基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)探索與實(shí)踐

趙 濤 ， 張恩旭， 黃家才， 徐開(kāi)蕓

(南京工程學(xué)院 1. 自動(dòng)化學(xué)院，2. 電力工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)探索與實(shí)踐

趙 濤1， 張恩旭2， 黃家才1， 徐開(kāi)蕓1

(南京工程學(xué)院 1. 自動(dòng)化學(xué)院，2. 電力工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

本文通過(guò)合理組織和分配各種設(shè)備、工具、技術(shù)、媒體和教材，構(gòu)建了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)在“電力電子技術(shù)”課程中應(yīng)用模式；并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了混合式教學(xué)模式的效果。教學(xué)實(shí)踐表明，混合式教學(xué)不僅有助于提高教學(xué)效果，而且對(duì)提升學(xué)生的綜合能力有很大幫助。

混合式學(xué)習(xí)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)；電力電子技術(shù)

0 引言

混合式教學(xué)是把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起的一種教學(xué)方式?；旌鲜浇虒W(xué)既發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過(guò)程的主導(dǎo)作用，又充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)過(guò)程主體的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性[1]。目前國(guó)內(nèi)不少高校實(shí)施混合式教學(xué)，也取得了較好的效果[2]。然而，混合式教學(xué)還存在如下幾方面問(wèn)題：①實(shí)施的混合式教學(xué)還多是以教師為主導(dǎo)的教學(xué)，無(wú)論是內(nèi)容的推送，還是教學(xué)過(guò)程的監(jiān)控，學(xué)生為主體的教育思想還沒(méi)有得到充分的貫徹，學(xué)生的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性沒(méi)有得到充分的體現(xiàn)[3]；②混合方式過(guò)于單一，簡(jiǎn)單的將混合式教學(xué)視為傳統(tǒng)課堂教學(xué)和E-Learning，即網(wǎng)絡(luò)+課堂的模式；③沒(méi)有根據(jù)教學(xué)對(duì)象、教學(xué)條件等，對(duì)所有的教學(xué)要素進(jìn)行優(yōu)化選擇和組合，僅僅是把各種要素簡(jiǎn)單的疊加在一起。因此，混合式教學(xué)的長(zhǎng)處得不到發(fā)揮，學(xué)生在初始的新鮮感過(guò)去后，逐漸喪失了參與混合學(xué)習(xí)的積極性。

為此，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)課程混合式教學(xué)的相關(guān)要素進(jìn)行了分析，探尋課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和課內(nèi)外的實(shí)踐教學(xué)之間最佳切合點(diǎn)，研究混合式教學(xué)過(guò)程中線上與線下、理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)諸要素的融合機(jī)制，提出采用基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)模式，并在“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)中加以應(yīng)用。

1 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

電力電子技術(shù)是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一門技術(shù)，具有很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性。近20年來(lái)，電力電子技術(shù)所涉及到的知識(shí)和技術(shù)在不斷豐富，形成向智能化、數(shù)字化發(fā)展的趨勢(shì)。

“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容涉及知識(shí)面廣、概念多，主要包括電路分析、波形分析和公式推導(dǎo)等部分[4]。教師要在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)把這些知識(shí)都講透，讓學(xué)生都能充分理解是件不容易的事情；另一方面隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，獲取知識(shí)的途徑越來(lái)越多，也越來(lái)越容易，知識(shí)也呈現(xiàn)碎片化的特點(diǎn)。

有鑒于此，教師的角色需要由過(guò)去的知識(shí)傳播者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者和激勵(lì)者；要激發(fā)學(xué)生的求知欲，將枯燥和抽象的知識(shí)點(diǎn)融入實(shí)際工程項(xiàng)目中；學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施中，尋求解決問(wèn)題的過(guò)程，也是獲得知識(shí)過(guò)程[5]。

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)就源于此。

1.1項(xiàng)目的選擇

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)首先要解決項(xiàng)目選擇問(wèn)題。

項(xiàng)目要注意內(nèi)容的先進(jìn)性、綜合性和實(shí)踐性，應(yīng)適合實(shí)踐教學(xué)和啟發(fā)創(chuàng)新，項(xiàng)目?jī)?nèi)容不應(yīng)太簡(jiǎn)單，難度要適中；成果最好具有相對(duì)的完整性和可考核性。

項(xiàng)目?jī)?nèi)容上應(yīng)具有多樣性，既有電路設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算，也要求適合利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，采用虛實(shí)結(jié)合教學(xué)方式，充分利用軟件資源，提高學(xué)生求知欲及解決問(wèn)題的能力。

針對(duì)目前電力電子技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的DC-DC 變換和DC-AC 變換的兩種變流電路，結(jié)合數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢(shì)，我們選擇了Buck 變換電路、Boost 變換電路、同向Buck-Boost 變換電路、單相逆變電路、直流電機(jī)H 橋電路等設(shè)計(jì)項(xiàng)目[6]。

1.2混合式教學(xué)模式構(gòu)建

構(gòu)建基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)模式，就是要解決混合什么和如何混合的問(wèn)題，要對(duì)所有的教學(xué)要素進(jìn)行優(yōu)化選擇和組合。圖1 給出基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)混合式教學(xué)模式的框圖。

混合式教學(xué)模式分為預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備、項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施操作和評(píng)估與總結(jié)三個(gè)階段：

1)預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備

圖1 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)混合式教學(xué)模式的框圖

教師首先在線布置項(xiàng)目任務(wù)、提出設(shè)計(jì)要求，并提供相關(guān)教學(xué)資源包括：教學(xué)視頻、微課、教學(xué)PPT及技術(shù)手冊(cè)等。學(xué)生接收教師的設(shè)計(jì)任務(wù)，明確設(shè)計(jì)要求，自行分組和安排各自承擔(dān)的設(shè)計(jì)任務(wù)，并根據(jù)教師提供的教學(xué)視頻、PPT等教學(xué)資源或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)檢索進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

2)項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施

項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施階段是在線下和線上完成的。教師通過(guò)面對(duì)面的方式對(duì)于設(shè)計(jì)中難點(diǎn)或重點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)輔導(dǎo)，審查學(xué)生提供的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行答疑、問(wèn)題討論和深化，監(jiān)控設(shè)計(jì)過(guò)程。學(xué)生在此期間可以相互討論、溝通，對(duì)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題請(qǐng)教教師和同學(xué)，并進(jìn)行實(shí)踐操作。

在課后，學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，對(duì)自己在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題可與教師在線交流，及時(shí)向教師反饋，教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程中需要承擔(dān)在線答疑與指導(dǎo)工作。對(duì)學(xué)生而言，利用網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)設(shè)計(jì)中需要掌握的技術(shù)和知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，也是實(shí)施中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

3)評(píng)價(jià)與總結(jié)

教師面對(duì)面審查學(xué)生的設(shè)計(jì)成果，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)成果做出客觀的評(píng)價(jià)；并根據(jù)不同學(xué)生的承擔(dān)的工作進(jìn)行提問(wèn)，以評(píng)估該學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中的表現(xiàn)。也可以通過(guò)在線方式和學(xué)生討論問(wèn)題，幫助學(xué)生完成總結(jié)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化。

在基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)的三個(gè)階段中，不應(yīng)該將傳統(tǒng)的面對(duì)面的教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)割裂開(kāi)來(lái)，而應(yīng)該將這兩種教學(xué)方式貫穿在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，只不過(guò)在不同的階段有所側(cè)重而已。

2 教學(xué)應(yīng)用案例

本文以Buck 斬波電路項(xiàng)目設(shè)計(jì)為樣例，闡述基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)模式的應(yīng)用。

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表1給出要求設(shè)計(jì)的Buck 斬波電路的相關(guān)參數(shù)，該項(xiàng)目要求學(xué)生完成電路設(shè)計(jì)、器件選擇、電感電容計(jì)算、驅(qū)動(dòng)電路和主電路的實(shí)驗(yàn)；并且要求設(shè)計(jì)閉環(huán)控制，滿足從輸入到負(fù)載的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定指標(biāo)及靜態(tài)控制指標(biāo)并進(jìn)仿真分析，以證明設(shè)計(jì)的有效性。

表1 Buck 斬波電路設(shè)計(jì)要求

學(xué)生之前僅僅學(xué)過(guò)Buck 斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，要完成Buck 斬波電路的設(shè)計(jì)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，他們需要進(jìn)行控制、檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)和主電路的設(shè)計(jì)。對(duì)于控制電路，原則上不做限定，既可以選擇諸如TL494、SG3525、UC3845 等PWM 控制芯片，也可以采用高性能單片機(jī)控制，但不允許采用直接集成的變換器單元。圖2給出了由學(xué)生設(shè)計(jì)的Buck 電路原理圖，其中注明主要器件的型號(hào)和參數(shù)。

圖2 由學(xué)生設(shè)計(jì)的Buck主電路的

對(duì)于輸入濾波電感和輸出濾波電容的計(jì)算，根據(jù)下式，很容易計(jì)算出：

(1)

(2)

式中Lmin為圖2電路中最小電感值，單位H；電容C為濾波電容，單位F；電壓Ui和Uo分別為輸入電壓和輸出電壓，單位為V；ΔIL為電感電流的變化量，單位A；fs為器件的開(kāi)關(guān)頻率，單位Hz。

圖3 給出了由學(xué)生設(shè)計(jì)完成的基于STM32控制的Buck 電路的PCB 圖，從圖中可以看出電路布局合理，元件的封裝正確，對(duì)信號(hào)線和功率線的走線也有考慮。

圖3 由學(xué)生設(shè)計(jì)的Buck電路的PCB

2.2建模與仿真

“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)中，沒(méi)有涉及到Buck 電路小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的學(xué)習(xí)，學(xué)生要設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器，僅靠盲目試湊，這樣得到的控制器參數(shù)是沒(méi)有說(shuō)服力的，而需要通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)驗(yàn)證。

通過(guò)參閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，可以得到Buck 變換電路占空比到輸出的傳遞函數(shù)為：

(3)

Rc: 濾波電容的ESR。

根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算得到電感和電容值，利用Mathcad 得到Buck 主電路傳遞函數(shù)的bode 圖，見(jiàn)圖4。

圖4 Buck主電路傳遞函數(shù)的bode圖

從圖中可知傳遞函數(shù)不能滿足系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的要求，必須加入校正網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，校正環(huán)節(jié)加入后的回路增益應(yīng)使幅頻漸進(jìn)線以-20dB/dec 的斜率穿過(guò)零分貝線，并在較寬的范圍保持斜率不變。通過(guò)選取穿越頻率和控制器的類型，可以定量的確定控制的相關(guān)參數(shù)。

圖5給出了由學(xué)生基于Matlab/Simulink 完成Buck電路電壓閉環(huán)仿真模型和輸出電壓和電流波形，從仿真波形可以看出，對(duì)于電源電壓及負(fù)載變換，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

2.3實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)

最后由于條件限制，沒(méi)有要求學(xué)生進(jìn)行整個(gè)電路PCB 制作及調(diào)試，而是在萬(wàn)用板上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路和主電路焊接和制作，利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)板輸出高頻PWM進(jìn)行控制，圖6 為學(xué)生進(jìn)行Buck 電路調(diào)試和實(shí)驗(yàn)的照片。

圖5 Buck電路閉環(huán)仿真模型

圖6 Buck電路實(shí)驗(yàn)

以自動(dòng)化141班為例，根據(jù)詢問(wèn)和學(xué)生提交的總結(jié)報(bào)告，得到混合式教學(xué)過(guò)程評(píng)估表，示于表2。

根據(jù)表2可知，大部分學(xué)生都能進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，對(duì)項(xiàng)目要求明確，自主選擇自己感興趣的有關(guān)設(shè)計(jì)工作，對(duì)不懂的知識(shí)和相關(guān)技術(shù)通過(guò)線上、線下積極學(xué)習(xí)和掌握，并在課外學(xué)習(xí)投入較多的時(shí)間與精力，取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

表2 混合式教學(xué)過(guò)程評(píng)估

3 結(jié)語(yǔ)

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)使教學(xué)過(guò)程由教師為中心向?qū)W生自主學(xué)習(xí)方向轉(zhuǎn)變。本文通過(guò)正確選擇項(xiàng)目，合理組織和分配各種設(shè)備、工具、技術(shù)、媒體、學(xué)時(shí)、教材，將線上線下、課堂內(nèi)和課堂外的有機(jī)融合，建立集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及虛擬實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)平臺(tái)，將混合式教學(xué)應(yīng)用到“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中，充實(shí)了已有的混合式學(xué)習(xí)，進(jìn)一步豐富混合式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵。這為實(shí)現(xiàn)實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)課程的信息化教學(xué)提供了可參考的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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ExplorationandPracticeofBlendedLearningModeBasedonProject-driven

ZHAOTao1，ZHANGEn-xu2，HUANGJia-cai1，XUKai-yun1

(1.SchoolofAutomation, 2.SchoolofElectricPowerEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167China)

This paper, through the rational organization and distribution of various equipment, tools, technology, media and teaching materials, constructs the application model of blended learning in the Power Electronics Technology course, and the effect of the designed teaching model is verified . The results show that blended teaching mode based on project-driven will help not only improve experimental teaching effects but also enhance student′s integrative competence.

blended learning; project-driven; e-learning; power electronics technology;

2017-01-30;

2017-03-08

江蘇省教育科學(xué)‘十三五’規(guī)劃立項(xiàng)課題“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的混合式教學(xué)模式研究”階段性成果，(立項(xiàng)編號(hào)： D/2016/01/05)，南京工程學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2015YB18)

趙 濤(1965-)，男，博士，教授，主要從事微電網(wǎng)控制技術(shù)及裝置領(lǐng)域的教學(xué)和研究，E-mail:zdhxzt@njit.edu.cn

TP391.9

A

1008-0686(2017)05-0085-04