非電類專業電力電子技術主動式教學及智慧課堂建設實踐

錢強 張犁

（河海大學能源與電氣學院 江蘇·南京 211106）

0 引言

學科融合、多學科交叉的新工科背景對非電類專業的工科生提出了更高的要求，各學校一般會開設具有較短學時的電力電子技術基礎課程[1]。然而，受課程內容同本科生主要專業關聯程度較弱、課程系統性較強、基礎知識面覆蓋廣、年輕授課教師水平等因素的影響，提升非電類專業電力電子技術課程教學質量成為了不小的挑戰[2]。

首先，本課程涵蓋模擬電子、數字電子電路、電路理論基礎等相關基礎內容，知識點繁雜且系統性強，不利于學生在較短的教學時間下完整地掌握相關理論知識（以河海大學能源與電氣學院新能源專業為例，授課學時僅為32學時）。此外，考慮到本課程一般隸屬于非電類工科生的專業選修課，客觀上學生對該課程的興趣與重視程度也有所不足，這會在一定程度上影響了學生對相關知識的掌握[3]。

其次，在傳統的課堂中以教師授課為主的被動式教學情景下，學生參與程度普遍不高，課上學生頻繁使用手機、開小差、逃課、睡覺以及課后學生未及時復習、抄作業等現象使得教學秩序的管理與維護也較為困難，也不利于教師有效地提升班級整體學習水平[4]。因此，有必要在非電類專業電力電子技術課堂中改變現有的以教師授課為主的形式，提高學生的參與程度。

最后，非電類專業電力電子技術課程內容相對而言比較容易且較為基礎，該授課任務一般由教學經驗相對匱乏的青年教師（一般為電氣專業畢業的專任教師）來承擔，如何在有限的授課學時內保證本課程的教學質量也對年輕教師提出了一定的要求。

可見，提高電力電子技術課程教學質量對非電類專業本科生及授課教師而言難度較大。根據美國視聽教學理論家埃德加·戴爾所提出的“經驗之塔”理論可知，“聽講”“閱讀”“示范”等個人學習或被動學習方式往往獲得較差的學習效果，“小組討論”式效果較優，而“實際演練”或“向其他人教授/對所學內容的立即運用”的學習方式可以取得最佳的學習效果[5]。目前，國內有關高校雖然已有部分進行了科學實踐，但是受不同類課程和學生質量的制約，學生的主動參與程度仍有待加強，教學質量及成效有待在創新教學方式下進一步加以提升。此外，隨著網絡媒體的利用和推廣，若能將新的教學手段或工具放置到“經驗之塔”中的適當位置，且避免網絡工具在教學中的盲目使用以及多媒體課件完全取代教師職能的現象，即可更好地輔助年輕老師的教學，并加深學生對電力電子技術課程的認知[6]。

為提升學生學習興趣及教學效果，本文對非電類專業電力電子技術的教學方法進行初步探討，從提高本科生主動參與課堂、自主完成課后學習的角度，將“預習+摸底”“實踐”式教學方法的有機結合，取得了一定的教學效果。

1 “預習+摸底”式教學準備

1.1 以吸引學生興趣為目標設計預習材料

愛因斯坦曾說“興趣是最好的老師”，這句話強調了興趣在學習新知中的重要角色，強調了學習者自身感受的關鍵作用，但這句話是從學習者的角度來說的。然而，教育從來都是教和學兩個部分的良好互動，良好且合適的引導更為重要。由于預習材料可以梳理本科生對新課內容前后邏輯關系的理解，那么設計合適的預習材料對提升相關專業的本科生的學習主動性及學習質量就顯得尤為必要。

電力電子技術課程是一門與實際生活關聯緊密的課程，教師可將課程各章節內容同自身的研究方向有機結合，在預習材料中提出與學生生活密切相關的問題以吸引學生，引導學生對新知內容的思考。

在緒論這部分內容中，可結合學生日常生活，向同學們介紹本課程的學習可以帶來哪些比較有意義的收獲，以及根據本課程的知識可以解釋日常生活的科學現象，更甚帶來對當前國家科技競爭的自我理解，激發為國家之崛起而讀書的信念。例如，手機充電器或便攜式筆記本電腦電源適配器上銘牌所表示的物理意義，是否僅限在大陸內使用？為什么適配器會越做越小？無線藍牙耳機等智能穿戴中應用的無線充電功能的基本原理是什么？我國鐵路是如何實現電氣化的以及高鐵是如何供電的？那么，我們可以在預習材料中加入紀錄片《大國重器》，以輔助學生了解我國掌握高鐵技術的辛酸歷程以及當前在功率半導體等先進制造業上的卡脖子問題，提升學生學習本門課程的主觀能動性。

在各章授課內容中，一方面需要盡可能同上述問題相呼應，另一方面還可進一步提出和各章節緊密相連的問題。例如，在涉及直直變換器基本電路結構學習時，可以向學生們介紹鋰電池和USB的標稱電壓，引導學生思考日常生活中廣泛使用的充電寶在充電和放電時的工作狀態，進而拋出降壓和升壓式的直直變換器的概念；在交流電路相關章節的學習時，利用早年愛迪生和特斯拉的直流交流之爭的歷史事件激起同學們的學習興趣，向學生介紹關于交流和直流的區別；在介紹諧波等相關概念時，可以從人的聽覺范圍及聲音頻率的疊加入手給學生建立感性認識。

1.2 憑借“摸底”式問答了解學生的準備工作

由于目前學生普遍存在課前不預習的情況，教師應在每次授課前，除需提前幾天制作含有下節課主要知識點介紹的預習材料，還需在其中涉及相關知識點的簡單問答，尤其是新知內容同其他課程間的相互邏輯關系，以便督促并了解學生的準備工作，為教師開展新課教學提供一定的借鑒和參考。下面以本課程中的具體教學實踐為例做具體的闡述。

比如，在對“電壓型逆變電路”課程內容中輸出電壓特點進行講解時，可以在預習材料中要求學生預習高等數學中周期函數的傅里葉級數展開以及本課程中有關諧波概念的定義，并提出諸如奇函數傅里葉級數展開有哪些特點、各次諧波幅值有什么樣的數學關系的疑問？當學生完成簡單的“摸底”式問答后，學生一方面對高等數學中有關知識在電力電子技術課程中的應用有了更為清晰的理解，另一方面也加深了本課程中諧波等相關概念的認知，有效地實現了對前述章節教學內容的回顧，提高了學生對知識的掌握以及靈活運用能力。此外，教師可以根據學生的回答情況對新課內容教學進行更深入的規劃，若學生預習情況較為理想，則可方便的開展本節內容單相半橋、全橋逆變輸出電壓頻譜分析的講解，教學重點可僅放在不同逆變電路輸出波形差異上，而不是量化分析波形中所含的具體諧波成分。課上還可進一步引導學生針對三相全橋逆變電路的相電壓和線電壓頻譜進行自主分析，鼓勵學生通過相互討論并結合已有知識進行定性分析。事實上，學生能普遍運用高數知識來求解，課堂上學生自主參與學習程度也較高，教師也僅需對相關結論進行梳理，匯總不同逆變電路的工作特點，為學生厘清新課內容的主干結構。

總體而言，“摸底”式問答對教師掌握學生預習基本情況具有重要作用，有利于教師在課堂上進一步開展合適的工作，如引導學生在預習的基礎上對關鍵新課內容進行深入的歸納與總結，并嘗試解決本節課內容所提出的新問題。

因此，盡管電力電子技術課程涉及的知識點繁雜，但授課教師通過“預習+摸底”式的前期教學準備工作，易于讓學生提起自身的學習興趣，實現前后知識點的貫穿，而不是對本課程中相關知識點的強行記憶。

1.3 基于雨課堂的智慧課堂建設

正所謂“以其所知，喻其不知，使其知之”。教學的全部精髓即在于實時了解學生知道了什么，并根據此進行針對性教學，而往日以教師授課為主的課堂形式較為沉悶，需要迫切變成以學生為中心的、非常有趣味性的課堂。然而，對于非電類專業的電力電子課程而言，教師和學生間的聯系較為疏遠，關于學習方法及問題溝通機制略顯貧瘠，不利于獲得良好的教學效果。因此，需要將現代教育技術輕松融入課堂，讓傳統的教學活動變的時尚靈動起來。

對于年輕教師而言，諸如學生以小組形式走上講臺、虛擬仿真等新型教學方法以及輔助手段應當多加以積極嘗試。需要指出的是，清華大學所推出的雨課堂智慧教學工具將PowerPoint，慕課以及手機微信有機融合，使得教師可較為便捷地實現對學生課前、課上的有效管理。比如，課前教師可便捷地向學生推送預習材料及“摸底”問題，在課上可實現實時的教學反饋，還可采用彈幕的方式提升學生參與課堂的主觀能動性。采用雨課堂來輔助教學，可以給教學插上智慧的翅膀，使教師教學更為精準。

雨課堂改變了傳統的以教師授課為主的教學模式，讓學生、教師和管理者知道教室里真正發生了什么。它有助于實現數據驅動的教學，幫助教師在提升教學藝術的同時，實現科學教學和教學科學，綜合性地改善了“教”和“學”的效果。

2 “實踐”式教學方法

提高學生對電力電子課程的興趣可以改善學生的學習動力，促進教學效果的提升。為了更好地掌握學生的學習情況，還需根據“經驗之塔”，讓學生通過“實際演練”或“向其他人教授/對所學內容的立即運用”的學習方式，以進一步實現理解課本知識、獲得最佳的學習效果的目的。

電力電子技術本質上是一門工程應用的課程，在教學過程中，年輕教師可根據該課程內容與個人研究方向的聯系，在課程開始向同學介紹本門課程在同學們日常生活中的典型應用。比如，筆記本電腦電源適配器上的參數的物理意義、是否可以在不同國家旅游時正常使用？20000mAh的移動電源可以為智能手機循環充電多少次、充放電是如何實現的？

在后續教學過程中，教師應鼓勵學生在課后時間中利用所學知識進行科學實踐，采用基于小組協作的方法完成具體的軟件仿真或實物設計，在具體的實踐過程中發現并嘗試解決所存在的實際問題，最后可以通過PPT形式進行小組匯報，同班級同學進行問題的溝通與反思，從而有效地規劃了本科生的課余時間，進一步鞏固學生對課程內容的理解。

筆者在“直流直—流基本變換電路”一節課程授課前，讓學生以分組形式協作完成一道題為充電寶在充放電時基本工作原理是什么的實踐題目，嘗試用本章知識設計簡單的具有充放電功能的電路，并掌握充電寶的基本技術參數，分析充電寶容量與對手機充電次數間關系。

本科生按小組制定好組內成員工作內容，利用課后時間查找相關資料，搭建仿真模型，使用手機和充電寶進行實驗測試，并在組內就遇到的問題開展討論。各小組學生一般可以掌握充電寶的基本技術參數的物理意義及標稱容量和實際容量的關系；充電寶內部鋰電池和充電接口直流電壓等級；掌握降壓和升壓式直直變換電路的基本結構；學會使用電力電子專業仿真軟件；等等。經過一定時間的學習和實踐，非電類專業本科生對相關實際問題可以形成一定的見識和理解，教師也可以在學生匯報完畢后進行實時評述，指出可以改善和優化的方向，為有興趣的本科生繼續探索。

可見，“實踐”式教學方法以和學生密切相關的日常生活現象為切入點，可以提高學生主動參與課后學習的能動性及自主學習的能力。值得注意的是，該“實踐”式教學手段也是對電力電子課程實驗教學的延展，在進一步加強本科生對于課本上理論知識的靈活運用并顯著提高學生動手能力，為現有配套的實驗課程中存在的學生人數較多、硬件條件有限、實驗學時短、實驗內容陳舊等問題的解決提供了輔助作用，讓學生切實地投入本課程的學習并提自主思考的能力。

3 結語

非電類專業的電力電子技術課程存在有限授課學時、基礎知識面覆蓋廣、系統性較強的教學挑戰，加之年輕教師教學經驗欠缺和學生主觀參與程度較低，教學效果不甚理想。本文以提升學生學習興趣及其參與課程教學的程度為目標，分別提出采用基于雨課堂智慧方案的“預習+摸底”式和基于小組協作的“實踐”式教學方法來進行科學教學，兩種教學方法的有機結合有效提升了學生主動參與課堂的程度，可較為便捷地實現對學生課前、課上的有效管理及學生學習效果的實時反饋，加強了學生對課本知識的實踐，進一步鞏固了學生對課程內容的理解，提升了學生參與課堂的主觀能動性和學習效果。