“開關電源原理與設計”課程教學改革

張瑩文， 劉亞琳， 王賢立， 門三義， 陳 菲

(洛陽師范學院 物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934)

0 引言

“開關電源原理與設計”屬于電氣工程及其自動化專業的創新創業平臺，是電力電子與電力傳動方向的專業核心課程。凡是在使用電源的裝置和設備中，開關電源都有用武之地，從民用電器到工業設備及軍事裝備等各個領域，開關電源的應用無處不在[1～3]。

“開關電源原理與設計”課程不但涉及到繁復的系統理論推導分析，而且工程實踐性很強。我院在本課程開設過程中積極探索，勇于創新，從理論到實踐全面開展教學改革研究。

1 課程教學問題分析

隨著社會進步，應用型高校數量逐漸增多，如何提升應用型高校的人才培養質量成為一個關鍵問題[5]。作為電氣工程及其自動化專業的方向限選課，“開關電源原理與設計”課程在培養電力電子與電力傳動方向的人才中起著重要作用。

人才培養應以職業需求為導向[4]，但在“開關電源原理與設計”課程的傳統教學模式中，存在著諸多問題。教師上課時只是進行純理論講解和一大堆公式的推演，滿堂灌痕跡嚴重，課堂教學效果不好，學生參與度低，易走神，課后學生頂多做做習題，甚至沒有習題，這就造成一種“平時玩樂課堂，期末臨時抱佛腳”的局面。教育部部長陳寶生曾表示，中國教育“玩命的中學、快樂的大學”的現象應該扭轉[6]。

歸結起來為：教學手段陳舊、實踐實訓教學環節缺失、教學質量考核方式死板，是這門課程教學中存在的問題。

2 課程教學改革關鍵要素及實施

基于上述分析，我院的“開關電源原理與設計”課程的教學改革主要體現在教學方式、實踐實訓和教學質量考核三個方面。在教學方式上加入雨課堂，激發學生學習興趣；在理論學習基礎上增設實踐實訓課程，分為兩方面，一是基于Saber平臺的開關電源仿真，二是增設數字化控制的研究型實驗，通過實踐實訓課程加深學生對開關電源理論知識的理解，并提升分析解決問題能力。教學質量考核方面，在傳統期末考試基礎上增加制作實物的課程設計環節，提升學生內化知識和應用知識的能力，并利用雨課堂提升考核時過程性評價的比重。

2.1 雨課堂

雨課堂是清華大學推出的基于互聯網與大數據的智慧教學工具，其軟件界面全部基于微信和PPT，具有5大功能要點，目前已在各高校大力推廣[7,8]。

“開關電源原理與設計”課程在教學過程中采用雨課堂，使學習過程新鮮有趣，圖1是“開關電源原理與設計”課程的雨課堂教學手機界面。使用雨課堂具體如下，課前通過雨課堂推送相關知識點的小視頻、學科前沿資料等，并向學生提出思考問題，促使學生提前預習，這樣課堂時間朝著課外延伸。課堂上進行知識點講解，并利用雨課堂與學生互動，如學生發彈幕、雨課堂問題搶答、PPT“不懂”反饋等，充分調動學生的課堂熱情，大大提升學生課堂參與度。課后發布習題和小測試，便于學生鞏固復習，掌握重點內容，同時可以根據小測試統計學生對知識的掌握情況，以便及時調整授課內容和授課進度。

圖1 “開關電源原理與設計”課程的雨課堂手機界面

另外，在整個雨課堂的教學過程中會自動采集每個學生的所有學習行為，并對數據進行量化。雨課堂量化的數據結果可以作為教學質量考核的一部分，從而提升期末考核的過程性評價比重。

2.2 實踐實訓課程

純理論學習枯燥無味，教學效果欠佳，而需要動手操作的實踐實訓則能激發學生的好奇心和興趣，實踐實訓課程是整個教學體系的一個重要組成部分，對培養大學生理論聯系實際能力、創新創造能力發揮著巨大作用，為他們今后從事技術工作、科研工作等奠定基礎[10]。

“開關電源原理與設計”課程則開設了獨立的36課時的實踐實訓課程，包括仿真和研究型實驗，從而增強學生動手能力和實踐能力，培養其分析問題和解決問題的能力。

1) 基于Saber的開關電源仿真

Saber是Synopsys公司的一款可用于多技術、多領域的系統仿真軟件，相較于Matlab和Pspice更適用于開關電源仿真[11]。

以單端反激變換器為例，具體仿真如下：

首先基于Saber Sketch界面搭建原理圖，并進行電路元器件的參數計算和設置，最后運行和調試仿真模型。圖2是在Saber Sketch 界面搭建的原理圖，其中變壓器原邊、開關管和直流400V電源組成反激變換器主電路一次側，變換器二次側包括變壓器次邊、整流二極管、穩壓濾波電容和負載電阻，而并在變壓器原邊的二極管D1、電容C1和電阻R1三個元器件則組成了Snubber吸收電路。

圖2 Saber Sketch 界面原理圖搭建

然后，在Cosmos Scope界面查看仿真結果波形并進行數據分析。圖3是基于Cosmos Scope界面的仿真結果，分別為反激變換器輸出電壓Vo、輸入電壓Vin、開關管驅動信號波形Vgs和兩端壓降Vds。

(a) 輸出電壓Vo、輸入電壓Vin

通過Saber平臺對全橋變換器進行仿真，一方面加深對其工作原理的認識，同時還便于探討和分析當改變開關管占空比和變壓器變比等參數時反激換器的狀態變化，比如如何減小輸出電壓的紋波等，另一方面在仿真中拓寬學生專業知識面，比如認識這里的Snubber電路，分析比較加入Snubber電路時和未加入時反激變換器的工作狀態異同等，從而提升學生對問題的分析和解決能力。

2) 數字化控制研究型實驗

傳統的實驗課程通常采用“三定式”實驗教學，即按照規定好的實驗路線和步驟，使用規定的儀器儀表，在規定的時間內完成實驗，這極大地限制了學生的思維能力和創造能力[10]。

一門好的“金課”應體現出學科前沿性[9],“開關電源原理與設計”課程則開設了數字化控制的研究型實驗。在實驗過程中，緊跟最前沿的數字化控制技術，采用DSP控制芯片TMS320F28335，基于CCS編程平臺編寫控制程序，并在開關電源變換器運行過程中通過CCS平臺對實驗過程進行實時監測和分析。同時在實現數字化控制的過程中，學生能夠通過CCS平臺更改控制程序來調節不同的研究參數，觀察并記錄相應的實驗現象，從而達到對開關電源進行分析和研究的目的。

圖4是以全橋變換器為例的CCS編程界面，里面包括主程序、AD采樣計算程序和中斷程序等，學生在編程過程中還鞏固復習了DSP的相關知識，并提高其邏輯組織的分析能力。

圖4 CCS編程界面

圖5是開關電源數字化控制實驗箱，其中白色盒子為隔離型仿真器，是軟硬件實現通信的橋梁。相較于傳統實驗儀器，該實驗箱的設計采用模塊化和組合式, 在結構上緊湊, 并且隨著功能的擴展可以增加相應的單元模塊，使用時方便靈活。

圖5 開關電源數字化控制實驗箱

相較于常見的傳統驗證性實驗，“開關電源原理與設計”課程的研究型實驗采用了數字化控制，具有靈活性高、可配置性高等優勢，并且可以實時監測實驗數據，便于學生進行分析和研究，極大地打破了驗證性實驗的局限性。

2.3 教學質量考核

傳統考核方式較為死板，一般就包括平時點名、作業和期末考試三部分，而且通常期末所占比重過高，過程性評價難以體現。改革后的“開關電源原理與設計”課程的考核除具有以上環節，另外加入制作實物的課程設計環節，即在學期末，每位學生選擇某一拓撲的開關電源變換器進行設計，包括電路分析計算、繪制PCB板，元器件的焊接，系統調試等，并在最后提交一份課程設計報告，這整個過程需要把理論知識、動手能力和分析解決問題能力有機結合起來，培養了學生的創造力。

“開關電源原理與設計”課程的實物制作課程設計環節的加入，基于雨課堂的教學過程性數據的添加，以及實踐實訓環節的增設，都提升了“開關電源原理與設計”課程的過程性評價在質量考核中的比重。最終教學質量考核比例分配如圖6所示，其中雨課堂數據包括平時出勤、作業情況、平時小測試和課堂表現情況等，從中可以看出期末考試僅占35%，這打破了學生全憑期末考試及格拿學分的尷尬局面，提升了過程性評價權重，對學生能力起到綜合考察的作用。

圖6 教學質量考核權重分配

3 結語

基于電力電子技術的開關電源是電源技術的核心，“開關電源原理與設計”課程在培養電源技術人才中擔任關鍵角色。在“開關電源原理與設計”課程的教學改革過程中，采用了雨課堂教學手段提高了學生的課堂參與度，使課堂外延，擴寬了理論知識的傳授面；分別從仿真和研究型實驗兩方面增設了獨立的實踐實訓課程，加深了對知識的理解，提升了學生動手實踐能力和知識運用能力；并在教學質量考核過程中加入制作實物的課程設計環節，綜合了理論知識和實踐經驗，達到學以致用、研究創新的目的。圖7是“開關電源原理與設計”課程的體系架構，以理論知識為根基，構建起承上啟下的實踐實訓課程，最后頂端是制作實物的課程設計，自上而下形成穩固的金字塔。

圖7 課程的體系架構

“開關電源原理與設計”課程的教學改革已進行了一年半，2016、2017級電氣工程及其自動化專業的學生分別于2018-2019-1、2019-2020-1學期完成本課程的學習、實踐和課程設計，一步步提升了學生學習興趣、動手實踐能力和分析研究問題能力，基本達到學習的預期效果，同時培養了學生的創新創業能力，使學生勇于克服困難，增強學生的社會責任感。

隨著工程專業認證的開展[12]，互聯網技術的發展，專業課程的教學改革勢在必行。后續會加入微課、線上線下混合等教學方式，繼續推進開關電源原理與設計課程的教學改革，爭取把開關電源原理與設計建設成特色專業課程。