基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的電力電子技術(shù)一體化教學(xué)改革研究

劉 毅，張優(yōu)賢，趙 斌

(河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

電力電子技術(shù)滲透在工業(yè)、交通、電力、通訊、計(jì)算機(jī)、新能源系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，其主要是研究利用不同的電力電子器件對電能進(jìn)行變換或?qū)﹄娔苓M(jìn)行控制。電力電子技術(shù)是弱電和強(qiáng)電之間的紐帶，是電氣工程專業(yè)、自動化專業(yè)等諸多工科專業(yè)的必要專業(yè)基底。電力電子技術(shù)對理論和技能的培養(yǎng)要求較高，課程內(nèi)容的實(shí)踐性較強(qiáng)。傳統(tǒng)教學(xué)多以課堂講授的方式進(jìn)行知識傳授，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生處理實(shí)際問題的能力較弱。因此，關(guān)于電力電子技術(shù)課程的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)及考核方法的研究與探討受到國內(nèi)外各大高校的廣泛關(guān)注。

1 國內(nèi)外及校內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)相關(guān)教學(xué)工作者針對電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革開展了探索，索跡、祁春清等人提出了一種基于工作過程的電力電子技術(shù)及應(yīng)用課程改革方法[1]；花有清、蘇紅富等人針對本課程的考核方式提出了形成性考核評價(jià)體系，為該課程考核方法的改革提供了強(qiáng)有力的支撐[2]；魯明麗、呂庭提出了項(xiàng)目教學(xué)法，即把以往教學(xué)中的理論知識分解成若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，整個(gè)教學(xué)過程都圍繞著項(xiàng)目實(shí)施教學(xué)，讓學(xué)生全程參與項(xiàng)目探究[3]。通過查閱大量文獻(xiàn)，了解了我國電力電子技術(shù)教學(xué)改革現(xiàn)狀，大多聚焦于教學(xué)內(nèi)容的選取、教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新、評價(jià)機(jī)制的改革與創(chuàng)新等幾個(gè)部分[4]。

國外各類高校也對工程類課程的教學(xué)改革進(jìn)行了積極探索。從2000年起，美國麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國研究組獲得近2000萬美元的資助，經(jīng)過4年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO(構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作)工程教育理念，并成立了以CDIO命名的國際合作組織，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)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行工程學(xué)習(xí)[5]。針對電力電子技術(shù)教學(xué)，國外主要從課程設(shè)置、教學(xué)方法和課程設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面展開研究。在課程設(shè)置上，國外教材更注重介紹電力電子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力和就業(yè)能力，麻省理工學(xué)院EECS系、英國曼徹斯特大學(xué)在電力電子課程設(shè)置上都十分注重實(shí)際電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題和課程設(shè)計(jì)等內(nèi)容[3]。在教學(xué)形式上，明尼蘇達(dá)大學(xué)在授課和實(shí)驗(yàn)中實(shí)施了一種不同于以往的教學(xué)方式——基于Building Block的教學(xué)方法。在課程設(shè)計(jì)上，丹麥Aalborg大學(xué)為應(yīng)對電力電子專業(yè)新技術(shù)革新快的特點(diǎn)，實(shí)施了獨(dú)特的Problem-based and Project-oriented的學(xué)習(xí)方法，每位在校學(xué)生從第五學(xué)期開始，每個(gè)學(xué)期都要在導(dǎo)師的引導(dǎo)下與同學(xué)合作解決一個(gè)課題，并且部分課程是針對課題研究設(shè)置的，包含課堂教學(xué)、講座、討論等多種方法，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與新技術(shù)發(fā)展緊密結(jié)合的目的[6]。

1.2 校內(nèi)研究現(xiàn)狀

縱觀目前國內(nèi)各大高校電力電子技術(shù)的教學(xué)情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的課堂教學(xué)雖然比傳統(tǒng)課堂教學(xué)有了很大改進(jìn)，但仍舊停留在以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式上。

第一，課程教學(xué)上，未突出啟發(fā)交互，知識與專業(yè)領(lǐng)域相融合。任課教師花費(fèi)大量時(shí)間制作多媒體課件授課，并加入了許多圖片和動畫，但由于缺少與實(shí)際專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合，學(xué)生仍被動地接受知識，缺少真實(shí)的感性認(rèn)識，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)存在被動性和無目的性。第二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，未構(gòu)建創(chuàng)作型項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)價(jià)值。實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為課堂教學(xué)的重復(fù)，教師進(jìn)行示范性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生單純地、無目的地模仿，測定結(jié)果與教材上相近即可，沒有將注意力放在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象上，不能獨(dú)立思考并解釋實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，無法從實(shí)驗(yàn)中獲得靈感啟發(fā)，且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性的，降低了學(xué)生的創(chuàng)作熱情，實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢r(jià)值無從體現(xiàn)。第三，課程設(shè)計(jì)上，未突出原創(chuàng)與專業(yè)項(xiàng)目的應(yīng)用。對于教師布置的課程設(shè)計(jì)作業(yè)，部分學(xué)生僅通過互聯(lián)網(wǎng)搜索幾篇文獻(xiàn)完成報(bào)告，無法體現(xiàn)課程設(shè)計(jì)的目的和意義。第四，考核方法上，未構(gòu)建多元化考評機(jī)制。當(dāng)前的考評方法仍采取傳統(tǒng)的教師全權(quán)評定的“平時(shí)成績+實(shí)驗(yàn)成績+考試成績”的方式。但是，平時(shí)成績單純看出勤率、上課紀(jì)律、課后作業(yè)成績，實(shí)驗(yàn)成績單純看實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告，考試試卷的題型較單一，未與實(shí)際工程應(yīng)用相聯(lián)系且結(jié)論唯一，無法全面考察學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，評價(jià)結(jié)果不夠客觀、全面。

應(yīng)開展啟發(fā)式教育，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入工程實(shí)際應(yīng)用背景，以此引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，使學(xué)生了解該門課程知識的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方法，從而提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。本校電力電子技術(shù)作為電氣學(xué)院電學(xué)各相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，對其教學(xué)方法的研究受到了學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)以及專業(yè)教師的高度重視，學(xué)院教師團(tuán)隊(duì)多次參加國內(nèi)教學(xué)實(shí)踐研討會議，并積極參與各種在線課程建設(shè)及教學(xué)比賽，已積累了一定的教學(xué)成果，形成了啟發(fā)式教學(xué)、仿真走進(jìn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)等教學(xué)機(jī)制和方法。經(jīng)過近幾年的改革與發(fā)展，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性有了顯著提高。

2 基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的電力電子技術(shù)一體化教學(xué)改革策略

2.1 基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的電力電子技術(shù)課堂教學(xué)方法

第一，制訂基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的教學(xué)課程規(guī)劃。建立系統(tǒng)的觀念，為調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，減少學(xué)習(xí)的無目的性，在實(shí)際工程應(yīng)用的依托下，制訂基于項(xiàng)目與專業(yè)相結(jié)合的知識體系規(guī)劃。在前期課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)過程中，與項(xiàng)目相結(jié)合，將與項(xiàng)目關(guān)聯(lián)的理論知識巧妙滲透進(jìn)來，禁止將各種電力電子器件、各種結(jié)構(gòu)功能的電路無目的、無聯(lián)系地放置，同時(shí)加強(qiáng)系統(tǒng)控制知識的滲透和融入。以高壓直流輸電系統(tǒng)為例，本項(xiàng)目基于其主要工作狀態(tài)及原理制訂了電力電子技術(shù)中電力電子器件、電力電子變流技術(shù)、電力電子控制技術(shù)三個(gè)主要部分的課程教學(xué)規(guī)劃。

第二，基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的課堂啟發(fā)式教學(xué)方法?；谥朴喌恼n程教學(xué)規(guī)劃，結(jié)合高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際工作組成和原理，通過“線上視頻→高壓直流輸電系統(tǒng)組成介紹→原理介紹→問題思考→課程講解→攻克難題→仿真驗(yàn)證”課程講解模式實(shí)施課堂啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題聽課，以問題驅(qū)動教學(xué)，從根本上提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性和目的性，達(dá)到事半功倍的效果。在課堂教學(xué)過程中，要注重電力電子電路的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)思想和能力，同時(shí)將課堂教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)并重，形成“學(xué)習(xí)→設(shè)計(jì)→仿真驗(yàn)證”的一體化課堂教學(xué)模式。

第三，制訂基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的學(xué)生課后思考創(chuàng)新計(jì)劃。根據(jù)課堂學(xué)習(xí)的“提出問題→分析問題→解決問題”的思路和方法，布置課后作業(yè)，鞏固理論知識，完成對相似問題的分析，達(dá)到舉一反三的目的。同時(shí)，制訂課后不定期討論、講座、專題報(bào)告等多種形式的學(xué)習(xí)交流計(jì)劃，學(xué)生之間交流各自的學(xué)習(xí)心得，共同解決問題，共同進(jìn)步成長。

2.2 基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

第一，制訂課堂教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)劃。針對課堂教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)理論和知識的簡單驗(yàn)證，在掌握電力電子技術(shù)基礎(chǔ)理論后，分小組對本組實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象的原因進(jìn)行討論，提出本組的解決方案并再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題能力的目的，為后期的電路分析和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

第二，制訂基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)劃。通過了解學(xué)生對基礎(chǔ)理論和基本實(shí)驗(yàn)方法的掌握情況，制訂基于專業(yè)驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)劃。以高壓直流輸電系統(tǒng)中的逆變電路為例，進(jìn)行實(shí)際高壓直流輸電系統(tǒng)中逆變主電路和PWM控制電路的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立“高壓直流輸電系統(tǒng)逆變電路設(shè)計(jì)→理論分析→仿真驗(yàn)證→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的設(shè)計(jì)和分析理念。

第三，基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的綜合自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在完成本門理論教學(xué)任務(wù)后，緊跟電力電子技術(shù)快速發(fā)展的步伐，以電力電子技術(shù)前沿技術(shù)為基礎(chǔ)制訂綜合自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并讓學(xué)生提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，通過“理論分析→電路設(shè)計(jì)→仿真驗(yàn)證→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”模式，基于“基礎(chǔ)→實(shí)踐→綜合→創(chuàng)新”主線，開展綜合自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3 基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的考試及考核指標(biāo)評價(jià)方法

第一，制訂基于專業(yè)驅(qū)動的考試試卷。制訂“基礎(chǔ)理論+實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析”的考核方案，取代傳統(tǒng)“理論+計(jì)算”的考試模式，考核學(xué)生的知識創(chuàng)新與應(yīng)用能力。

第二，制訂基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的考核指標(biāo)評價(jià)方法。打破傳統(tǒng)的教師一人認(rèn)定結(jié)果的考核制度，構(gòu)建“個(gè)人自評指標(biāo)+小組互評指標(biāo)+指導(dǎo)教師評價(jià)指標(biāo)+考試評價(jià)指標(biāo)”的四級評價(jià)指標(biāo)。個(gè)人自評指標(biāo)：由學(xué)生個(gè)人根據(jù)自己一學(xué)期的學(xué)習(xí)態(tài)度、動手能力、創(chuàng)新能力給出適當(dāng)?shù)脑u價(jià)。小組互評指標(biāo)：由實(shí)驗(yàn)小組其他成員對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、團(tuán)隊(duì)合作、動手能力、報(bào)告撰寫等方面的能力進(jìn)行評價(jià)。指導(dǎo)教師評價(jià)指標(biāo)：指導(dǎo)教師根據(jù)一學(xué)期每個(gè)同學(xué)在學(xué)習(xí)態(tài)度、動手能力、綜合自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面的能力進(jìn)行全面評價(jià)，促進(jìn)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)、個(gè)人素質(zhì)的全面提高?？荚囋u價(jià)指標(biāo)：以基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的期末考試試卷成績作為評價(jià)指標(biāo)?；谝陨显u價(jià)指標(biāo)，根據(jù)一定的權(quán)限，對學(xué)生的綜合素質(zhì)作出綜合評定。

2.4 基于項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的相關(guān)建設(shè)

第一，師資隊(duì)伍建設(shè)。①電力電子技術(shù)是電氣學(xué)院電學(xué)相關(guān)專業(yè)等諸多工科專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，學(xué)院采用以老帶新、青年教師互幫互學(xué)并交流授課技巧的方法，以提高電力電子技術(shù)教師的總體授課能力和水平。②由學(xué)院教授牽頭講課與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，積極組織開展在線精品課程建設(shè)，通過在線課程建設(shè)不斷促進(jìn)和提高團(tuán)隊(duì)青年教師的授課水平。積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)評比活動，逐步建立一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、師德優(yōu)良、教學(xué)水平高、教學(xué)效果好的課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的電力電子技術(shù)專業(yè)課青年骨干教師隊(duì)伍。③積極開展讀書寫作交流活動，每個(gè)青年教師每年都要閱讀相關(guān)專業(yè)的著作和書籍，撰寫讀書筆記、發(fā)表相關(guān)論文，優(yōu)化教學(xué)隊(duì)伍的知識結(jié)構(gòu)，全面提升青年教師的學(xué)術(shù)水平和教學(xué)水平，促進(jìn)教學(xué)梯隊(duì)健康發(fā)展。

第二，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。①加強(qiáng)電力電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，通過學(xué)校資助、學(xué)院自籌等方式，結(jié)合社會需求與學(xué)科發(fā)展情況，及時(shí)更新與調(diào)整電力電子實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，引進(jìn)多功能實(shí)驗(yàn)平臺，開設(shè)針對性強(qiáng)的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。②提升電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)水平，鼓勵并組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師去兄弟單位進(jìn)行參觀和學(xué)術(shù)交流，實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員積極參與各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)比賽，提升經(jīng)驗(yàn)和學(xué)術(shù)水平。③加強(qiáng)電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)，為學(xué)生提供及時(shí)、開放性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，鼓勵學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽。

第三，教材建設(shè)規(guī)劃。①全面采用普通高等教育國家級規(guī)劃教材和普通高等教育電氣工程與自動化類規(guī)劃教材，保證教材內(nèi)容與電力電子領(lǐng)域的科技發(fā)展水平相同步。②根據(jù)課程建設(shè)需要和專業(yè)需求，有針對性地指導(dǎo)學(xué)生選用學(xué)習(xí)參考書。③精心選用國外原版教材作為教學(xué)參考書，積極試行雙語閱讀教學(xué)。

第四，課堂教學(xué)研究。①針對學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊的問題，實(shí)現(xiàn)線上、板書與PPT教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，著重基礎(chǔ)知識的講解。②運(yùn)用“計(jì)算機(jī)仿真走進(jìn)教室”的教學(xué)模式，講解完相關(guān)基礎(chǔ)知識后，通過實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)仿真，加深學(xué)生對知識的消化和理解。③教學(xué)課件年年更新，保證教學(xué)內(nèi)容與電力電子領(lǐng)域的科技發(fā)展水平相同步，增強(qiáng)學(xué)生對知識的理解。

3 結(jié)語

結(jié)合河南工學(xué)院應(yīng)用型本科的辦學(xué)宗旨和辦學(xué)特色，以電氣工程及其自動化專業(yè)背景為依托，以實(shí)際工程應(yīng)用項(xiàng)目為載體設(shè)計(jì)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和考核環(huán)節(jié)，形成以“項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動”為主線，貫穿教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、考核三個(gè)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新型教學(xué)模式。本教學(xué)改革方法的應(yīng)用取得了以下成效：第一，明確了學(xué)習(xí)目的，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。通過將“項(xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動”貫穿該課程教學(xué)實(shí)施的始終，將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠把握學(xué)習(xí)方向，明確知識的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方法。將學(xué)習(xí)內(nèi)容與未來就業(yè)和職業(yè)發(fā)展相結(jié)合，從而有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。第二，體現(xiàn)了學(xué)校的辦學(xué)宗旨和特色。河南工學(xué)院是一所以機(jī)械、電氣領(lǐng)域?yàn)橹?，多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展，行業(yè)特色鮮明的應(yīng)用型本科大學(xué)。目前，相當(dāng)一部分畢業(yè)學(xué)子就業(yè)于機(jī)械、電氣相關(guān)領(lǐng)域。在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、考核環(huán)節(jié)中貫穿專業(yè)驅(qū)動，可以有效提高學(xué)生畢業(yè)后的社會適應(yīng)能力。第三，體現(xiàn)了電氣學(xué)院專業(yè)特色。目前，電氣學(xué)院的大部分教師從事與電力系統(tǒng)、自動化等相關(guān)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目，授課教師普遍具備扎實(shí)和深厚的專業(yè)知識，在講授知識的過程中能夠充分結(jié)合電力系統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深入的、全面的、形象化的課程教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，學(xué)習(xí)效果比較理想。

綜上所述，本教學(xué)改革方法具有較好的研究意義和實(shí)現(xiàn)價(jià)值。一方面，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教師的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)成果，從根本上降低學(xué)生學(xué)習(xí)的被動性和無目的性。另一方面，可以擴(kuò)展學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)面并提高就業(yè)能力?；陧?xiàng)目與專業(yè)驅(qū)動的教學(xué)理念，能夠有效提高用人單位對畢業(yè)生的滿意度，實(shí)現(xiàn)“學(xué)校發(fā)展→人才培養(yǎng)→用人單位良好評價(jià)”的良性循環(huán)。