結(jié)合仿真與實驗的項目教學(xué)法在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

蘇娜 陳躍 梅盼 吳志剛

摘 要 “電力電子技術(shù)”是一門基礎(chǔ)性、應(yīng)用性相結(jié)合的電氣專業(yè)基礎(chǔ)課。探索應(yīng)用項目式教學(xué)法，結(jié)合仿真項目、實物制作項目以及電力電子實驗教學(xué)，利用有限的課堂教學(xué)時間，使學(xué)生系統(tǒng)性地掌握理論知識的同時，提高了電路分析與實踐動手能力。教學(xué)實踐表明，本文提出的教學(xué)改革有效地提高了課堂教學(xué)效果，符合地方院校的應(yīng)用性人才培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù) 項目式教學(xué) 課堂教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.03.052

Abstract Power Electronics Technology is a basic and applied course for electrical specialty. Explore the application of project-based teaching method， combined with simulation projects， physical production projects and power electronics experiment teaching， make use of limited classroom teaching time， so that students can systematically grasp theoretical knowledge， while improving the ability of circuit analysis and practical operation. Teaching practice shows that the teaching reform proposed in this paper effectively improves the classroom teaching effect and meets the requirements of applied talents training in local colleges and universities.

Keywords Power Electronics Technology； project teaching； classroom teaching reform

0 引言

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講述如何利用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和變換， 達(dá)到用戶需求的目的，是一門理論與實踐結(jié)合、應(yīng)用性和工程性很強(qiáng)的課程。[1]

項目教學(xué)法是指將傳統(tǒng)學(xué)科體系中的知識內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個教學(xué)項目，圍繞著項目組織和展開教學(xué)，使學(xué)生直接參與項目全過程的一種教學(xué)方法。[2]它突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以“任務(wù)驅(qū)動”的形式使學(xué)生主動參與教學(xué)活動，改變學(xué)生單純、被動地接受教師知識傳輸?shù)膶W(xué)習(xí)方式，往往能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在完成項目的過程中快速掌握知識，培養(yǎng)動手能力、獨立獲取信息能力和自主建構(gòu)知識能力，鍛煉學(xué)生的工程應(yīng)用能力，很符合“電力電子技術(shù)”課程的需要。[3]

項目教學(xué)法應(yīng)用的項目包括仿真項目和實物制作項目，兩者各有優(yōu)缺點，仿真項目無法鍛煉學(xué)生的動手能力，不能全面提高學(xué)生的應(yīng)用型能力；實物制作項目一般耗時較長，又與應(yīng)用型學(xué)校理論教學(xué)學(xué)時減少的趨勢相違背。如何利用課堂教學(xué)的有限時間，盡可能地提高學(xué)生的應(yīng)用型能力呢？本文探索將仿真項目、實物制作項目與實驗課程有機(jī)結(jié)合的項目式教學(xué)法，應(yīng)用于“電力電子技術(shù)”的課堂教學(xué)，既可以有效掌控課堂教學(xué)進(jìn)度，又能增強(qiáng)學(xué)生的實驗動手能力， 提高學(xué)生的技能水平。

1 項目式教學(xué)的應(yīng)用

1.1 項目的選擇與設(shè)計

如何在相同學(xué)時內(nèi)用項目法更好地實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，關(guān)鍵問題在于項目的選取。首先，項目的選取要緊緊圍繞教學(xué)目標(biāo)又兼具實用性，將項目與教學(xué)內(nèi)容編排、實驗編排結(jié)合起來，根據(jù)課程自身特點、學(xué)生特征、企業(yè)需求取舍教學(xué)內(nèi)容，在完成項目的過程中學(xué)習(xí)理論知識；其次，項目的選取要有代表性，電力電子課程拓?fù)湄S富，有限的課堂教學(xué)時間無法涵蓋所有知識點，選取的項目應(yīng)能代表該部分教學(xué)內(nèi)容，通過項目的實踐學(xué)生可將方法延續(xù)到后續(xù)教學(xué)內(nèi)容中；[2]再次，項目的選取要難度適中，在規(guī)定的教學(xué)時間內(nèi)學(xué)生在教師指導(dǎo)下能獨立完成，太難會挫傷學(xué)習(xí)積極性，太易會降低興趣，缺乏借鑒性，課堂紀(jì)律也難把控。

項目的設(shè)計需考慮學(xué)時、經(jīng)費(fèi)和實驗條件。[4]“電力電子技術(shù)”的周學(xué)時為三課時，前兩節(jié)課效果尚可，第三節(jié)課學(xué)生注意力往往容易分散，運(yùn)用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)效果不佳。應(yīng)用項目式教學(xué)，前兩節(jié)課開展理論教學(xué)，介紹相關(guān)項目知識點，第三節(jié)課引入項目，學(xué)生在完成項目任務(wù)的過程中，鞏固理論教學(xué)成果，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。開展的項目可以考慮實物制作項目和仿真項目兩類，如果開展實物制作項目，課時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；仿真項目需時短，成本低，操作安全、可重復(fù)，便于學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)完成項目實踐以及課后的學(xué)習(xí)。因此項目大部分設(shè)計為仿真項目，利用虛擬仿真實驗平臺matlab/simulink實現(xiàn)電路方案，模擬各種參數(shù)條件以及故障情況下的波形，完成項目任務(wù)。“電力電子技術(shù)”是一門注重實踐操作的課程，如果單靠仿真，學(xué)生不能接觸實際元器件和調(diào)試電路，無法提高實際問題的解決能力。所以項目設(shè)計上將仿真結(jié)合實驗課程內(nèi)容，實驗前，學(xué)生在課堂上就搭建了實驗相關(guān)仿真模型，完成項目的同時，又對實驗進(jìn)行了預(yù)習(xí)，明確了實驗的預(yù)期目標(biāo)，更深入地理解電路工作原理，提前消化思考了各種實驗現(xiàn)象的成因。例如“直流斬波電路”模塊，我們將項目設(shè)計為“降壓＼升壓電路仿真”，仿真內(nèi)容與相應(yīng)的實驗“直流斬波電路的性能研究”一致，學(xué)生通過仿真熟悉了各類直流變換拓?fù)?，方便地觀察各點實驗波形，通過改變電感值和負(fù)載電阻，觀測連續(xù)、斷續(xù)情況下的不同實驗結(jié)果，相較于單一的講授課本知識，更為形象生動。通過課堂理論講授、仿真項目練習(xí)、課后模型鞏固，再進(jìn)行實驗操作驗證想法的四重學(xué)習(xí)，學(xué)生在解決實際問題的過程中完成了知識點的學(xué)習(xí)與鞏固。

在項目設(shè)計上，我們將部分驗證性實驗內(nèi)容更改為設(shè)計性的實物制作項目。例如“逆變電路”部分增加了“基于stm32的單相SPWM逆變電路”這一實物制作項目。理論課堂上講授逆變電路、正弦脈寬調(diào)制、單極性以及雙極性調(diào)制、驅(qū)動電路相關(guān)原理，第三節(jié)課運(yùn)用simulink軟件搭建單極性和雙極性的單相逆變器仿真模型，觀察各點波形；課后分發(fā)項目相關(guān)器件、電路板，學(xué)生在實驗課前完成電路板的焊接；實驗課堂上提供電源、示波器等裝置，指導(dǎo)學(xué)生開展電路調(diào)試，完成實驗設(shè)計報告。實物制作項目比一般驗證性實驗操作需要更多的經(jīng)費(fèi)、課時以及實驗裝置，因此項目設(shè)計上只開展1～2項該類項目。

在項目設(shè)計上，還應(yīng)考慮層次的設(shè)置，可以將項目分解為由淺入深的教學(xué)情境，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力自主選擇，這樣可以調(diào)動不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，都能體驗到完成項目后的喜悅和自信。例如“降壓＼升壓電路仿真”項目，我們將項目任務(wù)分成兩層，第一層任務(wù)與實驗內(nèi)容一致，要求所有學(xué)生都必須完成；第二層任務(wù)為設(shè)計電感，使得電路工作在臨界狀態(tài)，完成第二層任務(wù)的學(xué)生可以獲得相應(yīng)表現(xiàn)加分。

在項目設(shè)計上還可以考慮項目和后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)性，例如“基于stm32的單相SPWM逆變電路”關(guān)聯(lián)后續(xù)“電力電子驅(qū)動”實訓(xùn)，項目中要求學(xué)生實現(xiàn)電路的開環(huán)控制，實訓(xùn)課程中要求學(xué)生實現(xiàn)電路的閉環(huán)控制。通過層層遞進(jìn)式學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對知識點的掌握。

1.2 項目的實施

根據(jù)課程的知識體系，電力電子技術(shù)課程被整合成“電力電子器件”、“直流斬波電路”、“整流電路（單相和三相）”、“逆變電路”、“交交變換電路”等幾個基本模塊，每個模塊作為一個項目。實施方案由“項目導(dǎo)入”、“項目實施”和“考核評價”三個環(huán)節(jié)組成。由于每個項目的教學(xué)目標(biāo)不同，就應(yīng)有不同的處理方式。下面簡單介紹具體實施方案。

在“項目導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，任課教師的活動包括四方面內(nèi)容：

（1）項目分組。項目兩人一組，因為實驗操作也是兩人一組，班級學(xué)生自由組合，教師可適當(dāng)調(diào)整。便于相互之間分工合作、交流討論，調(diào)高實驗的安全性，如人數(shù)太多，存在“抱大腿”現(xiàn)象，不利于充分調(diào)動每位學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（2）項目預(yù)習(xí)資料發(fā)布。根據(jù)項目內(nèi)容，整理出預(yù)習(xí)問題資料，上課前3～4天發(fā)放相關(guān)ppt、預(yù)習(xí)資料和項目任務(wù)。各組學(xué)生通過預(yù)習(xí)ppt了解所需知識點，完成問題解答，查閱項目相關(guān)資料，分析任務(wù)涉及的專業(yè)知識及可行性，進(jìn)行課前準(zhǔn)備工作。便于課堂開展項目時翻閱，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性。

（3）項目相關(guān)基礎(chǔ)知識介紹。圍繞任務(wù)的解決而展開教學(xué)，內(nèi)容力求結(jié)合課本的編排，涵蓋教學(xué)內(nèi)容所有知識點，力求在完成每個項目的過程中解決理論知識點的學(xué)習(xí)，突出知識的應(yīng)用性，條理清晰，把握重難點，對難點一一分析解釋其原理，重點內(nèi)容反復(fù)講，并提問預(yù)習(xí)資料，有助于學(xué)生加強(qiáng)記憶。

（4）項目任務(wù)及目標(biāo)導(dǎo)入。講解該項目的內(nèi)容與要求，可能出現(xiàn)的普遍問題、展示項目結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生主動探索項目的相關(guān)知識，讓學(xué)生明確自己應(yīng)當(dāng)完成的具體任務(wù)和完成任務(wù)后可以得到哪些知識以及達(dá)到什么樣的水平，明確操作過程中的安全注意事項，明確具體完成時間和成果評價方式。

“項目實施”環(huán)節(jié)，分仿真項目和實物制作項目兩種情況：仿真項目在教師的引導(dǎo)下，應(yīng)用simulink實現(xiàn)電路方案，完成項目任務(wù)，通過仿真觀察實驗結(jié)果，再結(jié)合實驗課程，驗證仿真結(jié)果；實物制作項目在實驗室提供平臺上進(jìn)行實物制作，各組按照項目任務(wù)，繪制電路圖，設(shè)計參數(shù)，選取所需器件，制版，按照電路圖焊接器件，編寫單片機(jī)程序，進(jìn)行檢測與調(diào)試，排除故障，完成項目任務(wù)。實物制作項目調(diào)試周期長，一般問題較多，教師的指導(dǎo)注重啟發(fā)性，引導(dǎo)學(xué)生去尋找問題的答案；對現(xiàn)場出現(xiàn)的普遍問題，有針對性的進(jìn)行講解；總結(jié)各組對知識點的掌握上還有哪些缺陷，根據(jù)教學(xué)過程中學(xué)生的反饋和需求，查找教學(xué)中的不足，不斷改進(jìn)教學(xué)方法。

1.3 考核評價

本課程的考核評價，以工程應(yīng)用能力考核為核心，采取多元化考核模式，過程考核與期末考核相結(jié)合，包括基本的筆試、課堂表現(xiàn)加分，利用信息技術(shù)進(jìn)行的小測試以及項目完成情況進(jìn)行綜合評價。對項目完成情況的評價，主要由老師進(jìn)行檢查評分，項目的實施和評價限定一課時內(nèi)完成，對完成時間短、完成情況良好的小組進(jìn)行加分，及時指出不足之處。對未能在規(guī)定時間內(nèi)完成的小組，可以將項目任務(wù)布置為課后作業(yè)，根據(jù)作業(yè)情況評分。平時成績對全班同學(xué)公開，調(diào)動學(xué)生的積極性，同時也能增加學(xué)生的信心。

2 結(jié)語

結(jié)合仿真與實驗的項目教學(xué)法，經(jīng)過“電力電子技術(shù)”課程一年的教學(xué)應(yīng)用，并在教學(xué)過程中不斷改進(jìn)完善。雖然還存在著一些有待改進(jìn)的不足之處，例如項目的引入使得課堂知識點講授、習(xí)題講解時間縮短，正在嘗試增加課后線上和線下答疑時間，以及增加課前預(yù)習(xí)要點和小測試等方法幫助學(xué)生梳理學(xué)習(xí)要點。本文提出的教學(xué)方法總體上提高了理論課堂和實驗課堂的教學(xué)效率，鍛煉了學(xué)生的實踐技能，取得了較良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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