新工科背景下電力電子技術(shù)課程多模式融合教學(xué)改革研究

顧 珊，崔佳民，楊 麗

（浙江水利水電學(xué)院 浙江 杭州 310000）

隨著新工科建設(shè)工作的全面部署，教育部明確了我國工科教育需要持續(xù)培養(yǎng)新工科人才以支撐國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展模式[1]。因此，在新工科教育發(fā)展背景下，如何培養(yǎng)出能滿足企事業(yè)單位需求的工程技術(shù)專業(yè)人才，成為應(yīng)用型高校亟須解決的關(guān)鍵問題[2]。

電力電子技術(shù)是為適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展而形成的新興技術(shù)，其應(yīng)用非常廣泛，大到目前國內(nèi)外高度重視的新能源技術(shù)發(fā)電設(shè)備、電力輸送設(shè)備等，小到人們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N家電[3]。然而，相對于電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展而言，我國國內(nèi)部分院校的電力電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容與方法陳舊，無法真正跟隨時(shí)代的發(fā)展趨勢。

以浙江水利水電學(xué)院（以下簡稱“我?！保┑碾娏﹄娮蛹夹g(shù)課程為例，目前，該課程作為我校新能源科學(xué)與工程、電氣工程及自動化等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，課程授課面覆蓋較廣。然而，在目前的電力電子技術(shù)教學(xué)實(shí)踐中仍存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、與工程實(shí)際脫鉤、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊或過于集成化、可操作性差等諸多問題[4]。因此，有必要針對新工科建設(shè)培養(yǎng)創(chuàng)新人才和工程技術(shù)人才的要求，并根據(jù)學(xué)校課程教學(xué)現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的教育教學(xué)方法和內(nèi)容進(jìn)行改革優(yōu)化，以提高教學(xué)質(zhì)量。

1 多模式融合教學(xué)改革

電力電子技術(shù)課程存在教材內(nèi)容脫離工程實(shí)際、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一等問題，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)際、實(shí)踐操作脫節(jié)。因此，有必要將應(yīng)用實(shí)例、線上教學(xué)平臺、虛擬仿真增加到課程教學(xué)中，構(gòu)建線上線下混合式教學(xué)與理虛實(shí)一體化教學(xué)相融合的多模式教學(xué)課程模式，從而達(dá)到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)模式、提升教學(xué)質(zhì)量、推動教學(xué)改革的目的。具體教學(xué)模式見圖1。

圖1 多模式融合教學(xué)模式

1.1 以工程為導(dǎo)向，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

按照新工科人才的培養(yǎng)思想，結(jié)合我校致力于培養(yǎng)具備專業(yè)應(yīng)用技能和工程實(shí)踐能力，以及能夠處理復(fù)雜工程問題的高層次應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，有必要以工程技術(shù)應(yīng)用為改革前提，優(yōu)化該課程現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)際和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，刪減晶閘管相關(guān)內(nèi)容，增加實(shí)際工程中常用的全控型器件的教學(xué)學(xué)時(shí)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容；緊跟科技發(fā)展，適時(shí)對電力系統(tǒng)領(lǐng)域有關(guān)的新技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，增加實(shí)際應(yīng)用案例到課程教學(xué)內(nèi)容中，優(yōu)化知識體系。分析研究各學(xué)科方向中有關(guān)電力電子領(lǐng)域的相關(guān)課程，加強(qiáng)相關(guān)課程間的有機(jī)融合，拓寬知識范疇。如在講解逆變電路部分內(nèi)容時(shí)，可以將其與光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中的光伏逆變器有關(guān)內(nèi)容融合到一起，為學(xué)生今后從事與本專業(yè)方向相關(guān)的科學(xué)研究、生產(chǎn)工作以及工程設(shè)計(jì)等提供必要的理論知識基礎(chǔ)和專業(yè)技能保障。組織學(xué)生參觀專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)，使學(xué)生實(shí)地學(xué)習(xí)電力電子裝置在光伏、風(fēng)電、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的工程應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)識與了解，為學(xué)生今后的工作、科研等打好理論基礎(chǔ)。

1.2 改革教學(xué)手段，開展線上線下混合式理論教學(xué)

由于線下的教育模式存在時(shí)間與空間上的限制，無法充分鍛煉學(xué)生的專業(yè)技能和應(yīng)對復(fù)雜工程問題的能力，而采用線上與線下相結(jié)合的教育方式是有效的解決方案。通過引入雨課堂、慕課、超星學(xué)習(xí)通等線上教學(xué)資源平臺，充分發(fā)揮線上教學(xué)資源優(yōu)勢，開展線上線下混合式教學(xué)，可有效彌補(bǔ)線下教學(xué)時(shí)間與空間上的不足，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。教師利用線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)布課前預(yù)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生課前線上導(dǎo)學(xué)；課中利用線上平臺開展簽到、點(diǎn)名、搶答等課堂教學(xué)活動加強(qiáng)教師與學(xué)生的互動交流，可以集中學(xué)生的注意力，提高其學(xué)習(xí)的積極性和趣味性；在課后進(jìn)行線上課后作業(yè)、章節(jié)測驗(yàn)、任務(wù)點(diǎn)學(xué)習(xí)跟蹤、答疑互動等，可以幫助學(xué)生加深對線下課堂內(nèi)容的理解。另外，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺可以發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)書、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、多媒體課件、實(shí)操教學(xué)錄像等，實(shí)現(xiàn)線上實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)。線下實(shí)驗(yàn)室的實(shí)物驗(yàn)證，更側(cè)重鍛煉學(xué)生的動手和工程實(shí)踐能力。

1.3 引入虛擬仿真，構(gòu)建理虛實(shí)一體化實(shí)踐教學(xué)

在電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要深入研究復(fù)雜且數(shù)量眾多的電路拓?fù)渑c數(shù)學(xué)公式。但由于缺乏清晰的認(rèn)識，學(xué)生在實(shí)踐中往往局限于參數(shù)計(jì)算及公式推導(dǎo)上，而忽略了對電路基本工作原理的理解[5]。因此，采用理論實(shí)踐一體化教學(xué)，通過使用Matlab、PSIM 等應(yīng)用軟件來協(xié)助學(xué)生進(jìn)行仿真訓(xùn)練，可以使學(xué)生在熟練掌握基礎(chǔ)知識的前提下，逐步完成簡單的電路構(gòu)建、控制/調(diào)節(jié)原理的證實(shí)，直至大規(guī)模的電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化的目標(biāo)，提高學(xué)生實(shí)踐參與度的同時(shí)，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

2 多模式教學(xué)實(shí)踐

2.1 結(jié)合工程實(shí)際，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

反激電路是電力電子技術(shù)課程第五章的內(nèi)容，教材介紹較少，只簡單介紹了主電路原理，內(nèi)容只有一頁左右；但實(shí)際上，反激電路由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在電源領(lǐng)域，尤其是小功率電源中有著極為廣泛的應(yīng)用。因此，本課題組根據(jù)反激電路的工作原理，以電動車充電器中常用的UC3842控制芯片作為驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管MOSFET 的調(diào)制芯片，在主電路的基礎(chǔ)上增加整流環(huán)路、初級供電環(huán)路、初級MOSFET 開關(guān)環(huán)路、次級整流環(huán)路等功率環(huán)路。最終以具體工程為導(dǎo)向，將反激電路主電路理論學(xué)習(xí)拓展為“反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目教學(xué)。本項(xiàng)目以電力電子技術(shù)中較為普遍的實(shí)際應(yīng)用——開關(guān)電源作為主題，將課堂教學(xué)與現(xiàn)實(shí)生活緊密相連，有助于提升學(xué)生對其應(yīng)用價(jià)值的認(rèn)識，進(jìn)而激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。項(xiàng)目還包含了實(shí)際工程中常用的全控型器件MOSFET、變流技術(shù)中最基本的變換電路——整流和直流變流電路，同時(shí)將控制原理與電力電子相結(jié)合，覆蓋知識點(diǎn)全面，難度適中，貼合工程實(shí)際。

2.2 線上線下混合，扎實(shí)理論基礎(chǔ)

教師課前通過線上系統(tǒng)發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)書、指導(dǎo)書、相關(guān)知識的教學(xué)課件和學(xué)習(xí)視頻、學(xué)習(xí)測試給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)任務(wù)書，完成章節(jié)相關(guān)知識點(diǎn)的線上學(xué)習(xí)以及自學(xué)測試，完成線上導(dǎo)學(xué)，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)知識難點(diǎn)。在線下課堂上，教師根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的情況，有針對性地對出錯(cuò)率較高的知識點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解。由于反激電源的參數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜、涉及參數(shù)較多，因此參數(shù)計(jì)算不做強(qiáng)制要求，教師將相關(guān)的設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)資料通過平臺發(fā)給學(xué)生，課上只講授關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，完整的設(shè)計(jì)計(jì)算不做要求，根據(jù)學(xué)生的接受能力進(jìn)行分級指導(dǎo)。

2.3 虛擬仿真訓(xùn)練，“學(xué)、思、做”一體化

在了解并掌握反激電路的工作原理、波形分析及控制原理后，教師在課前將EDA 輔助軟件的相關(guān)學(xué)習(xí)資料發(fā)布在線上網(wǎng)絡(luò)平臺上，供學(xué)生進(jìn)行線上自學(xué)和熟悉軟件。在線下課堂上，學(xué)生根據(jù)教師提供的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行EDA設(shè)計(jì)：①繪制電路原理圖，熟悉電子電路原理圖設(shè)計(jì)步驟，掌握原理圖設(shè)計(jì)的電氣規(guī)則檢查；②PCB 元器件封裝制作，掌握實(shí)際電力電子元器件的原理、特性及封裝等；③PCB圖紙繪制，重點(diǎn)掌握PCB 板布線規(guī)則、錯(cuò)誤檢查及排除等；④PSIM 軟件仿真，觀察各種輸出波形，通過仿真實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。教師通過課堂巡查，對EDA 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)，如變壓器參數(shù)設(shè)置、PCB 板布線規(guī)則、各種故障檢查與排除方法等進(jìn)行講解示范、協(xié)助解惑、啟發(fā)思考。鼓勵學(xué)生在電路仿真中進(jìn)行創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.4 實(shí)物焊接驗(yàn)證，能力提升強(qiáng)化

實(shí)物焊接驗(yàn)證在線下課堂進(jìn)行。虛擬仿真訓(xùn)練完成后，教師會組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)體電路的焊接與調(diào)試。教師現(xiàn)場演示變壓器“三明治繞法”的實(shí)際操作，并結(jié)合實(shí)物講解變壓器氣隙如何設(shè)計(jì)，學(xué)生觀察、思考、操作。變壓器制作完成后，首先根據(jù)元器件BOM 清單，檢查MOSFET、穩(wěn)壓管、二極管等關(guān)鍵元器件的性能好壞，然后依據(jù)電路原理圖和PCB 板設(shè)計(jì)圖紙，完成所有線路的焊接工作，隨后進(jìn)行通電測試，以檢測輸出電壓是否準(zhǔn)確無誤，并觀察燈管能否正常發(fā)光。最后，用示波器對電路進(jìn)行測試，記錄輸出波形。通過課堂巡查，教師了解學(xué)生的實(shí)踐操作情況并適當(dāng)進(jìn)行指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生去探究故障發(fā)生的原因，激勵學(xué)生進(jìn)行討論合作，協(xié)助學(xué)生解決問題排除故障。課后，學(xué)生通過線上平臺提交實(shí)物成果照片和測試報(bào)告，教師給予點(diǎn)評打分，做出教學(xué)總結(jié)。

3 教學(xué)實(shí)踐效果

通過近幾個(gè)學(xué)年的課程實(shí)施，較之于之前的傳統(tǒng)教學(xué)方法，多模式融合的教學(xué)模式呈現(xiàn)了較好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，不及格人數(shù)相對減少，課程通過率相對提高。如圖2 所示，該班級單個(gè)項(xiàng)目總評成績集中在80-89 分，班級平均分在83 分，中高分?jǐn)?shù)段的人數(shù)較多，課程通過率達(dá)到100%。

圖2 2021-2022 學(xué)年某班級“反激開關(guān)電源”項(xiàng)目總評成績柱狀圖

4 結(jié)語

針對“電力是子技術(shù)”課程理論與應(yīng)用緊密結(jié)合、工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程組構(gòu)建了基于線上線下混合式教學(xué)與理虛實(shí)一體化教學(xué)的“導(dǎo)、教、學(xué)、做、創(chuàng)、評”一體的多模式融合課程教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，以具體工程為導(dǎo)向的多模式融合教學(xué)改革，在提升教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，使學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手實(shí)踐能力以及工程應(yīng)用能力也得到了進(jìn)一步提高，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及今后從事相關(guān)的科研技術(shù)工作打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)，符合新工科建設(shè)背景下培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才和工程技術(shù)人才的要求。