繼承式創新能力提升的實驗內容設計探索

梁 梅， 陶勇星， 楊 玲， 鄧豐強， 王智東

(華南理工大學 電力學院， 廣東 廣州 510641)

隨著我國經濟結構調整和產業結構升級，高等教育的關注點不再是專業知識的深入應用[1]，也不是復合知識的綜合運用，而是發現新的需求、新的應用可能性，對工業產品做出有突破性的創新性成果[2]。在實驗教學方面，針對創新性工程特征實驗項目的設計，各高校重新設計了結合新技術、新應用的實驗內容，實驗設備廠家開發了更多的新式實驗平臺。這些項目都存在以下問題:(1)按照工程要求重新構建課程內容[3]，但方式呈現或者是時空分離，或者是規模過大等特征，學生并不能理解工程的實際問題。(2)沒有在原有架構上進行反思，重新規劃實驗內容展現的方法，只是構思了一個全新的實驗內容[4]，改變了研究方向，無法提升學生的創新能力。

結合我中心教改經驗[5]，以電力電子綜合性實驗為例，探索一種具有“繼承式創新能力提升”特點的實驗課程內容的設計方法，幫助學生提升工程創新能力。主要實現步驟是結合經典實驗電路，對實驗內容體系進行層次性劃分，以實驗臺本身的“問題”作為起點對實驗內容進行重構，制作知識網絡圖實現基礎知識與外延知識有層次性的深度展現，幫助學生“發現”應用中的新問題，學生利用魚骨圖等工具進行思維風暴，一輪一輪地逼近解決問題的最優方案。

1 實驗內容體系重構

1.1 體系重構

基于電子元器件的非線性、時變性、溫控性等固有特征，以“問題”作為切入點重構實驗內容體系。在實驗內容體系重構方案中，突出“特色與層次性相結合”。根據我院課程偏向“電力系統”的特點，選擇更加有利于展現系統問題和應用的電路作為重點研究對象。根據該原則，首先確定以“三相整流逆變電路”“直流斬波電路”為實驗體系研究的重心[6]。然后，將實驗內容劃分為4個層次:基礎層、設備層、應用層、混合層，如圖1所示。

圖1 實驗內容體系層次設計示意圖

基礎層主要設計為在理想狀態下觀測實驗對象，展現常規的實驗原理和數據；設備層主要逐步展開實驗平臺在應用中存在的問題，引導學生發現實踐應用中真實存在的問題，通過真實場景縮短理論知識和實際應用的距離；應用層主要將設備層中發現的問題或者提出的解決方法拓展到學科的應用中，主要根據學院發展的特色進行開發，體現辦學特色。混合層主要針對設備層、應用層都尚未能解決的問題，探索使用新材料、新方法、新算法來解決的可能性。

1.2 內容重構

我院開設電力電子綜合性實驗16學時，分4次完成，使用的是求是公司的MCL-V系列實驗臺。與體系層次相結合，對原有的實驗內容進行重新整合與分類，劃分如下:

(1) 電力系統問題呈現(展示系統的多對象互相約束、振蕩等問題的特征):各種觸發電路、整流逆變電路、直流斬波電路；

(2) 控制技術應用[7](展示物聯網、智能電網技術的混合應用):PWMSPWM控制電路、開關穩壓電源電路、單相交直交變頻電路。

每一次實驗都在教學內容中設計不同的主題，幫助學生理解真實問題，重構應用中的真實情境，形成發現問題、解決問題的能力，如圖2所示。有興趣的學生，后續還可以借助SRP、開放性實驗等項目利用實驗數據試撰寫專利、分析文章和標準等，繼續提煉成果。將時間可以自由支配的開放性實驗環節設計為過渡區，連接實驗真實場景和應用中的虛擬場景。

圖2 實驗主題和銜接示意圖

從經典原理實驗內容過渡到培養創新能力實驗內容[8]的設計，實驗教師可以借助脈絡圖幫助學生重構實驗，如圖3所示。繪制原則:

(1) 提高實驗參數的可觀測性，使得問題客觀可理解；

(2) 實現實驗方案的多元化，千人能有千種實現途徑；

(3) 問題展示規模最小化，工作量可控。

設計脈絡圖的基本步驟為，教師針對實驗過程提出常見的幾個問題，標記為1、2、3，再在問題1的基礎上展開分析，細化解決該問題需要先解決的其他問題，標記1.1、1.2、1.3。用案例分析的形式，給出解決問題1.1、1.2、1.3的方案，并最終解決問題1。參考該方法，提出問題2并提出解決問題2的部分問題2.1，其他部分由學生完善。同理，提出問題3，由學生完成發現解決該問題所要做的工作。進一步地，由學生獨立提出問題。最后，匯總這些問題，形成針對某個基礎電路的脈絡圖。

圖3 實驗問題脈絡圖

在脈絡圖的運用中:

(1) 當改變給出問題和案例的規則時，可以改變知識點的重構和呈現方式，幫助學生理解某一個點在整個體系中的位置；

(2) 當控制圖數和問題個數時，可以控制課堂內思考和討論的規模；

(3) 當控制問題層數時，可以改變新技術、新材料等外延性知識的滲透率。

脈絡圖體現的是 “教師引導，學生思考”的過程，隨著實驗的推進，實現“教師主導”到“學生主導”的轉換。

1.3 實現方案

實驗過程設計為，學生自行學習實驗原理和數據庫相關內容，通過第一次實驗熟悉設備，參考已有問題庫的數據，確定感興趣的基礎電路和問題，在后續的實驗課中一邊學習其他實驗內容和技能，一邊帶著解決問題的任務進行深度分析，最后形成問題的最終解決方案，并提出該方案還存在的問題。實現流程如圖4所示。

圖4 實驗實現流程圖

通過這種方式，每個學生需分析的問題不盡相同，雖然共同操作一個實驗臺，但是為了完成各自的任務，會認真預習實驗，爭取動手機會，記錄合理的參數。學生僅需完成針對問題解決的實驗報告，其可作為參考資料供下一屆學生使用。這樣的實施方式，一方面減少了學生抄寫實驗報告的工作量，將更多的注意力轉移到關注實驗過程本身；另一方面記錄了個體獨特視角下創新的有效成果，有利于實驗資源的積累和進一步挖掘。

2 問題的提出方式

根據學生實驗中常見的疑問和實踐異常[9]，總結設計實驗問題表如表1所示。對于所列出的問題，附帶實驗數據和波形圖。

表1 實驗常見問題列表

3 引導發現問題

3.1 設備層

將研究問題最小化，設計成類似“波形異常”“升壓失效”[11]這樣的描述性詞語，來描述實驗時常見的問題，并依次展開，尋找導致該問題產生的各種可能性，制作案例，引導學生發現問題。

案例1:以“波形異常”為切入點，針對主控回路共用電源特征，使用Matlab/Simulink搭建仿真電路，觀察三相橋式整流逆變的輸出波形、輸出測量值和晶閘管電壓變化波形[12]。通過理論與仿真波形的比較分析，引導學生探索電源內阻變化、電壓波動、同步電壓偏差等因素對測量結果的影響。仿真中給出了逆變能量返送到電源高、低壓側時波形的區別，學生可以參考該接線，觀測在不同逆變角下波形的變化。

案例2:以“過流報警”為切入點，針對在三相橋式全控有源逆變實驗電路設計中，如果電路結構設計不合理或者元器件參數調制不合理，將觸發實驗臺報警裝置，導致實驗無法繼續進行。對于實驗臺出現的報警跳閘問題，很多學生會將其歸咎于實驗電感過小、工作在飽和狀態，導致分析上方向性的錯誤。使用Matlab/Simulink搭建與實驗平臺一致的仿真電路，以實驗報警問題分析為切入點，通過理論與仿真波形的比較分析，引導學生探索電路結構、元器件參數、反饋電流等因素對測量結果的影響。

3.2 應用、混合層

通過校企共同開發產學研基地實驗內容項目，收集企業運營中亟須解決的問題，進行從基礎電路過渡到實際應用的抽象描述，構建應用、混合層的基本內容。并利用圖書館文獻數據庫關鍵字檢索、聚類分析的方式，辨別所研究的主題的普遍性與獨特性。

例如，對于實驗臺出現的報警跳閘現象，可能是過壓、過流觸發報警，也有可能是電路內部工作機制異常導致報警。目前在電力線路繼電保護系統工作過程中，由于大量智能終端的綜合應用，常常出現繼電器的越級跳閘。對這一主題進行檢索，可以發現已經進行了多個方面的分析，但是問題并未得到解決[13]，也還沒有從電力電子電路配合機制角度進行的研究。將這一問題進行抽象，搭建仿真電路引入到報警分析中，培養學生的同構映射分析能力；參考仿真模型結論，再將其設計成實物實驗，利用實驗臺與少量輔助設備的方法再現實景，培養學生逆向思維能力。

4 引導分析問題

采用魚骨圖分析法[14]引導小組的頭腦風暴，使得分析聚焦于問題的原因，通過辨識遍歷問題的所有原因，分析各種原因之間的相互聯系[15]，找到其根本原因，最終形成最優解決方案。按照所要解決的問題進行實驗分組，提出盡量多的可能原因，每人致力于一個問題的解決。

如圖5所示，制作對應案例1的電路問題分析示意圖，從電路結構入手分析避免故障發生的方法。在這個基礎上，如圖6所示，制作對應案例2的報警問題分析示意圖，針對拓撲結構、元器件參數配合等問題進一步挖掘，得到參數有一定影響。拓撲結構是決定性因素的結論，引出了外延性的后續問題——如何解決二極管電壓上漂、如何分析這種非典型拓撲結構、如何利用突變大電流等。

5 結語

從以往的教學實踐可知，學生對于模塊化、智能化的分析方法上手非常快，缺乏的是對于方案非唯一情境下發現、解決問題的思維能力。因此，教學重點嘗試轉移到引導學生“發現—解決”思維能力的培養。借助所述方法，學生提出了多層級報警系統、電機反饋能量的逆變模型、使用快速傅里葉算法模擬分析各種故障的特征、采用多次諧波法定位故障元器件的位置等解決方案，一方面加深了對基礎電路的理解，另一方面提升了創新思維能力。

圖5 實驗電路故障分析示意圖

圖6 實驗電路過流報警問題分析示意圖

References)

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[14] 欒輝，茜銘.魚骨分析法在解決試驗車電氣問題中的應用[J].汽車電器，2017(1):36-38.

[15] 劉永清，魯守榮，岳睿.魚骨圖分析法在基于問題教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2016(10):77-79.