有豐富的數據運算函數，可以實現對數據的計算、處理[14]。同時，隨著軟件開發人員的研究，大量的復雜程序已經被編譯為固定的函數模塊，用戶使用時，只需對模塊內的參數進行相應的修改即可實現調用，因此在教學過程中，不僅要對基礎的數據運算函數進行介紹，還應對在電氣測量實驗中常用的相關函數進行重點講解(見圖5)。

圖5 LabVIEW教學視頻截圖

上述兩部分教學視頻主要目的是對實驗過程中使用到的理論知識進行了詳細的講解，使學生可以此為基礎，展開對虛擬測試裝置硬件部分、軟件部分的設計工作。隨后的教學視頻則集中講解實驗過程中，學生可能會用到的實用技巧以及需要注意的事項，以幫助學生熟練掌握這些技巧、大幅提高他們的實驗效率。

(3) LabVIEW軟件實用技巧的講解。在LabVIEW軟件的使用過程中，有很多實用的功能，通過使用這些功能可以有效的簡化程序，避免失誤。比如，局部變量(見圖6)和子VI調用。程序搭建過程中，可以將多次使用的某一參數通過設置其屬性，建立局部變量，建立的局部變量與數據源的數值相同，且能夠隨數據源的變化實時變動，通過使用局部變量可以大大減少程序接線數量，避免出現因端子誤接導致的程序錯誤。在軟件部分程序的設計過程中，通常會出現一部分相對獨立的程序，因此，可以將這部分程序設置為子VI，定義好的子VI程序可以簡化為一個函數圖標，使用時只需調用即可。通過子VI的定義和調用，使主程序條理更加清晰，結構更加明朗。

圖6 實用技巧教學視頻截圖

(4) 對實驗過程中的注意事項及實驗技巧講解。本實驗涉及硬件電路設計和軟件程序設計兩部分，其中軟件部分的設計相對安全，不易出現問題，而硬件電路部分的設計要充分考慮各環節的銜接，避免因操作不當或設計不合理導致的器件損壞等事故。考慮到大部分學生硬件電路設計經驗不足，對調試步驟和調試方法不熟悉，故在這部分視頻針對此類問題進行了集中講解。例如在硬件電路設計的第一步——確定所測物理量的數值范圍，通常的方法有：① 查看商品銘牌數；② 詢問廠家；③ 在保證設備使用安全的前提下，采用實驗室現有儀器進行初步測量。一些同學可能因為不熟悉這種設計流程，而忽略了這關鍵的一步，導致后續設計不合理。

完成視頻的錄制后，通過云盤工具，將視頻上傳分享給學生，要求學生在課堂教學之前，完成教學視頻的觀看和學習，并在每次課堂教學前，統計同學們遇到的問題，方便課堂上集中解惑答疑。

2.2課堂合作交流

翻轉課堂將理論知識的學習轉移到課下，課堂教學工作應相應進行調整，以配合課下視頻教學和學生的工作進度。課堂教學內容主要包括下列4方面：

(1) 答疑。是課堂教學的一個重要環節，其目的有二。① 對同學觀看教學視頻后提出問題的進行解答。在視頻教學的過程中，可能存在知識點講解不透徹，或學生理解能力不同而出現的問題。在每次上課前，對此類問題進行統計，課上進行集中解答，同時，教師要對這部分問題作好記錄，以便對教學視頻進行修改和完善。② 對學生在實驗過程中的問題進行解答。在實驗過程中，學生不可避免地遇到一些問題，對于此類問題，教師應該指導學生發現問題根源并自主解決。例如，某同學在硬件電路設計環節，在連接無誤、器件無損的情況下，發現檢測電路不能輸出正常信號。教師引導學生先分區塊檢查各部分電路是否正常，即先縮小問題存在的區域。經過原理電路檢驗和各元件輸出信號檢驗兩層檢驗，發現其轉換電路中使用的限流電阻型號不符合要求——應當使用功率為1W的電阻元件，學生選用的是0.25 W的。上述案例中，學生在電氣元件選擇中，因為疏忽了器件實際功率的約束問題而出現故障。此時，教師可針對此類共性問題，對全體學生進行相關知識的統一擴展和講解。

(2) 發現學生在實驗過程中的問題。這是課堂教學中的另一重要環節。學生在實驗過程中難免會存在一些錯誤及不當之處。通常，學生自身意識不到此類問題的存在，導致學生學習效率降低或者影響實驗效果。這時就需要教師及時發現并引導學生進行改正。以本實驗來說，學生易出現的問題有兩個。① 學生在軟件學習時走彎路，導致學習效率降低。LabVIEW軟件屬于一種易學難精的軟件，有關LabVIEW的圖書有很多，內容也很繁雜，有些學生在學習過程中不知如何選擇，盲目地從頭到尾地去學。通過教導學生有選擇地學(在書中挑選出自己需要使用的部分知識并重點研究)和灌輸軟件自帶的幫助是最好的教程指導(LabVIEW的“幫助”文件對軟件各部分功能的介紹十分詳細，且大多重要函數都有使用實例介紹，充分利用Help文件可很大程度上方便學生的學習)的方式，逐步將學生帶入面向工程的學習方式中來。② 學生在實驗過程中，缺乏結果定量檢驗的意識。很多學生在設備能夠顯示測量結果后，就認為已經完成了實驗，而沒有考慮對測量結果的準確性進行分析。導致出現該問題的緣由是：在本科教學中，缺少對他們相關意識的培養。發現此問題后，引導學生探索其實驗步驟是否存在缺失，并指導他們增加了對測量結果檢驗的環節——通過與傳統測量裝置測量結果的對比和分析，來比較測量結果、分析虛擬測試方案的準確程度。

(3) 引導學生快速進入新一階段的工作。同樣也是教師課堂教學的一個重要職能。萬事開頭難，學生在剛進行一個新階段的工作時，常會出現無從下手的情況。此時，需要教師提供給學生切入點，以引導學生沿著正確的方向進行后續的設計工作。如硬件部分的切入點是得到各物理量的大致數值范圍，據此才能進行電路設計；軟件部分的切入點是實現對采集信號的整理與顯示，以此為基礎才能進行后續功能塊程序的搭建(見圖8)。

(4) 成果驗收與師生共評。這是課堂教學的最后一個環節。在完成實驗后，教師驗收各組同學的最終設計成果，查看學生設計的虛擬測試裝置的運行狀況，并給出相應評價。評價的標準應該包含以下幾個方面：是否完成設計內容、是否滿足設計要求、設計成果能否連續穩定工作、設計運行結果是否準確等。

圖7 實驗環境

圖8 學生的軟件設計

2.3課后反思評價

驗收結束后，教師組織學生進行課后反思工作，其主要包括兩部分工作內容：成果匯總及反思評價。

學生將本組實驗成果進行提交，由老師進行整理后，將各組工作成果進行分享，使每位同學都能看到其余同學的設計成果，方便同學之間相互學習、相互促進。

教師組織同學對本組工作成果進行評價與反思，評價本組成果的優劣之處，反思本次實驗過程中可以改進的方面，并最終提交評價報告。通過整理學生提交的報告，教師可發現諸多意義深刻的建議。下面給出兩組同學的話語。A組：本次實驗設計的虛擬測試裝置只針對于實驗室現有的光伏逆變器，其可測量的功率和電壓等級是固定的，不適用于其他等級裝置或系統的測量，未來可以通過設計接口電路，實現多等級的轉換，從而擴大裝置的適用范圍。B組：實驗中雖然實現了對重要數據的記錄，但在互聯網技術高速發展的今天，數據共享也十分重要，其實可以通過設計軟件部分的相關程序，實現對裝置運行中重要數據的網絡共享訪問。

學生通過觀看其他組的設計和對本組工作的反思，可以進一步豐富其設計視野，鍛煉其知識探究能力和合作學習能力。

3 結 語

教育信息化的發展要以教育理念創新為先導，以優質教育資源和信息化學習環境建設為基礎，以學習方式和教育模式創新為核心。教育工作者應充分利用信息技術，使其為教育工作服務。“翻轉課堂”作為一場教學的革命，是教育信息化的完美體現。

本文詳細介紹了基于翻轉課堂的本科電氣測量實驗課程實施方案。并通過實踐，驗證了實施方案的可行性。在新的教學過程中，學生在多層次的合作交流中積累了更多的知識，體會了新的學習模式，掌握了更多的學習方法。學生通過教學視頻進行理論知識學習，課堂時間則進行更有意義的交流和探討；最終使學生能在要求的時間內完成既定的任務，這也成功地解決了高校科研類設計型實驗占用課時多的問題，為高校實驗課程的實施提供了一種新的思路。實踐表明：對于綜合性和科研色彩較濃的新型設計型實驗，采用翻轉課堂教學模式可有效地解決傳統教學模式的課時問題，能夠實現實驗課程的進一步完善，更有利于實現新型人才的培養。

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ACaseStudyoftheExperimentTeachingofElectricMeasurementBasedonFlippedClassroom

LIUHongda，LIZhipeng

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001， China)

With the change of the goal of college personnel training, the emergence of the new education mode and the alternation of the education mode have become an inevitable trend. At the same time, universities require the experiment content to be more comprehensive and self-designed. “Flipped classroom” as a new educational model has attracted more and more attention of educators in recent years. In this paper, the flipped classroom is applied to experimental teaching in undergraduate course with the project of “Designing a Virtual Instrument for Photovoltaic Inverter”. The specific content of the work in various stages are stated in this paper. Practice results show that the feasibility and variability of this model in the experiment teaching of colleges and universities and the application of flipped classroom in college experiment teaching can effectively solve the contradiction of “less class hours but more contents”, and can improve the students’ abilities of autonomous learning, founding the problem and solving the problem, so that these lay a foundation for the training of new talents.

flipped classroom; experimental teaching; talents cultivation; electrical experiments; teaching cases

G 642

A

1006-7167(2017)09-0184-05

2016-09-19

黑龍江省高等教育改革項目(JG2013010177，JG2013010202)；哈爾濱工程大學教育改革項目(SYJG20130412)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(HEUCF1604061)

劉宏達(1976-),男，山東蓬萊人,博士,副教授,主要研究方向：實驗室科教結合建設。Tel.:15765581561；E-mail: liuhd405@163.com