CDIO理念在《電力電子技術(shù)》課程中的應(yīng)用研究

劉婷婷　聶菁　張新建　范娟

摘 要：“電力電子技術(shù)”是一門理論實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繁多，波形分析復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)形式抽象枯燥，學(xué)生投入度和互動(dòng)性普遍不高。為進(jìn)一步改善教學(xué)形式和教學(xué)思路，本文引入CDIO工程教育理念，結(jié)合實(shí)際工程案例的項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)法，以及學(xué)習(xí)通平臺(tái)的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建“以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)工程應(yīng)用能力為核心”的課程體系。

關(guān)鍵詞：CDIO理念 電力電子技術(shù) 教學(xué)改革

Research on The Application in the Course of Power Electronics Based on CDIO Concept

Liu Tingting Nie Jing Zhang Xinjian Fan Juan

Abstract："Power Electronics" is a theoretical and practical course. There are a lots of circuit topologies， complex waveform analysis， and its traditional teaching forms is boring， so the students generally lack investment and interaction. In order to improve the teaching form and teaching ideas， this paper introduces the concept of CDIO Engineering Education， combined with the project driven method of practical engineering cases and the hybrid teaching design， will constructs a curriculum system of "taking students as the main body and cultivating engineering application ability as the core".

Key words：CDIO concept， power electronics， teaching reform

1 引言

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)信息工程等電氣類專業(yè)非常重要的專業(yè)核心課程，主要教授電力電子器件、四大變流技術(shù)、PWM控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等內(nèi)容[1]。電力電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，幾乎涵蓋民生經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，是一門理論性、工程性與實(shí)踐性非常強(qiáng)的交叉學(xué)科。正因如此，如何加強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)教育，提高學(xué)生實(shí)際工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與滿足企業(yè)需求的專業(yè)技能人才，各高校已極為關(guān)注和重視。

CDIO模式是一種在全球各國(guó)廣泛推行的工程教育模式[2]。CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式主動(dòng)學(xué)習(xí)[3]。將CDIO 模式運(yùn)用到《電力電子技術(shù)》的理論教學(xué)中，優(yōu)化“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建“以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)工程應(yīng)用能力為核心”的課程體系。推行基于項(xiàng)目、基于問題、基于案例的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法，支持學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對(duì)接，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新精神具有重要的理論價(jià)值。引入CDIO 模式，開發(fā)一系列與教學(xué)內(nèi)容高度契合的教學(xué)項(xiàng)目成為這門課程教學(xué)改革的一大重點(diǎn)。

文華學(xué)院作為一所應(yīng)用型高校，大部分學(xué)生畢業(yè)后選擇就業(yè)，更注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。因此電力電子技術(shù)必須打破電路拓?fù)涮铠喪街v解的傳統(tǒng)教學(xué)模式，如何依據(jù)CDIO 理念開展《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)、改革教學(xué)內(nèi)容、課程體系與教學(xué)方法都是值得我們探討的問題。

2 現(xiàn)有教學(xué)中待改進(jìn)的問題

2.1 傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)模式的改革

本文主要探索理論教學(xué)的變革，解決本課程內(nèi)容電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繁多，波形分析復(fù)雜，傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)抽象枯燥，學(xué)生投入度和互動(dòng)性普遍不高，對(duì)拓?fù)渌烙浻脖?，?duì)工作原理不求甚解的“痛點(diǎn)”問題。引入CDIO工程教育模式，并結(jié)合項(xiàng)目式和學(xué)習(xí)通線上教學(xué)的混合教學(xué)設(shè)計(jì)貫徹實(shí)施，將傳統(tǒng)的“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”，學(xué)生由被動(dòng)灌輸變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)。采用CDIO工程教育模式鍛煉了學(xué)生的工程項(xiàng)目思維，提升了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)過于死板，有待優(yōu)化改進(jìn)

本教學(xué)改革的對(duì)象為我校機(jī)電學(xué)部電氣專業(yè)及智能電網(wǎng)專業(yè)20～21級(jí)學(xué)生。為學(xué)生設(shè)計(jì)《電力電子技術(shù)》的工程項(xiàng)目案例，使理論知識(shí)得到實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與參與度，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力。課題成果能夠提高學(xué)生的成就感，對(duì)學(xué)生參加國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽也有重要支撐作用，有利于提高學(xué)生在后續(xù)的求學(xué)、求職中的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

以CDIO理念為理論指導(dǎo)，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向，分模塊展開知識(shí)點(diǎn)講解，優(yōu)化原有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱，豐富教學(xué)設(shè)計(jì)和改進(jìn)考核評(píng)價(jià)體系。從傳統(tǒng)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)轫?xiàng)目式教學(xué)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將知識(shí)點(diǎn)模塊化，以工程教育模式為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目方式驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，巧妙融合理論課堂和工程應(yīng)用項(xiàng)目，在實(shí)踐中充分理解和鞏固理論知識(shí)。

2.3 課堂氛圍沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下

學(xué)生首次接觸以波形分析為主要思路的電力工作原理過程，再加上單相三相，整流逆變等眾多類型的電路原理圖，本能上會(huì)出現(xiàn)畏難情緒。因此，傳統(tǒng)課堂講學(xué)極為出現(xiàn)教師滔滔不絕，學(xué)生安安靜靜的氛圍，為改善沉悶的課堂氣氛，可結(jié)合學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)，靈活教學(xué)。線上發(fā)布任務(wù)，線下討論指導(dǎo)。利用學(xué)習(xí)通，發(fā)布討論，隨機(jī)選人，搶答等功能活躍課堂氣氛，增加趣味性和互動(dòng)性。解決學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下的問題，往往出現(xiàn)搶答環(huán)節(jié)時(shí)，學(xué)生感覺緊張又刺激，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，由被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

3 CDIO模式教學(xué)改革實(shí)施方案

3.1 教學(xué)項(xiàng)目的選取與設(shè)計(jì)

對(duì)《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)項(xiàng)目的選取，首先從整體上分析該門課程的教學(xué)任務(wù)，確定整體的任務(wù)和目標(biāo)之后，再將核心知識(shí)點(diǎn)模塊化，并針對(duì)每一部分知識(shí)點(diǎn)選取合適的工程項(xiàng)目，或者小范圍的綜合性項(xiàng)目。項(xiàng)目選取的原則為難度適中，內(nèi)容高度契合理論內(nèi)容。然后對(duì)各項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的需求設(shè)計(jì)，以及理論知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，并將項(xiàng)目資源運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)反饋調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)項(xiàng)目。開發(fā)一系列與教學(xué)內(nèi)容高度契合的教學(xué)項(xiàng)目是這門課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。

本次教學(xué)改革將根據(jù)電力電子的四大變流技術(shù)設(shè)計(jì)4個(gè)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行試點(diǎn)，由淺到深，由易到難，與專業(yè)緊密結(jié)合，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向結(jié)合學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)，應(yīng)用于《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)的實(shí)施，切實(shí)提高教學(xué)效果。

項(xiàng)目1：直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目2：矩形波單相逆變器的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目3：便攜式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目4：舞臺(tái)調(diào)光燈的設(shè)計(jì)

3.2 CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)原有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，制定以CDIO模式為基礎(chǔ)，項(xiàng)目式教學(xué)和線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，注重項(xiàng)目實(shí)踐，將理論知識(shí)與工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來。

同時(shí)，在學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，組織學(xué)生分組討論，構(gòu)思設(shè)計(jì)，反饋交流。再通過傳統(tǒng)線下課堂圍繞案例展開知識(shí)點(diǎn)講解，指導(dǎo)項(xiàng)目疑難問題。實(shí)現(xiàn)以CDIO模式為基礎(chǔ)，項(xiàng)目式教學(xué)和線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自覺性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造性。同時(shí)線上的過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將形成科學(xué)有效的過程性評(píng)價(jià)及反饋，幫助教師完成評(píng)價(jià)考核以及進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

下面以開關(guān)電源的項(xiàng)目為例，如圖1所示，展示基于CDIO理念的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)。

該教學(xué)設(shè)計(jì)采取“三縱四橫”原則，主題是開關(guān)電源的項(xiàng)目式教學(xué)，以CDIO的工程思維為理論指導(dǎo)，采取傳統(tǒng)課堂和學(xué)習(xí)通平臺(tái)的線上線下混合教學(xué)方式推進(jìn)實(shí)施。

開關(guān)電源為本課程第五章直流直流變換內(nèi)容。項(xiàng)目分為4個(gè)步驟：

第一步，項(xiàng)目構(gòu)思。由教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容發(fā)布任務(wù)，學(xué)生分組討論，根據(jù)項(xiàng)目所涉及的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)自學(xué)查閱，并構(gòu)思項(xiàng)目方案和項(xiàng)目需求。此步驟通過學(xué)習(xí)通線上發(fā)布。

第二步，項(xiàng)目設(shè)計(jì)。教師圍繞知識(shí)點(diǎn)對(duì)項(xiàng)目做具體介紹，引導(dǎo)學(xué)生分組討論，并開始進(jìn)行具體的方案設(shè)計(jì)。此步驟在線上課堂完成。

第三步，方案實(shí)現(xiàn)。學(xué)生借助學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件設(shè)施進(jìn)行方案驗(yàn)證，或者通過仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，同時(shí)教師可以指導(dǎo)和答疑解惑。此為最重要的過程，由學(xué)生在線下完成。

第四步，項(xiàng)目驗(yàn)收。驗(yàn)收形式可以靈活多樣，可以通過學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)上傳驗(yàn)證視頻及文檔報(bào)告，由學(xué)生相互學(xué)習(xí)評(píng)分，最后在線下課堂完成優(yōu)秀評(píng)選。

3.3 學(xué)習(xí)通線上教學(xué)資源包設(shè)計(jì)

按照教學(xué)要求完成《電力電子技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)通線上教學(xué)資源包設(shè)計(jì)。配合項(xiàng)目式教學(xué)，開發(fā)制作完成線上配套的相關(guān)項(xiàng)目視頻資料、教學(xué)資源，課后練習(xí)，包括課件制作，章節(jié)測(cè)試題庫(kù)設(shè)計(jì)、討論題庫(kù)設(shè)計(jì)、小組討論內(nèi)容和形式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的“翻轉(zhuǎn)課堂”項(xiàng)目成果展示及交流平臺(tái)。我?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程位48學(xué)時(shí)，可根據(jù)課程章節(jié)安排，選取重要的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生分組PK，要求組內(nèi)分工合作，每個(gè)人都要負(fù)責(zé)相應(yīng)任務(wù)，可以選擇仿真，分解知識(shí)點(diǎn)講授，或者PPT制作，或者是現(xiàn)場(chǎng)板書等，確保全員都能參與。

3.4 學(xué)情反饋，評(píng)價(jià)考核的制定

學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)是一個(gè)很好的教學(xué)輔助工具，能夠提供課堂報(bào)告、學(xué)情統(tǒng)計(jì)、成績(jī)統(tǒng)計(jì)等信息，并以可視化圖表的形式反饋給老師，如簽到率，課堂表現(xiàn)TOP10，課堂選人回顧，章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)，綜合成績(jī)分布等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，老師對(duì)班級(jí)整體情況，甚至每位學(xué)生的詳細(xì)學(xué)習(xí)情況一目了然，老師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)情及時(shí)調(diào)整項(xiàng)目?jī)?nèi)容及進(jìn)度安排，還可以針對(duì)不同掌握層次的學(xué)生發(fā)布不同的項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)行分層教學(xué)和個(gè)性化的一對(duì)一輔導(dǎo)，教師也可以根據(jù)反饋情況進(jìn)一步完善教學(xué)設(shè)計(jì)和考核評(píng)價(jià)。分組討論P(yáng)K后，最后全員一起投票推優(yōu)，提高學(xué)生參與感和成就感。引入線上學(xué)情反饋后，對(duì)綜合評(píng)價(jià)比例做出一定修訂，并進(jìn)一步細(xì)化過程評(píng)價(jià)內(nèi)容。

4 教學(xué)改革目標(biāo)

4.1 完善以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的教學(xué)大綱

《電力電子技術(shù)》現(xiàn)有教學(xué)大綱包含課程教學(xué)目標(biāo)，且已融入課程思政元素，但在教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排上，仍然以理論知識(shí)為主，輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，學(xué)生接觸到的還停留在考試層面，死記硬背層面，對(duì)知識(shí)的融匯貫通和實(shí)際應(yīng)用缺乏認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)有教學(xué)大綱總體來說可以滿足理論教學(xué)，在此基礎(chǔ)之上引入CDIO工程教育模式，在每個(gè)章節(jié)增加項(xiàng)目應(yīng)用，改革專業(yè)課教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提供以培養(yǎng)專業(yè)技能人才為目標(biāo)的教學(xué)大綱。

4.2 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)的改革創(chuàng)新

（1）從傳統(tǒng)教學(xué)到項(xiàng)目式教學(xué)。打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將知識(shí)點(diǎn)模塊化，以工程教育模式為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目方式驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，巧妙融合理論課堂和工程應(yīng)用，在實(shí)踐中充分理解和鞏固理論知識(shí)。

（2）從線下課堂到學(xué)習(xí)通線上平臺(tái)。除了傳統(tǒng)的線下課堂，還可以有機(jī)結(jié)合線上平臺(tái)，通過學(xué)習(xí)通線上發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，組織分組實(shí)踐，線上討論交流，同時(shí)還可以利用學(xué)習(xí)通發(fā)布課件，微課，視頻，動(dòng)畫，課件預(yù)習(xí)，章節(jié)測(cè)試等內(nèi)容，進(jìn)一步豐富和拓展線下教學(xué)，增加線下互動(dòng)性及趣味性。把知識(shí)內(nèi)容多層次多角度展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生可以充分利用碎片時(shí)間自主自學(xué)。

4.3 教學(xué)案例的設(shè)計(jì)與拓展

如項(xiàng)目預(yù)期效益較好，可進(jìn)一步豐富項(xiàng)目案例，如：三相橋式整流器的設(shè)計(jì)、SPWM逆變器的設(shè)計(jì)、變頻器的設(shè)計(jì)、UPS電源、光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器、車載220V逆變器設(shè)計(jì)、車載USB充電器設(shè)計(jì)等項(xiàng)目，以預(yù)防下屆學(xué)生重復(fù)利用上屆學(xué)生的成果及報(bào)告，同時(shí)由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新項(xiàng)目教學(xué)案例需要做到每屆更新和改進(jìn)。

4.4 課題應(yīng)用價(jià)值的思考

隨著社會(huì)分工的細(xì)化以及對(duì)工科畢業(yè)生專業(yè)技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)將會(huì)得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。結(jié)合項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)通線上教學(xué)的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，可以思考推廣到較多工程應(yīng)用型較強(qiáng)的課程。該工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)可拓展應(yīng)用到電氣專業(yè)及機(jī)電學(xué)部其他實(shí)踐性較強(qiáng)課程的學(xué)習(xí)，如《電氣控制與PLC技術(shù)》、《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》等專業(yè)課，有利于學(xué)科交叉，資源共享。

5 結(jié)語(yǔ)

目前“電力電子技術(shù)”課程還停留在理論教學(xué)的層面，工程實(shí)際應(yīng)用涉獵較少，學(xué)生的工程思維能力和實(shí)踐應(yīng)用能力稍有欠缺，與企業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用能力的需求有較大差距。因此，本課程教學(xué)改革采用CDIO工程教育模式鍛煉了學(xué)生的工程項(xiàng)目思維，提升了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才[4]。相信隨著社會(huì)分工的細(xì)化以及對(duì)工科畢業(yè)生專業(yè)技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)將會(huì)得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：

2021年文華學(xué)院教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)改革課題“CDIO工程教育模式在《電力電子學(xué)》課程中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：J0900741442）。

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