融合工程教育認證理念的電力電子技術理實一體化教學模式的研究

杭阿芳，李國利

（金陵科技學院機電工程學院，江蘇南京，211169)

0 前言

教育部目前正在大力推進工程教育認證工作，該項工作的推進是高等教育進行育人大業的一項重要舉措，具有里程碑的意義。工程教育認證的三大理念為學生中心理念、產出導向理念、持續改進理念[1]。學生中心理念的核心意義在于教育服務于學生；產出導向理念的思想在于教育培養學生的能力和素質；持續改進理念在于建立各種溝通途徑和畢業生反饋機制，從而對教學進行高質量的改進。學校如果能把工程教育認證的各項指標做有效的落實，把工程理念融入到教學實踐中，形成良性的教學改革和評價體系，畢業生的質量將不斷提高。

電力電子技術是一門新型工程技術交叉學科，有廣泛的應用面。涉及到鐵路電力機車或動車牽引變流器、鐵路輔助逆變電源、新能源汽車、航空電源、船舶推動器、風電、太陽能發電、石油、煤炭等開采行業電控設備、電力電動汽車等各種領域。它是電氣工程及其自動化專業一門重要的專業必修課程。金陵科技學院自從升本以來，一直致力于培養應用型人才，積極響應教育部推進的工程教育認證工作，立德樹人、協作融合、傳承創新，培養多元化畢業生。

筆者從事電力電子技術教學十幾年，一直在尋找合理、高質量的教學模式，近幾年通過研究與實踐[2-4]，將該課程改革為混合式理實一體化教學，充分融合學習通APP、網絡視頻教學、仿真技術、實物制作等元素，將復雜的電路分析、工程計算等盡量用生動形象、淺顯的方式教授學生。多元素的融合不僅讓學生對枯燥理論知識有了充分的理解，也達到了多動手的目的。復雜技術問題的有效融入，保證教學目標和畢業要求指標的靈活實現。

1 基于工程教育認證的教學目標修訂

根據我校學生的特點，結合工程教育認證的畢業要求，在表達簡潔明了及完整的基礎上，筆者將原有的教學目標進行了必要的拆分和重整，制定了符合電力電子技術的教學目標：

目標1：掌握幾種常用電力半導體開關器件的工作原理、特點、特性、電氣參數及應用。掌握幾種基本電力電子變換電路的工作原理、波形分析、設計計算、控制方法。能夠培養對具體問題進行建模求解的能力。

目標2：掌握幾種控制技術及典型電力電子應用電路。具備對典型電路進行分析的能力。了解電力電子行業在新能源汽車、開關電源、不間斷電源等領域的發展，明白電源的安全重要性，具備嚴謹細致的工作作風和生命至上的理念。

目標3：掌握該領域最基本的實驗技能及測試方法，有一定的軟件仿真熟練操作度以及實物操作度，能夠具備對結果進行有效分析，并得出有效結論的能力。同時在實踐過程中能以小組為單位完成實踐任務。在教學過程中培養學生的分析問題、解決問題的研究性思維能力，并著重鍛煉學生的工程實踐能力。

2 教學目標與畢業要求指標點的對應

電力電子技術能支撐的畢業要求指標點見表1。

表1 電力電子技術與畢業要求指標點關系

3 基于工程教育認證的理實一體化教學模式研究

工程教育認證對畢業生的畢業要求和人才培養目標提出了基本要求[5]。傳統的重理論重推導輕實操的教學理念限制了學生的綜合學習能力。為了讓學生成為學習的主體，通過探索和嘗試，設計一種基于電氣工程及其自動化應用背景，符合工程教育認證體系的教學方法和考核體系，采用理實一體化教學模式和重平時重實操的考核模式，發掘學生潛能，培養創新力、實操力、具有團隊意識和職業操守的人才。

3.1 教學方法及內容改革

筆者所在學校電力電子課程56學時，采用4節連上的方式，總共14次課，每次課一個小主題。每個小主題均為理論教學+實操教學。理實一體化的課程希望通過在課堂上采用邊理論邊實踐，結合授課互動、學生討論、動手操作等多種形式，在授課中盡量體現學生的主體地位，培養學生的自主學習意識。值得一提的是，對于實操教學，實操講解部分采用視頻教學，方便學生邊做實操邊觀看視頻，防止誤操作。

為了避免滿堂灌式的單一枯燥理論講授，理論授課部分保留一部分的傳統授課，另外一部分采用多元化的學習方式，該方式不僅以學生為中心，并融入工程教育理念：（1）討論課。一個主題的內容，教師切分成幾個問題，引導學生以小組為單位進行討論，并引導學生發言表達，化被動學習為主動學習。由于知識點做了切分，教師在組織整個教學中需要做穿針引線的工作，將主題系統化。（2）視頻課。教師提前在學習通APP中上傳下次課所學主題的知識點視頻，在課堂上的規定時間段內，學生自主學習視頻，教師可通過檢查學生筆記的方式，或者通過運用學習通APP定時發送測試題的方式，檢驗學生的自學成果，并在適當的時候做歸納總結。（3）工程案例課。將實際案例引入到課程中，教師介紹案例的前提背景，所需的主題知識點，解決途徑，具體參數計算等。目前已引入的案例有小型氮肥廠合成塔電爐用調壓器的改造，小型開關電源，車載逆變器等。

實操教學部分同樣保留一部分的傳統實驗臺驗證性實驗操作，另外還圍繞每次課的主題安排了焊接操作、Simulink仿真操作，大大增加學生的動手動腦機會。學生通過Simulink仿真，幫助學生加深對理論知識的理解和鞏固，該環節是理論知識消化補充的重要環節；通過焊接一些小實物如小型開關電源式充電器、小型逆變器等，培養學生主動思考、排錯糾錯的能力，加深理解，提高學習動力。在電力電子技術實習部分，安排學生學習開關電源的生產流水線，了解現場操作和工藝流程，培養學生的規范意識，是校內教學的延續和總結，也是培養技能型人才的必備途徑，為學生今后的學習和就業打下基礎。

3.2 教學平臺改革

筆者利用學校的網絡課程教學平臺，進行了網絡課堂的搭建和維護，進行視頻、備課筆記、指導書等材料的上傳，并制作了大量試題庫，方便隨堂使用。通過該平臺及學習通APP，讓學生進行課前的預習、課中的點名與測試、課后的復習等。網絡教學平臺作為教學的輔助，已成為筆者組織教學不可或缺的教學工具。網絡平臺及學習通APP的教學組織過程見圖1[6]。

圖1 網絡平臺及學習通APP的教學組織過程示意圖

3.3 作業改革

課后作業是加強知識鞏固、檢驗學生學習效果的有效途徑。筆者在布置作業時保留了一些傳統作業模式，學生需要學會參數計算，進行波形分析。另外為了鍛煉學生的口頭表達能力，還布置了視頻講解作業，比如在學習驅動電路部分，要求學生自學驅動部分原理，然后自己講解電路原理并錄視頻上交。這種作業可以讓學生在大腦中留下深刻的學習映射。當然，針對工程教育認證中復雜工程問題的建模與求解這一指標點，筆者布置了學生以小組為單位的綜合作業，根據所學的知識，查找期刊資料，進行適當的閱讀、分析、整理、總結，形成綜合作業報告。教師根據學生的報告成文情況、答辯情況、參與度等進行合理打分。學生所選綜合作業課題方向大致有正弦逆變器、不間斷電源設計思路綜述、電動汽車智能充電技術、全橋LLC串聯諧振開關電源分析等。

3.4 工程案例示例

課堂上工程案例的引入可以是教學周期比較長、知識點比較多的案例，比如開關電源涉及到EMI電路、整流電路、隔離式DC-DC變換器、PWM控制原理、閉環控制原理等，教師需要在教學的后期才能對學生進行剖析和介紹。教師也可以針對某個點進行工程案例的部分引入，比如學生在學習完單相可控整流電路時，接下來需要學習三相可控整流，這時可以引入小型氮肥廠合成塔電爐用調壓器的改造。示例如下：

某小型氮肥廠合成塔電爐使用的調壓器。現采用單相220V可控硅調壓器。該調壓器結構簡單,調試容易。但最多只能對15米電爐絲供電。隨著該廠生產力的提高，需要增加電爐功率，既對15～18米長度之間的電爐絲供電，他們是怎樣改造調壓器的呢？

案例解決思路如下：

對于單相220V可控硅調壓器，考慮輸出電壓最大時的情況：

由此可知，198V輸出電壓，可對15 米電爐絲供電。當使用三相半波可控硅調壓器時，可求得輸出電壓最大時的情況：

所以，三相半波可控硅調壓器可對最長19.5米的電阻絲供電，因此對15～18 米長度之間的電爐絲供電應該是沒有問題的。進一步的可以考慮控制范圍。

再對18米電阻絲的供電電壓進行粗估：198× 18÷ 15=237.6V 。

運 用 波 形 連 續 公 式237.6 =1.17 × 220 × cosα2，求 得α2=22oV。

4 基于工程教育認證的考核評價體系構建

學生的考核評價體系中總成績由過程性考核（30%）、實踐項目考核（30%）、結果性考核（40%）組成，以百分制登記。過程性考核成績由作業、隨堂測試、自主學習、綜合作業構成；實踐項目考核成績由實踐操作考核、實踐報告考核構成；結果性考核采用理論+實踐開卷考試。考核相關的理論基礎知識和實踐知識。考核注重學生理論知識的掌握，波形分析方法的掌握，參數選擇的掌握，以及學生分析問題能力、解決問題能力、動手能力的掌握。試卷增加工程應用類題型，對在學習和應用上有創新、能自主發現問題、解決問題的學生給予較好評價。基于工程教育認證的考核評價體系，需要各項畢業要求指標點對考核方式做對應及分配權重，并最終算出每個課程目標的達成度，筆者對18級電氣工程及其自動化班級進行分析計算，具體如表2、表3所示。

表2 畢業要求指標點與對應考核方式關系

表3 電力電子技術課程達成度

5 基于工程教育認證的持續改進

筆者就目前電力電子技術課程的改革后效果來看，達到了一定的督促學生自主學習的效果，學生主觀能動性和規則意識有較大改善、動手能力有較大的提高。就課改內容來看，后期還需要更多的融入科研新方向、行業新熱點，帶領學生打開視野、拓寬思維。課程教學方式、教學內容若能和企業加大力度、高度融合，讓學生深度學習電力電子技術在現今行業的工程實際應用，提高理論和實踐知識，將會為畢業生就業提供更多的可能。

6 結束語

用工程教育認證的理念組織教學，在重視基本理論、基本技能的培養時，也要重視工程理念的培養。學生是學習的主體，教學需要幫助學生樹立正確的學生觀；擺脫“學困”煩惱，培養學生學習能力和自主學習意識。本文從教學目標的優化，到教學方法、教學內容、教學平臺的改革以及考核評價體系的構建等方面對電力電子技術課程進行改進，提高教學質量，以期提高用人單位對畢業生的滿意度，完成高質量育人的目標。