結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目教學(xué)法在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

蘇娜 陳躍 梅盼 吳志剛

摘 要 “電力電子技術(shù)”是一門基礎(chǔ)性、應(yīng)用性相結(jié)合的電氣專業(yè)基礎(chǔ)課。探索應(yīng)用項(xiàng)目式教學(xué)法，結(jié)合仿真項(xiàng)目、實(shí)物制作項(xiàng)目以及電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用有限的課堂教學(xué)時(shí)間，使學(xué)生系統(tǒng)性地掌握理論知識(shí)的同時(shí)，提高了電路分析與實(shí)踐動(dòng)手能力。教學(xué)實(shí)踐表明，本文提出的教學(xué)改革有效地提高了課堂教學(xué)效果，符合地方院校的應(yīng)用性人才培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù) 項(xiàng)目式教學(xué) 課堂教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.03.052

Abstract Power Electronics Technology is a basic and applied course for electrical specialty. Explore the application of project-based teaching method， combined with simulation projects， physical production projects and power electronics experiment teaching， make use of limited classroom teaching time， so that students can systematically grasp theoretical knowledge， while improving the ability of circuit analysis and practical operation. Teaching practice shows that the teaching reform proposed in this paper effectively improves the classroom teaching effect and meets the requirements of applied talents training in local colleges and universities.

Keywords Power Electronics Technology； project teaching； classroom teaching reform

0 引言

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講述如何利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和變換， 達(dá)到用戶需求的目的，是一門理論與實(shí)踐結(jié)合、應(yīng)用性和工程性很強(qiáng)的課程。[1]

項(xiàng)目教學(xué)法是指將傳統(tǒng)學(xué)科體系中的知識(shí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，圍繞著項(xiàng)目組織和展開教學(xué)，使學(xué)生直接參與項(xiàng)目全過程的一種教學(xué)方法。[2]它突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的形式使學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)，改變學(xué)生單純、被動(dòng)地接受教師知識(shí)傳輸?shù)膶W(xué)習(xí)方式，往往能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在完成項(xiàng)目的過程中快速掌握知識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手能力、獨(dú)立獲取信息能力和自主建構(gòu)知識(shí)能力，鍛煉學(xué)生的工程應(yīng)用能力，很符合“電力電子技術(shù)”課程的需要。[3]

項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用的項(xiàng)目包括仿真項(xiàng)目和實(shí)物制作項(xiàng)目，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，仿真項(xiàng)目無法鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，不能全面提高學(xué)生的應(yīng)用型能力；實(shí)物制作項(xiàng)目一般耗時(shí)較長(zhǎng)，又與應(yīng)用型學(xué)校理論教學(xué)學(xué)時(shí)減少的趨勢(shì)相違背。如何利用課堂教學(xué)的有限時(shí)間，盡可能地提高學(xué)生的應(yīng)用型能力呢？本文探索將仿真項(xiàng)目、實(shí)物制作項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)課程有機(jī)結(jié)合的項(xiàng)目式教學(xué)法，應(yīng)用于“電力電子技術(shù)”的課堂教學(xué)，既可以有效掌控課堂教學(xué)進(jìn)度，又能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力， 提高學(xué)生的技能水平。

1 項(xiàng)目式教學(xué)的應(yīng)用

1.1 項(xiàng)目的選擇與設(shè)計(jì)

如何在相同學(xué)時(shí)內(nèi)用項(xiàng)目法更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，關(guān)鍵問題在于項(xiàng)目的選取。首先，項(xiàng)目的選取要緊緊圍繞教學(xué)目標(biāo)又兼具實(shí)用性，將項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容編排、實(shí)驗(yàn)編排結(jié)合起來，根據(jù)課程自身特點(diǎn)、學(xué)生特征、企業(yè)需求取舍教學(xué)內(nèi)容，在完成項(xiàng)目的過程中學(xué)習(xí)理論知識(shí)；其次，項(xiàng)目的選取要有代表性，電力電子課程拓?fù)湄S富，有限的課堂教學(xué)時(shí)間無法涵蓋所有知識(shí)點(diǎn)，選取的項(xiàng)目應(yīng)能代表該部分教學(xué)內(nèi)容，通過項(xiàng)目的實(shí)踐學(xué)生可將方法延續(xù)到后續(xù)教學(xué)內(nèi)容中；[2]再次，項(xiàng)目的選取要難度適中，在規(guī)定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)學(xué)生在教師指導(dǎo)下能獨(dú)立完成，太難會(huì)挫傷學(xué)習(xí)積極性，太易會(huì)降低興趣，缺乏借鑒性，課堂紀(jì)律也難把控。

項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需考慮學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)條件。[4]“電力電子技術(shù)”的周學(xué)時(shí)為三課時(shí)，前兩節(jié)課效果尚可，第三節(jié)課學(xué)生注意力往往容易分散，運(yùn)用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)效果不佳。應(yīng)用項(xiàng)目式教學(xué)，前兩節(jié)課開展理論教學(xué)，介紹相關(guān)項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)，第三節(jié)課引入項(xiàng)目，學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中，鞏固理論教學(xué)成果，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。開展的項(xiàng)目可以考慮實(shí)物制作項(xiàng)目和仿真項(xiàng)目?jī)深悾绻_展實(shí)物制作項(xiàng)目，課時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；仿真項(xiàng)目需時(shí)短，成本低，操作安全、可重復(fù)，便于學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成項(xiàng)目實(shí)踐以及課后的學(xué)習(xí)。因此項(xiàng)目大部分設(shè)計(jì)為仿真項(xiàng)目，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)matlab/simulink實(shí)現(xiàn)電路方案，模擬各種參數(shù)條件以及故障情況下的波形，完成項(xiàng)目任務(wù)。“電力電子技術(shù)”是一門注重實(shí)踐操作的課程，如果單靠仿真，學(xué)生不能接觸實(shí)際元器件和調(diào)試電路，無法提高實(shí)際問題的解決能力。所以項(xiàng)目設(shè)計(jì)上將仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生在課堂上就搭建了實(shí)驗(yàn)相關(guān)仿真模型，完成項(xiàng)目的同時(shí)，又對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)習(xí)，明確了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)，更深入地理解電路工作原理，提前消化思考了各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的成因。例如“直流斬波電路”模塊，我們將項(xiàng)目設(shè)計(jì)為“降壓＼升壓電路仿真”，仿真內(nèi)容與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)“直流斬波電路的性能研究”一致，學(xué)生通過仿真熟悉了各類直流變換拓?fù)洌奖愕赜^察各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形，通過改變電感值和負(fù)載電阻，觀測(cè)連續(xù)、斷續(xù)情況下的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相較于單一的講授課本知識(shí)，更為形象生動(dòng)。通過課堂理論講授、仿真項(xiàng)目練習(xí)、課后模型鞏固，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證想法的四重學(xué)習(xí)，學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中完成了知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)與鞏固。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)上，我們將部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更改為設(shè)計(jì)性的實(shí)物制作項(xiàng)目。例如“逆變電路”部分增加了“基于stm32的單相SPWM逆變電路”這一實(shí)物制作項(xiàng)目。理論課堂上講授逆變電路、正弦脈寬調(diào)制、單極性以及雙極性調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)原理，第三節(jié)課運(yùn)用simulink軟件搭建單極性和雙極性的單相逆變器仿真模型，觀察各點(diǎn)波形；課后分發(fā)項(xiàng)目相關(guān)器件、電路板，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前完成電路板的焊接；實(shí)驗(yàn)課堂上提供電源、示波器等裝置，指導(dǎo)學(xué)生開展電路調(diào)試，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告。實(shí)物制作項(xiàng)目比一般驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作需要更多的經(jīng)費(fèi)、課時(shí)以及實(shí)驗(yàn)裝置，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)上只開展1～2項(xiàng)該類項(xiàng)目。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)上，還應(yīng)考慮層次的設(shè)置，可以將項(xiàng)目分解為由淺入深的教學(xué)情境，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力自主選擇，這樣可以調(diào)動(dòng)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，都能體驗(yàn)到完成項(xiàng)目后的喜悅和自信。例如“降壓＼升壓電路仿真”項(xiàng)目，我們將項(xiàng)目任務(wù)分成兩層，第一層任務(wù)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一致，要求所有學(xué)生都必須完成；第二層任務(wù)為設(shè)計(jì)電感，使得電路工作在臨界狀態(tài)，完成第二層任務(wù)的學(xué)生可以獲得相應(yīng)表現(xiàn)加分。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)上還可以考慮項(xiàng)目和后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)性，例如“基于stm32的單相SPWM逆變電路”關(guān)聯(lián)后續(xù)“電力電子驅(qū)動(dòng)”實(shí)訓(xùn)，項(xiàng)目中要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)電路的開環(huán)控制，實(shí)訓(xùn)課程中要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)電路的閉環(huán)控制。通過層層遞進(jìn)式學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

1.2 項(xiàng)目的實(shí)施

根據(jù)課程的知識(shí)體系，電力電子技術(shù)課程被整合成“電力電子器件”、“直流斬波電路”、“整流電路（單相和三相）”、“逆變電路”、“交交變換電路”等幾個(gè)基本模塊，每個(gè)模塊作為一個(gè)項(xiàng)目。實(shí)施方案由“項(xiàng)目導(dǎo)入”、“項(xiàng)目實(shí)施”和“考核評(píng)價(jià)”三個(gè)環(huán)節(jié)組成。由于每個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)不同，就應(yīng)有不同的處理方式。下面簡(jiǎn)單介紹具體實(shí)施方案。

在“項(xiàng)目導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，任課教師的活動(dòng)包括四方面內(nèi)容：

（1）項(xiàng)目分組。項(xiàng)目?jī)扇艘唤M，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作也是兩人一組，班級(jí)學(xué)生自由組合，教師可適當(dāng)調(diào)整。便于相互之間分工合作、交流討論，調(diào)高實(shí)驗(yàn)的安全性，如人數(shù)太多，存在“抱大腿”現(xiàn)象，不利于充分調(diào)動(dòng)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（2）項(xiàng)目預(yù)習(xí)資料發(fā)布。根據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，整理出預(yù)習(xí)問題資料，上課前3～4天發(fā)放相關(guān)ppt、預(yù)習(xí)資料和項(xiàng)目任務(wù)。各組學(xué)生通過預(yù)習(xí)ppt了解所需知識(shí)點(diǎn)，完成問題解答，查閱項(xiàng)目相關(guān)資料，分析任務(wù)涉及的專業(yè)知識(shí)及可行性，進(jìn)行課前準(zhǔn)備工作。便于課堂開展項(xiàng)目時(shí)翻閱，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性。

（3）項(xiàng)目相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)介紹。圍繞任務(wù)的解決而展開教學(xué)，內(nèi)容力求結(jié)合課本的編排，涵蓋教學(xué)內(nèi)容所有知識(shí)點(diǎn)，力求在完成每個(gè)項(xiàng)目的過程中解決理論知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，突出知識(shí)的應(yīng)用性，條理清晰，把握重難點(diǎn)，對(duì)難點(diǎn)一一分析解釋其原理，重點(diǎn)內(nèi)容反復(fù)講，并提問預(yù)習(xí)資料，有助于學(xué)生加強(qiáng)記憶。

（4）項(xiàng)目任務(wù)及目標(biāo)導(dǎo)入。講解該項(xiàng)目的內(nèi)容與要求，可能出現(xiàn)的普遍問題、展示項(xiàng)目結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索項(xiàng)目的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生明確自己應(yīng)當(dāng)完成的具體任務(wù)和完成任務(wù)后可以得到哪些知識(shí)以及達(dá)到什么樣的水平，明確操作過程中的安全注意事項(xiàng)，明確具體完成時(shí)間和成果評(píng)價(jià)方式。

“項(xiàng)目實(shí)施”環(huán)節(jié)，分仿真項(xiàng)目和實(shí)物制作項(xiàng)目?jī)煞N情況：仿真項(xiàng)目在教師的引導(dǎo)下，應(yīng)用simulink實(shí)現(xiàn)電路方案，完成項(xiàng)目任務(wù)，通過仿真觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程，驗(yàn)證仿真結(jié)果；實(shí)物制作項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室提供平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)物制作，各組按照項(xiàng)目任務(wù)，繪制電路圖，設(shè)計(jì)參數(shù)，選取所需器件，制版，按照電路圖焊接器件，編寫單片機(jī)程序，進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)試，排除故障，完成項(xiàng)目任務(wù)。實(shí)物制作項(xiàng)目調(diào)試周期長(zhǎng)，一般問題較多，教師的指導(dǎo)注重啟發(fā)性，引導(dǎo)學(xué)生去尋找問題的答案；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的普遍問題，有針對(duì)性的進(jìn)行講解；總結(jié)各組對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握上還有哪些缺陷，根據(jù)教學(xué)過程中學(xué)生的反饋和需求，查找教學(xué)中的不足，不斷改進(jìn)教學(xué)方法。

1.3 考核評(píng)價(jià)

本課程的考核評(píng)價(jià)，以工程應(yīng)用能力考核為核心，采取多元化考核模式，過程考核與期末考核相結(jié)合，包括基本的筆試、課堂表現(xiàn)加分，利用信息技術(shù)進(jìn)行的小測(cè)試以及項(xiàng)目完成情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。對(duì)項(xiàng)目完成情況的評(píng)價(jià)，主要由老師進(jìn)行檢查評(píng)分，項(xiàng)目的實(shí)施和評(píng)價(jià)限定一課時(shí)內(nèi)完成，對(duì)完成時(shí)間短、完成情況良好的小組進(jìn)行加分，及時(shí)指出不足之處。對(duì)未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成的小組，可以將項(xiàng)目任務(wù)布置為課后作業(yè)，根據(jù)作業(yè)情況評(píng)分。平時(shí)成績(jī)對(duì)全班同學(xué)公開，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，同時(shí)也能增加學(xué)生的信心。

2 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目教學(xué)法，經(jīng)過“電力電子技術(shù)”課程一年的教學(xué)應(yīng)用，并在教學(xué)過程中不斷改進(jìn)完善。雖然還存在著一些有待改進(jìn)的不足之處，例如項(xiàng)目的引入使得課堂知識(shí)點(diǎn)講授、習(xí)題講解時(shí)間縮短，正在嘗試增加課后線上和線下答疑時(shí)間，以及增加課前預(yù)習(xí)要點(diǎn)和小測(cè)試等方法幫助學(xué)生梳理學(xué)習(xí)要點(diǎn)。本文提出的教學(xué)方法總體上提高了理論課堂和實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)效率，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐技能，取得了較良好的教學(xué)效果。

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