項目驅動的電力電子實驗教學研究與探索

馮學玲， 姚鴻泰， 張 蓉， 夏冬輝， 王學華， 尹 仕

（華中科技大學 電氣與電子工程學院，強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

2016 年起，我校電氣與電子工程學院以“電氣化+”的學科交叉融合創新發展戰略為指導，借鑒世界一流大學工程教育理念基礎，提出“科學主導、實踐驅動”的工程教育理念及實施路徑，旨在培養面向未來的學術拔尖人才和業界領軍人才［1］。因此實踐教學不再是理論教學的附屬品，轉而成為教學改革的主要驅動力，通過“做中學”不斷提升學生的自主學習能力，使學生學習過程從“外驅”變為“內驅”，最大程度激發學生的學習興趣和創造能力。

電力電子學——電力電子變換和控制技術，是高等工科院校電氣信息類電氣工程及其自動化等專業學生必修的一門專業基礎課程［2］，是電氣工程專業其他課程的綜合應用，亦是一門實踐性很強的技術基礎課程［3］。電力電子技術橫跨電力、電子和控制3 個領域，幾乎所有與電力、電子有關的高科技領域都涉及電力電子變換和控制技術，是專業人員從事相關工作必須掌握的基礎知識。

電力電子變換技術通過控制半導體電力開關器件的通斷狀態實現電源功率和能量轉換，在電力系統、電能質量控制、智能電網以及電力碳中和領域得到了廣泛的應用和發展。在“科學主導、實踐驅動”的工程教育理念下，我校開設了40 學時的信號與控制綜合實驗課程，聚焦電力電子系統建模、控制、研發的全周期。摒棄傳統以實驗掛箱接、拆線實驗的模式［4］，以實際工程為背景，基于項目驅動教學方式設計了面向“電氣化+”、新能源以及碳中和目標的電力電子變換項目：光伏發電系統中的能量變換與控制研究、電動汽車車載電源系統綜合設計與研究。兩個項目將電流電壓信號實時檢測、處理分析以及閉環控制等融入電力電子變換器的設計和研發過程中，貫穿整個課程教學；引導學生基于實際工程項目開展電力電子電路設計、仿真分析、制作與調試等任務，使學生能夠完成從電路原理認知到設計調試等一整套電力電子開發學習過程，進一步提升學生知識建構、認知能力和意識養成等工程實踐能力［5］。

1 項目驅動式教學設計思路

1.1 項目驅動教學

項目驅動式教學，首先應用于德、英等國大學教育并取得了顯著教學效果，是一種以建構主義教學理論為基礎、以工程項目作為課程引擎，教師引導學生主動完成項目的教學［6］。項目驅動式教學法的主要特點是“以項目為主線、教師為主導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式［6］，教學目標明確，教學過程中學生的參與度顯著提高，從而能夠最大程度地激發學生主動探索和學習的動力。

課程組提供光伏發電系統中的能量變換與控制研究、電動汽車車載電源系統綜合設計與研究兩個綜合實驗項目，前者偏向于新能源發電并網；后者偏向于終端裝備研制。學生可根據個人未來職業規劃自主選擇并重新編班，以便課程組教學實施。

1.2 教學設計思路

“信號與控制綜合實驗”課程采用綜合設計模型［7-8］。該模式基于課程情境因素，制定有意義的學習目標、設計教育型評估與反饋、實施主動式教學活動，并將三者（下稱三要素）的一致性進行綜合和調整，為學生創造豐富的學習經歷，如圖1 所示。

圖1 基于項目驅動式教學的課程設計思路

因此，課程組將通過設計基于“知識、能力、素養”的6 類有意義的學習分類目標，并采用基于真實性任務完成情況的前瞻性評估（真實性任務評估）和高質量的反饋來調動學生學習的積極性與主動性；采用新途徑來幫助學生更好地獲取信息和觀點；基于綜合的、有挑戰性的、背景豐富的項目驅動形式來豐富學生實踐經歷，進而產生更多智力上的興奮和動機；引導學生對學習過程進行深度反思性寫作，以上均能最大限度地豐富學生經歷而產生意義。

2 教學設計與實施

2.1 教學目標

具體而言，課程通過基于項目的科學實踐探究過程（建模-分析-設計-研究）將有意義學習目標［9］與工程教育“知識、技能和素養‘三位一體’”的人才培養目標緊密結合［10］。在課程結束后，學生能達成如下目標：

（1）基礎知識目標（建模—分析）。能描述和表達實際電力電子電路系統的數學模型，如開關模型的線性化、電壓數字反饋、調制器模型等，并能驗證模型的有效性。

（2）學以致用目標（分析—設計）。能運用軟件工具設計控制指標和頻域閉環控制器，能運用仿真工具證明并思考設計的合理性、有效性和實踐意義。

（3）觸類旁通目標（設計—研究）。能結合不同項目的要求，聯系和整合出一套完整的電力電子電路開發流程，能綜合運用信號與系統、檢測與控制方面的理論知識解決實際生活工程問題。

（4）人性維度目標。在團隊合作中能根據個人所長進行分工合作、管理和協調資源，反思自己和他人學習的進步，如系統知識的梳理、焊接技術、軟硬件調試技能以及工程溝通能力等。

（5）人文關愛目標。對高頻開關電源模塊化、高效化、數字化、綠色化［11］等產生認知和興趣，促進個人定位和職業規劃發展。

（6）學會學習。建立電力電子學實踐探究認知框架，總結方法技巧，成為自主學習者；明確該不該做、可不可做、值不值做、以及會不會做［9］。

2.2 教學結構

基于項目驅動式的電力電子實驗教學課程，采用如圖2 所示的課程教學結構，含課前準備、課中實踐、課后反思3 個階段，并融入了工程項目開發全周期的構思、設計、實施、運作（Conceive，Design，Implement，Operate，CDIO）［12］工程教育理念。

圖2 基于項目驅動式的電力電子實驗教學結構

（1）課前（構思—設計）。課程組教師構思課程和項目并研究項目可行性，然后設計并發放問卷，通過問卷，一方面可以了解學情；另一方面可以有針對性地遴選出一批優秀的學生作為課程助教。老師和助教共同開發樣機、搭建腳手架、整合課程資源（如配備材料、撰寫項目開發文檔、編寫實驗指導書）并引導學生預習。

（2）課中（設計—實施—運作）。教師介紹課程導言，明確課程目標和評價標準，并分解項目任務和進行重難點講解；學生以小組合作模式自主設計、探究實施進程、展示并進行多任務多進程循環運作；教師和學生助教進行有效及時的答疑和反饋。

（3）課后（反思—再設計—再構思）。學生提交課程報告，包括電路設計和參數選型、模型建構和閉環控制、模塊測試和系統調試、問題假設與解決、團隊合作與分工、個人深度反思與總結（倘若重新再做一次，該如何避坑、如何提升）等；教師做出課程評價，分析教學目標達成度，并對課程和項目進行再構思再設計，完成迭代。

2.3 任務分解與課堂教學

信號與控制綜合實驗課程為40 學時，共10 節課，前8 節課為直流電源系統，后2 節課為交流電源系統探究。本文以實驗項目“電動汽車車載電源系統綜合設計實驗”為例，對任務分解情況進行介紹。該電源系統采用DC-DC 移相全橋電路拓撲，電路結構如圖3所示。

圖3 “電動汽車車載電源系統”電路原理示意

該電源系統可分解為主電路設計選型、輔助電路焊接調試、系統搭建、開環調試、建模、閉環控制調試、項目指標測試、項目驗收答辯8 個任務環節。根據項目實施進程，課程除設置基本任務外，還設置了進階和高階任務，以滿足不同學生的學習需求。具體任務信息如表1 所示。

表1 電動汽車車載電源系統項目任務一覽表

（1）基本任務。要求學生完成率100%，為保證學生都能達到基本任務，課程組從3 方面教學引導。①整理豐富的項目參考資料和文獻、制作環節的微視頻等，作為課前預習、課后自主學習的線上資源，同時將重要文獻和資料裝訂成冊以便課堂隨時查閱；②引導學生制作項目進度自查表和團隊畫布，幫助學生自主規劃項目進度和節點；③在關鍵節點予以檢查、驗收、提出建議等，以敦促學生把控進度，不掉隊、不擺爛。

在整個基本任務實施期間，教師的教學原則是：不教授具體操作步驟，全局引導和把控，允許學生在恰當范圍內設計的多樣性，給予學生充分的試錯空間，引導學生發現和解決問題并設計優化。為保證學生能夠順利地完成基本任務，在重點環節給予適當的引導和提醒。比如，在設計參數時，引導學生重點考慮占空比丟失［2］對開關頻率、高頻變壓器匝比、諧振電感的影響；在設計繞制諧振電感和變壓器時，引導學生查閱文獻［13］獲取磁芯驗算原則并自主設計；在模型仿真時，引導學生根據文獻［14］所述軟件特點和適用性結合自己經驗或偏好來選擇軟件工具；而焊接環節時，提醒學生重視虛焊或短接帶來電路調試的一系列問題。整個教學過程中，學生通過不斷發現問題、解決問題將對電路原理和測試技巧有更深入地領悟，收獲有意義的學習經歷。

（2）進階和高階任務。課程組提供詳實的資料和平臺，鼓勵學有余力的學生自主探究，遇到疑難問題可同老師助教一起探討，實現“分層教學［15］”。

2.4 考核與評估

教學評價基于真實任務的過程監督、項目驗收、答辯以及總結報告等考核點，分別對實驗設計、實驗研究、書面表達、團隊合作以及個人反思學習評分，并與前文學習目標對應，具體詳見表2。

表2 信號分析處理綜合實驗課程考核評分表

表2 中，考核點“項目驗收”評分與前文表1 的“驗收分數”一欄保持一致，占課程總成績50%；“答辯及報告”占比40%，個人深度反思性對話占比10%。根據表2 中的“評價描述”進行等級評定。

3 教學效果

3.1 學生作品

利用實驗室的測試平臺，學生完成了“電動汽車車載電源系統”測試及關鍵波形記錄，如圖4 所示，以及實測性能指標如：電壓調整率、負載調整率、效率、紋波系數等指標［2］結果如表3 所示。

表3 車載電源實測性能指標

圖4 電動汽車車載電源測試系統及關鍵波形

與表1 任務相比，實測各項指標均滿足基本要求，說明學生閉環參數調節設計合理，但高階任務如效率還有待提升，可以考慮通過提高開關頻率、增大繞線電感截面等方面來降低損耗，提升效率。

3.2 學生評價與效果

在整理學生對課程深度反思性對話時，出現頻次最多的3 個關鍵詞是：任務目標清晰、體驗不錯、助教給力。為了檢驗項目驅動教學模式在電力電子實驗教學的實際效果，課程結束后，以問卷形式收集了學生對課程的評價，結果如表4 所示。

表4 課后問卷調查占比

問卷調查結果顯示：85%及以上的同學明確課程教學目標、贊同教學形式、能完成進階任務、對考核評價辦法滿意、且覺得收獲很大，不過也仍有極少數同學持不贊同、不在乎的態度。在今后的教學過程中，課程組將進一步關注學生探究過程中出現的淡漠者，引導他們能更好參與到教學活動中來。

結合學校關于學生實驗課堂評教［16］的結果來看，學生對該課程老師的評教滿意度評分均高于全校平均水平，如面對問題“你是否愿意將該老師的這門課推薦給其他同學來上嗎？”，所有同學都給了肯定的答案。

4 結語

本文將項目驅動式教學應用于電力電子實驗課程，從6 類有意義的教學目標出發，設置了基于“構思—設計—實施—運作—反思—再設計—再構思”的教學結構。以項目“電動汽車車載電源系統”為例，介紹了課堂任務與分解、教學設計與引導以及考核與評價。該模式的實施得到了好的教學效果，學生通過“做中學，學中做”，塑造了解決復雜工程問題的工程師思維。該模式能夠有效支撐新工科背景下以學生為中心的實踐教育理念，還可進一步推廣到其他工科專業實踐類課程。