新工科背景下電力電子技術課程多模式融合教學改革研究

顧 珊，崔佳民，楊 麗

（浙江水利水電學院 浙江 杭州 310000）

隨著新工科建設工作的全面部署，教育部明確了我國工科教育需要持續(xù)培養(yǎng)新工科人才以支撐國家實施創(chuàng)新驅動的發(fā)展模式[1]。因此，在新工科教育發(fā)展背景下，如何培養(yǎng)出能滿足企事業(yè)單位需求的工程技術專業(yè)人才，成為應用型高校亟須解決的關鍵問題[2]。

電力電子技術是為適應社會經(jīng)濟發(fā)展而形成的新興技術，其應用非常廣泛，大到目前國內(nèi)外高度重視的新能源技術發(fā)電設備、電力輸送設備等，小到人們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N家電[3]。然而，相對于電力電子技術的蓬勃發(fā)展而言，我國國內(nèi)部分院校的電力電子技術課程教學內(nèi)容與方法陳舊，無法真正跟隨時代的發(fā)展趨勢。

以浙江水利水電學院（以下簡稱“我?！保┑碾娏﹄娮蛹夹g課程為例，目前，該課程作為我校新能源科學與工程、電氣工程及自動化等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，課程授課面覆蓋較廣。然而，在目前的電力電子技術教學實踐中仍存在教學內(nèi)容陳舊、實驗內(nèi)容單一、與工程實際脫鉤、實驗設備陳舊或過于集成化、可操作性差等諸多問題[4]。因此，有必要針對新工科建設培養(yǎng)創(chuàng)新人才和工程技術人才的要求，并根據(jù)學校課程教學現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的教育教學方法和內(nèi)容進行改革優(yōu)化，以提高教學質量。

1 多模式融合教學改革

電力電子技術課程存在教材內(nèi)容脫離工程實際、實驗設備陳舊、實驗內(nèi)容單一等問題，導致理論學習與工程實際、實踐操作脫節(jié)。因此，有必要將應用實例、線上教學平臺、虛擬仿真增加到課程教學中，構建線上線下混合式教學與理虛實一體化教學相融合的多模式教學課程模式，從而達到優(yōu)化教學內(nèi)容、創(chuàng)新教學模式、提升教學質量、推動教學改革的目的。具體教學模式見圖1。

圖1 多模式融合教學模式

1.1 以工程為導向，優(yōu)化教學內(nèi)容

按照新工科人才的培養(yǎng)思想，結合我校致力于培養(yǎng)具備專業(yè)應用技能和工程實踐能力，以及能夠處理復雜工程問題的高層次應用型人才的培養(yǎng)目標，有必要以工程技術應用為改革前提，優(yōu)化該課程現(xiàn)有教學內(nèi)容。結合工程設計實際和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，刪減晶閘管相關內(nèi)容，增加實際工程中常用的全控型器件的教學學時，調整教學內(nèi)容；緊跟科技發(fā)展，適時對電力系統(tǒng)領域有關的新技術進行歸納總結，增加實際應用案例到課程教學內(nèi)容中，優(yōu)化知識體系。分析研究各學科方向中有關電力電子領域的相關課程，加強相關課程間的有機融合，拓寬知識范疇。如在講解逆變電路部分內(nèi)容時，可以將其與光伏發(fā)電系統(tǒng)設計課程中的光伏逆變器有關內(nèi)容融合到一起，為學生今后從事與本專業(yè)方向相關的科學研究、生產(chǎn)工作以及工程設計等提供必要的理論知識基礎和專業(yè)技能保障。組織學生參觀專業(yè)領域相關企業(yè)，使學生實地學習電力電子裝置在光伏、風電、智能電網(wǎng)等領域的工程應用，加強學生的認識與了解，為學生今后的工作、科研等打好理論基礎。

1.2 改革教學手段，開展線上線下混合式理論教學

由于線下的教育模式存在時間與空間上的限制，無法充分鍛煉學生的專業(yè)技能和應對復雜工程問題的能力，而采用線上與線下相結合的教育方式是有效的解決方案。通過引入雨課堂、慕課、超星學習通等線上教學資源平臺，充分發(fā)揮線上教學資源優(yōu)勢，開展線上線下混合式教學，可有效彌補線下教學時間與空間上的不足，提高學生自主學習能力。教師利用線上網(wǎng)絡教學平臺發(fā)布課前預習可以實現(xiàn)學生課前線上導學；課中利用線上平臺開展簽到、點名、搶答等課堂教學活動加強教師與學生的互動交流，可以集中學生的注意力，提高其學習的積極性和趣味性；在課后進行線上課后作業(yè)、章節(jié)測驗、任務點學習跟蹤、答疑互動等，可以幫助學生加深對線下課堂內(nèi)容的理解。另外，利用網(wǎng)絡教學平臺可以發(fā)布實驗任務書、實驗指導書、多媒體課件、實操教學錄像等，實現(xiàn)線上實驗導學。線下實驗室的實物驗證，更側重鍛煉學生的動手和工程實踐能力。

1.3 引入虛擬仿真，構建理虛實一體化實踐教學

在電力電子技術課程的學習中，學生需要深入研究復雜且數(shù)量眾多的電路拓撲與數(shù)學公式。但由于缺乏清晰的認識，學生在實踐中往往局限于參數(shù)計算及公式推導上，而忽略了對電路基本工作原理的理解[5]。因此，采用理論實踐一體化教學，通過使用Matlab、PSIM 等應用軟件來協(xié)助學生進行仿真訓練，可以使學生在熟練掌握基礎知識的前提下，逐步完成簡單的電路構建、控制/調節(jié)原理的證實，直至大規(guī)模的電力電子系統(tǒng)的應用設計，從而實現(xiàn)“教、學、做”一體化的目標，提高學生實踐參與度的同時，也有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

2 多模式教學實踐

2.1 結合工程實際，調整教學內(nèi)容

反激電路是電力電子技術課程第五章的內(nèi)容，教材介紹較少，只簡單介紹了主電路原理，內(nèi)容只有一頁左右；但實際上，反激電路由于結構簡單、成本低，在電源領域，尤其是小功率電源中有著極為廣泛的應用。因此，本課題組根據(jù)反激電路的工作原理，以電動車充電器中常用的UC3842控制芯片作為驅動功率場效應晶體管MOSFET 的調制芯片，在主電路的基礎上增加整流環(huán)路、初級供電環(huán)路、初級MOSFET 開關環(huán)路、次級整流環(huán)路等功率環(huán)路。最終以具體工程為導向，將反激電路主電路理論學習拓展為“反激開關電源設計與制作”項目教學。本項目以電力電子技術中較為普遍的實際應用——開關電源作為主題，將課堂教學與現(xiàn)實生活緊密相連，有助于提升學生對其應用價值的認識，進而激發(fā)其學習積極性。項目還包含了實際工程中常用的全控型器件MOSFET、變流技術中最基本的變換電路——整流和直流變流電路，同時將控制原理與電力電子相結合，覆蓋知識點全面，難度適中，貼合工程實際。

2.2 線上線下混合，扎實理論基礎

教師課前通過線上系統(tǒng)發(fā)布項目任務書、指導書、相關知識的教學課件和學習視頻、學習測試給學生。學生根據(jù)任務書，完成章節(jié)相關知識點的線上學習以及自學測試，完成線上導學，發(fā)現(xiàn)并總結知識難點。在線下課堂上，教師根據(jù)學生線上學習的情況，有針對性地對出錯率較高的知識點進行重點講解。由于反激電源的參數(shù)計算較為復雜、涉及參數(shù)較多，因此參數(shù)計算不做強制要求，教師將相關的設計過程和設計資料通過平臺發(fā)給學生，課上只講授關鍵部件的設計，完整的設計計算不做要求，根據(jù)學生的接受能力進行分級指導。

2.3 虛擬仿真訓練，“學、思、做”一體化

在了解并掌握反激電路的工作原理、波形分析及控制原理后，教師在課前將EDA 輔助軟件的相關學習資料發(fā)布在線上網(wǎng)絡平臺上，供學生進行線上自學和熟悉軟件。在線下課堂上，學生根據(jù)教師提供的設計參數(shù)進行EDA設計：①繪制電路原理圖，熟悉電子電路原理圖設計步驟，掌握原理圖設計的電氣規(guī)則檢查；②PCB 元器件封裝制作，掌握實際電力電子元器件的原理、特性及封裝等；③PCB圖紙繪制，重點掌握PCB 板布線規(guī)則、錯誤檢查及排除等；④PSIM 軟件仿真，觀察各種輸出波形，通過仿真實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。教師通過課堂巡查，對EDA 設計中的關鍵點，如變壓器參數(shù)設置、PCB 板布線規(guī)則、各種故障檢查與排除方法等進行講解示范、協(xié)助解惑、啟發(fā)思考。鼓勵學生在電路仿真中進行創(chuàng)新，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決復雜工程問題的能力。

2.4 實物焊接驗證，能力提升強化

實物焊接驗證在線下課堂進行。虛擬仿真訓練完成后，教師會組織學生進行實體電路的焊接與調試。教師現(xiàn)場演示變壓器“三明治繞法”的實際操作，并結合實物講解變壓器氣隙如何設計，學生觀察、思考、操作。變壓器制作完成后，首先根據(jù)元器件BOM 清單，檢查MOSFET、穩(wěn)壓管、二極管等關鍵元器件的性能好壞，然后依據(jù)電路原理圖和PCB 板設計圖紙，完成所有線路的焊接工作，隨后進行通電測試，以檢測輸出電壓是否準確無誤，并觀察燈管能否正常發(fā)光。最后，用示波器對電路進行測試，記錄輸出波形。通過課堂巡查，教師了解學生的實踐操作情況并適當進行指導，引導學生去探究故障發(fā)生的原因，激勵學生進行討論合作，協(xié)助學生解決問題排除故障。課后，學生通過線上平臺提交實物成果照片和測試報告，教師給予點評打分，做出教學總結。

3 教學實踐效果

通過近幾個學年的課程實施，較之于之前的傳統(tǒng)教學方法，多模式融合的教學模式呈現(xiàn)了較好的教學效果，學生的學習興趣明顯提高，不及格人數(shù)相對減少，課程通過率相對提高。如圖2 所示，該班級單個項目總評成績集中在80-89 分，班級平均分在83 分，中高分數(shù)段的人數(shù)較多，課程通過率達到100%。

圖2 2021-2022 學年某班級“反激開關電源”項目總評成績柱狀圖

4 結語

針對“電力是子技術”課程理論與應用緊密結合、工程實踐性強的特點，課程組構建了基于線上線下混合式教學與理虛實一體化教學的“導、教、學、做、創(chuàng)、評”一體的多模式融合課程教學模式。教學實踐表明，以具體工程為導向的多模式融合教學改革，在提升教學質量的同時，使學生的創(chuàng)新能力、動手實踐能力以及工程應用能力也得到了進一步提高，為學生后續(xù)課程的學習以及今后從事相關的科研技術工作打下了扎實的基礎，符合新工科建設背景下培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才和工程技術人才的要求。