基于OBE理念的電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革

馬雙寶 游青華 賈樹林 游長莉

摘要：以自動化專業(yè)電力電子技術(shù)課程為例探討基于OBE理念的電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革，對比基于知識與基于目標成果的教學(xué)方式，提出OBE框架下的電力電子技術(shù)教學(xué)方式;以提升學(xué)生對電力電子的理解力為中心，建立電力電子開關(guān)等效模型與類比分析模型，并分析提升達成度的教學(xué)方法。從教學(xué)效果看，基于OBE理念的電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力，而且能有效地提升達成度。

關(guān)鍵詞：工程專業(yè)認證;電力電子技術(shù);應(yīng)用創(chuàng)新;成果導(dǎo)向;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1008-4657（2019）06-0073-05

0 引言

工程教育專業(yè)認證的三大理念強調(diào)以目標成果為導(dǎo)向的教育理念，在教育的全過程中堅持以學(xué)生為中心，同時突出過程的持續(xù)改進性[1-2]。在工程教育專業(yè)認證背景下推動課程教學(xué)改革是深入學(xué)習(xí)貫徹全國教育大會、落實淘汰“水課”、打造“金課”的重要舉措[3-4]。一流課程建設(shè)不僅要實現(xiàn)從傳統(tǒng)基于知識的教學(xué)理念到基于目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變，而且更需要構(gòu)建一整套基于目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法。

本研究針對自動化專業(yè)電力電子技術(shù)課程理論性強、電路分析困難、波形圖復(fù)雜而又對實踐動手能力要求高的特點[5]，在OBE理念和框架下探討電力電子技術(shù)的課程教學(xué)改革。形成以目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式、以學(xué)生為中心的教學(xué)內(nèi)容以及提升課程達成度的教學(xué)方法。

1 以目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式

基于知識的教學(xué)方式重點在于知識點的講解與知識點相互之間關(guān)系的把握，主要從講授知識的角度完成電力電子技術(shù)內(nèi)容的教學(xué)，配以綜合性實驗、課程設(shè)計深化知識的理解，以卷面考試的形式完成對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考核工作。這種教學(xué)方式容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣與信心，課后實驗也通常是驗證性的，難以真正提升學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新能力。

以目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)方式注重目標、過程與成果三維一體，教學(xué)前定目標，學(xué)習(xí)過程則是按照目標進行實施，而成果是學(xué)習(xí)后目標的達成度反映與評價。電力電子技術(shù)是一門專業(yè)性非常強的課程，其主要內(nèi)容是采用電力電子開關(guān)器件實現(xiàn)電能的變換與控制[6-7]。課本內(nèi)容大體包括電力電子開關(guān)器件、電力電子變換技術(shù)、PWM控制技術(shù)以及軟開關(guān)技術(shù)四大部分，知識結(jié)構(gòu)嚴謹、內(nèi)容抽象?；谥R的教學(xué)方式與基于目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)方式對比如圖1所示。

圖1 基于知識的教學(xué)方式與基于目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)方式對比圖

而在工程專業(yè)認證思想的指導(dǎo)下，電力電子技術(shù)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀繕顺晒麨閷?dǎo)向的教學(xué)方式分為三個階段：

第一階段是參觀電力型企業(yè)，了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用前景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，制定學(xué)習(xí)目標。缺失學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生在學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)過程中最大的阻礙，參觀電力型企業(yè)能夠讓學(xué)生了解電力電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣與熱情，依據(jù)專業(yè)畢業(yè)要求制定本課程的學(xué)習(xí)目標。

第二階段依據(jù)學(xué)習(xí)目標安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式，教學(xué)內(nèi)容的安排以實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標為依據(jù)，而教學(xué)形式可以是多樣化的，包括知識講解、仿真實驗、實物制作、課程設(shè)計、討論交流等等。

第三階段是達成度的計算與綜合性考核。達成度的計算反映通過學(xué)習(xí)、交流、動手操作等途徑完成既定學(xué)習(xí)目標的程度，既是對課程教學(xué)質(zhì)量的評價也是對學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的一種反映?；谀繕顺晒慕虒W(xué)模式的學(xué)生考核也是多樣化的，不再局限于卷面考試，而因?qū)W(xué)習(xí)過程中各階段的表現(xiàn)都體現(xiàn)出來，以學(xué)習(xí)過程與目標成果達成度為依據(jù)，乘以權(quán)重計算得到每位學(xué)生的考核成績，以完成目標成果達成度實現(xiàn)對任課教師的質(zhì)量評價。

與基于知識的教學(xué)模式相比，基于目標成果的教學(xué)模式不僅實現(xiàn)了教育理念的轉(zhuǎn)變，而且融合了多種教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以學(xué)生為中心，提高了學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新能力。

2 以學(xué)生為中心的教學(xué)內(nèi)容改革

電力電子技術(shù)是一門綜合了電子學(xué)、自動控制理論以及電力學(xué)的新型交叉性學(xué)科，它涉及電力電子變換和控制技術(shù)，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位及波形的變換與控制[8]。課程不僅理論性強，電路圖多、波形圖分析難，而且實踐性要求極高[9]。在工程專業(yè)認證教育下，課程的內(nèi)容安排與講授須體現(xiàn)以學(xué)生為中心的理念。

2.1 等效開關(guān)模型

電力電子技術(shù)課程中電力電子器件的認知與理解是非常重要的，也是電能變換的關(guān)鍵。電力電子器件的工作原理與特性分析是非常抽象的，為了加深學(xué)生對電力電子器件的認知，完成掌握電力電子器件的預(yù)定目標，在教學(xué)內(nèi)容上建立開關(guān)模型有助于學(xué)生對電力電子器件工作原理的理解，晶體三極管的等效開關(guān)模型圖如圖2所示。

圖2 NPN型晶體三極管等效開關(guān)模型圖

晶體三極管是模擬電路中主要使用其線性放大去，而作為電力電子器件則主要使用其飽和區(qū)與截止區(qū)，即開關(guān)的兩中對立狀態(tài)。如圖2所示NPN型晶體三極管由基極、發(fā)射極、集電極三個極組成，內(nèi)部存在基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)三個區(qū)，同時形成兩個PN結(jié)。依據(jù)NPN型三極管的工作原理，可以將NPN型晶體三極管抽象成一個由基極電流控制的開關(guān)，被控對象為集電極電流，開關(guān)模型中的控制關(guān)系如公式（1）所示。

Ic=0 Ib0βIb 0<Ib<IbmaxβIbmax I>Ibmax（1）

當基極電流小于或等于零時，NPN型晶體三極管工作在截止區(qū)，即開關(guān)斷開，被控集電極電流為零;當基極電流大于基極最大電流時，NPN型晶體三極管工作在飽和區(qū)，即開關(guān)完全導(dǎo)通，被控集電極電流為最大飽和值，且恒定不變;當基極電流介于兩者之間時，NPN型晶體三極管工作放大區(qū)。由此可以分析得到NPN型晶體三極管工作在開關(guān)的哪個狀態(tài)取決于基極電流的值，以實現(xiàn)小電流對大電流導(dǎo)通與關(guān)斷的控制。

電力電子器件的開關(guān)模型是從電力電子器件工作過程中抽象而來，它不僅通俗易懂，體現(xiàn)了知識的連貫性與整體性，而且形象地揭示了電力電子技術(shù)核心思想是利用弱電壓或弱電流去控制強電壓或強電流的通與斷，從而實現(xiàn)電能的變換。

2.2 類比的電路分析方法

以學(xué)生為中心，結(jié)合本專業(yè)學(xué)生的電路學(xué)習(xí)及相關(guān)基礎(chǔ)，合理、精心安排教學(xué)內(nèi)容是很有必要的。在所有的教學(xué)內(nèi)容中，講授的主次要分明，主線與次重點線相結(jié)合，尤其是對比學(xué)習(xí)知識點之間的異同顯得格外重要。下面以降壓電路與升壓電路對比分析為例，著重介紹開關(guān)電路主電路的分析思路與方法。降壓開關(guān)電路如圖3所示，升壓開關(guān)電路如圖4所示。

對比分析中，首先分析其電路的元器件，它由輸入直流電壓、開關(guān)管T、儲能電感L、續(xù)流二極管D、穩(wěn)壓電容C以及負載電阻R。電路具有結(jié)構(gòu)簡單、元器件少的特點。其次分析電路的功能，降壓開關(guān)電路的主要作用是將直流輸入電壓變換成另一小于輸入電壓的直流電壓輸出，即實現(xiàn)DC/DC的功能，而實現(xiàn)該功能的主要器件是開關(guān)管、續(xù)流二極管以及儲能電感，因此，它們是實現(xiàn)電能變換的關(guān)鍵。然后以“控制”的思維分析各元件的功能：在降壓開關(guān)電路中開關(guān)管的角色類似人體的“心臟”，在電路工作過程中在斷開與導(dǎo)通兩個狀態(tài)之間來回切換，從而控制電路中電流在兩種回路中進行切換，即實現(xiàn)換流過程;而儲能電感在開關(guān)管的切換過程中實現(xiàn)電能的充與放;續(xù)流二極管的主要功能是為電感放電提供回路。最后建立描述降壓開關(guān)電路的微分方程，聯(lián)立邊界條件，分別求解出升壓、降壓電路中輸入輸出電壓關(guān)系，并依據(jù)電路中換流情況畫出電路中各元器件中電壓電流的周期波形圖。

在電力電子技術(shù)電路分析中，分析方法至關(guān)重要。對于由開關(guān)管起主導(dǎo)作用的開關(guān)電路而言，我們采用四狀態(tài)分析法，即把開關(guān)電路中開關(guān)分成四個狀態(tài)進行分析：導(dǎo)通、斷開，導(dǎo)通至斷開、斷開至導(dǎo)通四個狀態(tài)，同時它對應(yīng)著電路中電流換流的四種狀態(tài)。在講解與分析開關(guān)電路中換流電壓電流波形時特別要注意電感、續(xù)流二極管、電容等重要元器件的作用，而且其作用在開關(guān)電路中基本保持不變。

3 提升達成度的教學(xué)方法

電力電子技術(shù)是一門理論性強、實踐要求高的專業(yè)課，理論教學(xué)存在一定的深度，而學(xué)習(xí)的目標是提升學(xué)生的電路分析能力與實際動手能力。結(jié)合本課程的特點，實現(xiàn)課程學(xué)習(xí)的預(yù)期目標，提升課程教與學(xué)的達成度，可以通過以下教學(xué)方法進行提升。

3.1 課程實驗

電力電子技術(shù)的課程實驗基本上屬于驗證性的，而且受實驗條件的限制，實驗仍然以晶閘管為主要開關(guān)器件進行實驗。實驗過程中學(xué)生無法理解電路的工作過程與波形，為了加深學(xué)生對強電電路的工作過程的分析與理解，在課程實驗中增加仿真實驗環(huán)節(jié)。通過仿真可以實現(xiàn)電力電路的動態(tài)分析，加深對電力電路的理解深度。

3.2 課程設(shè)計

電力電子技術(shù)理論學(xué)習(xí)的目的是為了提高學(xué)生的實際動手能力，完成預(yù)期的學(xué)習(xí)目標。課程設(shè)計可以數(shù)控電源或者開關(guān)電源為例進行，實現(xiàn)電力電路的設(shè)計、選型、焊接、調(diào)試、分析以及總結(jié)工作。以課程設(shè)計促進理論的理解，以設(shè)計過程體現(xiàn)學(xué)習(xí)的目標成果。

課程設(shè)計仿真圖如圖5所示。

課程設(shè)計一般分三個階段進行。第一階段為任務(wù)分配階段，在這個階段主要內(nèi)容是將學(xué)生分組，并布置小組題目。例如設(shè)計并制作一臺240 W高精度開關(guān)電源，具體任務(wù)如下：以反激拓撲為主體，自己設(shè)計反擊變壓器，采用電流控制芯片，設(shè)計一款220 V市電輸入，24 V直流輸出，最大電流可達10 A，輸出紋波為1%的高精度開關(guān)電源。

第二階段分題指導(dǎo)，與學(xué)生一起分析、討論并解決在前期方案研究過程中遇到的問題，同時為后續(xù)電路焊接與調(diào)試作方向性的指導(dǎo)。

第三階段為驗收階段，即對學(xué)生所做實物進行測試與驗收，并對測試過程中出現(xiàn)的問題進行分析總結(jié)。此課程設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容并行進行，旨在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與思考分析問題的能力。

3.3 學(xué)科競賽

積極引導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽是提升課程學(xué)習(xí)達成度的主要途徑之一。每屆大學(xué)生電子設(shè)計大賽都設(shè)有電力控制方向的賽題，參加各種學(xué)科競賽不僅是對學(xué)生理論學(xué)習(xí)的一次升華，更重要的是系統(tǒng)性地提升學(xué)生實踐動手能力。

2015年本研究團隊指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計大賽獲得省一等獎3項，2016年獲得省特等獎1項，省一等獎1項，省二等獎2項，2017年獲得省一等獎2項，省二等獎2項，2018年獲得省一等獎3項，省二等獎3項，2019年獲得省一等獎2項。學(xué)科競賽的成績反映出電力電子技術(shù)教學(xué)的目標得以達成。

3.4 課程討論與交流

電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)過程中增加課程討論與交流環(huán)節(jié)，以學(xué)習(xí)小組為單位進行內(nèi)容的討論與交流，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，實現(xiàn)創(chuàng)新能力提高。

3.5 線上與線下教學(xué)相結(jié)合

電力電子技術(shù)采用線下與線上相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅可以將線下課程錄像上網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，同時也可以將課程實驗、課程設(shè)計以及課程交流討論等環(huán)節(jié)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。多途徑的教學(xué)方式可以滿足學(xué)生的不同需求，并服務(wù)更多的人群。

4 總結(jié)

本研究在OBE理念和框架下探討電力電子技術(shù)的課程教學(xué)改革，研究形成以目標成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式，提出制定預(yù)期目標、按目標安排教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)成果與達成度計算三維一體的教學(xué)模式。以學(xué)生為中心，結(jié)合電力電子技術(shù)的內(nèi)容，提出電力電子器件的等效開關(guān)模型與知識類比分析方法，便于學(xué)生理解。結(jié)合課程預(yù)訂目標成果，探討了電力電子技術(shù)課程達成度提升的教學(xué)方法，為創(chuàng)建電力電子技術(shù)一流課程奠定基礎(chǔ)。

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[責任編輯：許立群]