非電類專業(yè)電力電子技術(shù)主動式教學(xué)及智慧課堂建設(shè)實(shí)踐

錢強(qiáng) 張犁

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 江蘇·南京 211106）

0 引言

學(xué)科融合、多學(xué)科交叉的新工科背景對非電類專業(yè)的工科生提出了更高的要求，各學(xué)校一般會開設(shè)具有較短學(xué)時(shí)的電力電子技術(shù)基礎(chǔ)課程[1]。然而，受課程內(nèi)容同本科生主要專業(yè)關(guān)聯(lián)程度較弱、課程系統(tǒng)性較強(qiáng)、基礎(chǔ)知識面覆蓋廣、年輕授課教師水平等因素的影響，提升非電類專業(yè)電力電子技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量成為了不小的挑戰(zhàn)[2]。

首先，本課程涵蓋模擬電子、數(shù)字電子電路、電路理論基礎(chǔ)等相關(guān)基礎(chǔ)內(nèi)容，知識點(diǎn)繁雜且系統(tǒng)性強(qiáng)，不利于學(xué)生在較短的教學(xué)時(shí)間下完整地掌握相關(guān)理論知識（以河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院新能源專業(yè)為例，授課學(xué)時(shí)僅為32學(xué)時(shí)）。此外，考慮到本課程一般隸屬于非電類工科生的專業(yè)選修課，客觀上學(xué)生對該課程的興趣與重視程度也有所不足，這會在一定程度上影響了學(xué)生對相關(guān)知識的掌握[3]。

其次，在傳統(tǒng)的課堂中以教師授課為主的被動式教學(xué)情景下，學(xué)生參與程度普遍不高，課上學(xué)生頻繁使用手機(jī)、開小差、逃課、睡覺以及課后學(xué)生未及時(shí)復(fù)習(xí)、抄作業(yè)等現(xiàn)象使得教學(xué)秩序的管理與維護(hù)也較為困難，也不利于教師有效地提升班級整體學(xué)習(xí)水平[4]。因此，有必要在非電類專業(yè)電力電子技術(shù)課堂中改變現(xiàn)有的以教師授課為主的形式，提高學(xué)生的參與程度。

最后，非電類專業(yè)電力電子技術(shù)課程內(nèi)容相對而言比較容易且較為基礎(chǔ)，該授課任務(wù)一般由教學(xué)經(jīng)驗(yàn)相對匱乏的青年教師（一般為電氣專業(yè)畢業(yè)的專任教師）來承擔(dān)，如何在有限的授課學(xué)時(shí)內(nèi)保證本課程的教學(xué)質(zhì)量也對年輕教師提出了一定的要求。

可見，提高電力電子技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量對非電類專業(yè)本科生及授課教師而言難度較大。根據(jù)美國視聽教學(xué)理論家埃德加·戴爾所提出的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論可知，“聽講”“閱讀”“示范”等個人學(xué)習(xí)或被動學(xué)習(xí)方式往往獲得較差的學(xué)習(xí)效果，“小組討論”式效果較優(yōu)，而“實(shí)際演練”或“向其他人教授/對所學(xué)內(nèi)容的立即運(yùn)用”的學(xué)習(xí)方式可以取得最佳的學(xué)習(xí)效果[5]。目前，國內(nèi)有關(guān)高校雖然已有部分進(jìn)行了科學(xué)實(shí)踐，但是受不同類課程和學(xué)生質(zhì)量的制約，學(xué)生的主動參與程度仍有待加強(qiáng)，教學(xué)質(zhì)量及成效有待在創(chuàng)新教學(xué)方式下進(jìn)一步加以提升。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)媒體的利用和推廣，若能將新的教學(xué)手段或工具放置到“經(jīng)驗(yàn)之塔”中的適當(dāng)位置，且避免網(wǎng)絡(luò)工具在教學(xué)中的盲目使用以及多媒體課件完全取代教師職能的現(xiàn)象，即可更好地輔助年輕老師的教學(xué)，并加深學(xué)生對電力電子技術(shù)課程的認(rèn)知[6]。

為提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及教學(xué)效果，本文對非電類專業(yè)電力電子技術(shù)的教學(xué)方法進(jìn)行初步探討，從提高本科生主動參與課堂、自主完成課后學(xué)習(xí)的角度，將“預(yù)習(xí)+摸底”“實(shí)踐”式教學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合，取得了一定的教學(xué)效果。

1 “預(yù)習(xí)+摸底”式教學(xué)準(zhǔn)備

1.1 以吸引學(xué)生興趣為目標(biāo)設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)材料

愛因斯坦曾說“興趣是最好的老師”，這句話強(qiáng)調(diào)了興趣在學(xué)習(xí)新知中的重要角色，強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)者自身感受的關(guān)鍵作用，但這句話是從學(xué)習(xí)者的角度來說的。然而，教育從來都是教和學(xué)兩個部分的良好互動，良好且合適的引導(dǎo)更為重要。由于預(yù)習(xí)材料可以梳理本科生對新課內(nèi)容前后邏輯關(guān)系的理解，那么設(shè)計(jì)合適的預(yù)習(xí)材料對提升相關(guān)專業(yè)的本科生的學(xué)習(xí)主動性及學(xué)習(xí)質(zhì)量就顯得尤為必要。

電力電子技術(shù)課程是一門與實(shí)際生活關(guān)聯(lián)緊密的課程，教師可將課程各章節(jié)內(nèi)容同自身的研究方向有機(jī)結(jié)合，在預(yù)習(xí)材料中提出與學(xué)生生活密切相關(guān)的問題以吸引學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生對新知內(nèi)容的思考。

在緒論這部分內(nèi)容中，可結(jié)合學(xué)生日常生活，向同學(xué)們介紹本課程的學(xué)習(xí)可以帶來哪些比較有意義的收獲，以及根據(jù)本課程的知識可以解釋日常生活的科學(xué)現(xiàn)象，更甚帶來對當(dāng)前國家科技競爭的自我理解，激發(fā)為國家之崛起而讀書的信念。例如，手機(jī)充電器或便攜式筆記本電腦電源適配器上銘牌所表示的物理意義，是否僅限在大陸內(nèi)使用？為什么適配器會越做越?。繜o線藍(lán)牙耳機(jī)等智能穿戴中應(yīng)用的無線充電功能的基本原理是什么？我國鐵路是如何實(shí)現(xiàn)電氣化的以及高鐵是如何供電的？那么，我們可以在預(yù)習(xí)材料中加入紀(jì)錄片《大國重器》，以輔助學(xué)生了解我國掌握高鐵技術(shù)的辛酸歷程以及當(dāng)前在功率半導(dǎo)體等先進(jìn)制造業(yè)上的卡脖子問題，提升學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的主觀能動性。

在各章授課內(nèi)容中，一方面需要盡可能同上述問題相呼應(yīng)，另一方面還可進(jìn)一步提出和各章節(jié)緊密相連的問題。例如，在涉及直直變換器基本電路結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)時(shí)，可以向?qū)W生們介紹鋰電池和USB的標(biāo)稱電壓，引導(dǎo)學(xué)生思考日常生活中廣泛使用的充電寶在充電和放電時(shí)的工作狀態(tài)，進(jìn)而拋出降壓和升壓式的直直變換器的概念；在交流電路相關(guān)章節(jié)的學(xué)習(xí)時(shí)，利用早年愛迪生和特斯拉的直流交流之爭的歷史事件激起同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，向?qū)W生介紹關(guān)于交流和直流的區(qū)別；在介紹諧波等相關(guān)概念時(shí)，可以從人的聽覺范圍及聲音頻率的疊加入手給學(xué)生建立感性認(rèn)識。

1.2 憑借“摸底”式問答了解學(xué)生的準(zhǔn)備工作

由于目前學(xué)生普遍存在課前不預(yù)習(xí)的情況，教師應(yīng)在每次授課前，除需提前幾天制作含有下節(jié)課主要知識點(diǎn)介紹的預(yù)習(xí)材料，還需在其中涉及相關(guān)知識點(diǎn)的簡單問答，尤其是新知內(nèi)容同其他課程間的相互邏輯關(guān)系，以便督促并了解學(xué)生的準(zhǔn)備工作，為教師開展新課教學(xué)提供一定的借鑒和參考。下面以本課程中的具體教學(xué)實(shí)踐為例做具體的闡述。

比如，在對“電壓型逆變電路”課程內(nèi)容中輸出電壓特點(diǎn)進(jìn)行講解時(shí)，可以在預(yù)習(xí)材料中要求學(xué)生預(yù)習(xí)高等數(shù)學(xué)中周期函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開以及本課程中有關(guān)諧波概念的定義，并提出諸如奇函數(shù)傅里葉級數(shù)展開有哪些特點(diǎn)、各次諧波幅值有什么樣的數(shù)學(xué)關(guān)系的疑問？當(dāng)學(xué)生完成簡單的“摸底”式問答后，學(xué)生一方面對高等數(shù)學(xué)中有關(guān)知識在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用有了更為清晰的理解，另一方面也加深了本課程中諧波等相關(guān)概念的認(rèn)知，有效地實(shí)現(xiàn)了對前述章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的回顧，提高了學(xué)生對知識的掌握以及靈活運(yùn)用能力。此外，教師可以根據(jù)學(xué)生的回答情況對新課內(nèi)容教學(xué)進(jìn)行更深入的規(guī)劃，若學(xué)生預(yù)習(xí)情況較為理想，則可方便的開展本節(jié)內(nèi)容單相半橋、全橋逆變輸出電壓頻譜分析的講解，教學(xué)重點(diǎn)可僅放在不同逆變電路輸出波形差異上，而不是量化分析波形中所含的具體諧波成分。課上還可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生針對三相全橋逆變電路的相電壓和線電壓頻譜進(jìn)行自主分析，鼓勵學(xué)生通過相互討論并結(jié)合已有知識進(jìn)行定性分析。事實(shí)上，學(xué)生能普遍運(yùn)用高數(shù)知識來求解，課堂上學(xué)生自主參與學(xué)習(xí)程度也較高，教師也僅需對相關(guān)結(jié)論進(jìn)行梳理，匯總不同逆變電路的工作特點(diǎn)，為學(xué)生厘清新課內(nèi)容的主干結(jié)構(gòu)。

總體而言，“摸底”式問答對教師掌握學(xué)生預(yù)習(xí)基本情況具有重要作用，有利于教師在課堂上進(jìn)一步開展合適的工作，如引導(dǎo)學(xué)生在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上對關(guān)鍵新課內(nèi)容進(jìn)行深入的歸納與總結(jié)，并嘗試解決本節(jié)課內(nèi)容所提出的新問題。

因此，盡管電力電子技術(shù)課程涉及的知識點(diǎn)繁雜，但授課教師通過“預(yù)習(xí)+摸底”式的前期教學(xué)準(zhǔn)備工作，易于讓學(xué)生提起自身的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)前后知識點(diǎn)的貫穿，而不是對本課程中相關(guān)知識點(diǎn)的強(qiáng)行記憶。

1.3 基于雨課堂的智慧課堂建設(shè)

正所謂“以其所知，喻其不知，使其知之”。教學(xué)的全部精髓即在于實(shí)時(shí)了解學(xué)生知道了什么，并根據(jù)此進(jìn)行針對性教學(xué)，而往日以教師授課為主的課堂形式較為沉悶，需要迫切變成以學(xué)生為中心的、非常有趣味性的課堂。然而，對于非電類專業(yè)的電力電子課程而言，教師和學(xué)生間的聯(lián)系較為疏遠(yuǎn)，關(guān)于學(xué)習(xí)方法及問題溝通機(jī)制略顯貧瘠，不利于獲得良好的教學(xué)效果。因此，需要將現(xiàn)代教育技術(shù)輕松融入課堂，讓傳統(tǒng)的教學(xué)活動變的時(shí)尚靈動起來。

對于年輕教師而言，諸如學(xué)生以小組形式走上講臺、虛擬仿真等新型教學(xué)方法以及輔助手段應(yīng)當(dāng)多加以積極嘗試。需要指出的是，清華大學(xué)所推出的雨課堂智慧教學(xué)工具將PowerPoint，慕課以及手機(jī)微信有機(jī)融合，使得教師可較為便捷地實(shí)現(xiàn)對學(xué)生課前、課上的有效管理。比如，課前教師可便捷地向?qū)W生推送預(yù)習(xí)材料及“摸底”問題，在課上可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的教學(xué)反饋，還可采用彈幕的方式提升學(xué)生參與課堂的主觀能動性。采用雨課堂來輔助教學(xué)，可以給教學(xué)插上智慧的翅膀，使教師教學(xué)更為精準(zhǔn)。

雨課堂改變了傳統(tǒng)的以教師授課為主的教學(xué)模式，讓學(xué)生、教師和管理者知道教室里真正發(fā)生了什么。它有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學(xué)，幫助教師在提升教學(xué)藝術(shù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)教學(xué)和教學(xué)科學(xué)，綜合性地改善了“教”和“學(xué)”的效果。

2 “實(shí)踐”式教學(xué)方法

提高學(xué)生對電力電子課程的興趣可以改善學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，促進(jìn)教學(xué)效果的提升。為了更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，還需根據(jù)“經(jīng)驗(yàn)之塔”，讓學(xué)生通過“實(shí)際演練”或“向其他人教授/對所學(xué)內(nèi)容的立即運(yùn)用”的學(xué)習(xí)方式，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)理解課本知識、獲得最佳的學(xué)習(xí)效果的目的。

電力電子技術(shù)本質(zhì)上是一門工程應(yīng)用的課程，在教學(xué)過程中，年輕教師可根據(jù)該課程內(nèi)容與個人研究方向的聯(lián)系，在課程開始向同學(xué)介紹本門課程在同學(xué)們?nèi)粘Ｉ钪械牡湫蛻?yīng)用。比如，筆記本電腦電源適配器上的參數(shù)的物理意義、是否可以在不同國家旅游時(shí)正常使用？20000mAh的移動電源可以為智能手機(jī)循環(huán)充電多少次、充放電是如何實(shí)現(xiàn)的？

在后續(xù)教學(xué)過程中，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生在課后時(shí)間中利用所學(xué)知識進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐，采用基于小組協(xié)作的方法完成具體的軟件仿真或?qū)嵨镌O(shè)計(jì)，在具體的實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)并嘗試解決所存在的實(shí)際問題，最后可以通過PPT形式進(jìn)行小組匯報(bào)，同班級同學(xué)進(jìn)行問題的溝通與反思，從而有效地規(guī)劃了本科生的課余時(shí)間，進(jìn)一步鞏固學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。

筆者在“直流直—流基本變換電路”一節(jié)課程授課前，讓學(xué)生以分組形式協(xié)作完成一道題為充電寶在充放電時(shí)基本工作原理是什么的實(shí)踐題目，嘗試用本章知識設(shè)計(jì)簡單的具有充放電功能的電路，并掌握充電寶的基本技術(shù)參數(shù)，分析充電寶容量與對手機(jī)充電次數(shù)間關(guān)系。

本科生按小組制定好組內(nèi)成員工作內(nèi)容，利用課后時(shí)間查找相關(guān)資料，搭建仿真模型，使用手機(jī)和充電寶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并在組內(nèi)就遇到的問題開展討論。各小組學(xué)生一般可以掌握充電寶的基本技術(shù)參數(shù)的物理意義及標(biāo)稱容量和實(shí)際容量的關(guān)系；充電寶內(nèi)部鋰電池和充電接口直流電壓等級；掌握降壓和升壓式直直變換電路的基本結(jié)構(gòu)；學(xué)會使用電力電子專業(yè)仿真軟件；等等。經(jīng)過一定時(shí)間的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，非電類專業(yè)本科生對相關(guān)實(shí)際問題可以形成一定的見識和理解，教師也可以在學(xué)生匯報(bào)完畢后進(jìn)行實(shí)時(shí)評述，指出可以改善和優(yōu)化的方向，為有興趣的本科生繼續(xù)探索。

可見，“實(shí)踐”式教學(xué)方法以和學(xué)生密切相關(guān)的日常生活現(xiàn)象為切入點(diǎn)，可以提高學(xué)生主動參與課后學(xué)習(xí)的能動性及自主學(xué)習(xí)的能力。值得注意的是，該“實(shí)踐”式教學(xué)手段也是對電力電子課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延展，在進(jìn)一步加強(qiáng)本科生對于課本上理論知識的靈活運(yùn)用并顯著提高學(xué)生動手能力，為現(xiàn)有配套的實(shí)驗(yàn)課程中存在的學(xué)生人數(shù)較多、硬件條件有限、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)短、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊等問題的解決提供了輔助作用，讓學(xué)生切實(shí)地投入本課程的學(xué)習(xí)并提自主思考的能力。

3 結(jié)語

非電類專業(yè)的電力電子技術(shù)課程存在有限授課學(xué)時(shí)、基礎(chǔ)知識面覆蓋廣、系統(tǒng)性較強(qiáng)的教學(xué)挑戰(zhàn)，加之年輕教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)欠缺和學(xué)生主觀參與程度較低，教學(xué)效果不甚理想。本文以提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及其參與課程教學(xué)的程度為目標(biāo)，分別提出采用基于雨課堂智慧方案的“預(yù)習(xí)+摸底”式和基于小組協(xié)作的“實(shí)踐”式教學(xué)方法來進(jìn)行科學(xué)教學(xué)，兩種教學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合有效提升了學(xué)生主動參與課堂的程度，可較為便捷地實(shí)現(xiàn)對學(xué)生課前、課上的有效管理及學(xué)生學(xué)習(xí)效果的實(shí)時(shí)反饋，加強(qiáng)了學(xué)生對課本知識的實(shí)踐，進(jìn)一步鞏固了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，提升了學(xué)生參與課堂的主觀能動性和學(xué)習(xí)效果。