“以學(xué)生為中心”的電力電子技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)

【摘要】在新工科背景下，針對(duì)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程存在的學(xué)生思考探索少、學(xué)習(xí)獲得感不高、實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式固化等問題，課程組開展了“以學(xué)生為中心”的實(shí)踐教學(xué)改革，即通過調(diào)整學(xué)習(xí)目標(biāo)，改進(jìn)以往的教學(xué)方式、同時(shí)優(yōu)化評(píng)價(jià)方式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果，通過調(diào)研反饋發(fā)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)改革能夠提高學(xué)生參與度，激發(fā)學(xué)生的挑戰(zhàn)性，并能使學(xué)生更加深刻地體會(huì)到電力電子技術(shù)在實(shí)際中的作用和意義。

【關(guān)鍵詞】以學(xué)生為中心|實(shí)踐教學(xué)改革|積極性|學(xué)習(xí)效果|挑戰(zhàn)性

電力電子技術(shù)作為我校電氣工程方向的專業(yè)背景必修課程，在培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力上起著重要作用。課程不但理論性強(qiáng)，實(shí)踐性也很強(qiáng)，整個(gè)課程包括理論授課和實(shí)驗(yàn)授課兩個(gè)部分。近年來，在新工科人才培養(yǎng)背景下，本課程對(duì)技術(shù)理論知識(shí)授課進(jìn)行了一系列改革，例如：理實(shí)一體教學(xué)模式的探索實(shí)踐，課程思政建設(shè)等等，實(shí)踐證明，在這些教學(xué)改革模式下培養(yǎng)出的學(xué)生不但能夠掌握本課程涉及的理論技術(shù)，而且對(duì)激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國、科技興軍的使命擔(dān)當(dāng)以及培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力、好奇心和想象力、合作與領(lǐng)導(dǎo)能力、主動(dòng)性和創(chuàng)造性以及靈活性和適應(yīng)性具有一定的促進(jìn)作用。目前由于改革主要聚焦于技術(shù)理論知識(shí)的教學(xué)模式方面，對(duì)實(shí)踐授課的改革探索較少，因此在對(duì)學(xué)生創(chuàng)新合作能力、表達(dá)能力以及勇于探索、不斷創(chuàng)新的科學(xué)精神的培養(yǎng)上不夠充分，距學(xué)生未來的任職崗位發(fā)展需求還有一定的距離。由于“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式更加關(guān)注學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)等方面的收益[1-2]，因此為滿足學(xué)生未來的任職發(fā)展需求，一場(chǎng)“以學(xué)生為中心”的實(shí)踐課教學(xué)模式改革勢(shì)在必行。

從歷史上看，“以學(xué)生為中心”的這場(chǎng)教育改革起源于20世紀(jì)80年代的美國，可以將其歸納為“以學(xué)生發(fā)展為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，以學(xué)習(xí)效果為中心”[3-4]，因此“以學(xué)生為中心”的實(shí)踐課程教學(xué)改革就要求改變以往學(xué)生按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的教學(xué)模式，通過分析目前實(shí)踐課過程中存在的問題，調(diào)研學(xué)生及崗位的訴求和期望，并通過合理的教學(xué)設(shè)計(jì)來調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，從而突顯學(xué)生的主體地位。

一、實(shí)踐課現(xiàn)狀

電力電子技術(shù)課程共包括五次實(shí)驗(yàn)，10個(gè)學(xué)時(shí)的授課任務(wù)，目前采用課前發(fā)布復(fù)習(xí)任務(wù)，課上帶領(lǐng)學(xué)生回顧對(duì)應(yīng)的理論原理，并手動(dòng)操作演示實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)而來驗(yàn)證課堂上講解的理論的授課方式，整個(gè)過程雖然加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，但是存在以下幾方面的問題。

（一）基礎(chǔ)操作的時(shí)間占比過大

通過對(duì)比學(xué)生課堂上的時(shí)間占比發(fā)現(xiàn)學(xué)生將大量的時(shí)間用在了基礎(chǔ)操作上面，例如對(duì)電氣設(shè)備使用不熟練，出現(xiàn)反復(fù)檢測(cè)錯(cuò)誤；接線錯(cuò)誤導(dǎo)致的反復(fù)檢查以及結(jié)論的適用范圍未理解透徹而反復(fù)懷疑檢測(cè)結(jié)果等等，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題的思考較少，對(duì)理論授課時(shí)的置疑之處探索較少，從而使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中的獲得感降低。

（二）缺乏不同程度挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

在課程設(shè)計(jì)時(shí)，沒有充分考慮學(xué)生的差異性，每節(jié)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一致且難度適中，針對(duì)學(xué)習(xí)程度不同的學(xué)生缺乏挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，使得學(xué)生的創(chuàng)新性和探索精神沒有得到充分培養(yǎng)。

（三）實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式固化

實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫要求包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)設(shè)備及器材、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)五個(gè)部分。根據(jù)完成情況來看每個(gè)部分的差異性不大，與倡導(dǎo)的思維活躍性要求吻合度較低，并且僅依靠實(shí)驗(yàn)總結(jié)來進(jìn)行對(duì)表達(dá)歸納的訓(xùn)練，不能很好地鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，不能為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面的邏輯表達(dá)打下很好的基礎(chǔ)。

（四）評(píng)判方式陳舊

實(shí)驗(yàn)考評(píng)制度比較陳舊，由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式固化，評(píng)分的變化很小，不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性訓(xùn)練[5]，并且存在學(xué)生借閱評(píng)閱過的報(bào)告，依葫蘆畫瓢的現(xiàn)象，評(píng)判結(jié)果不能準(zhǔn)確反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。

針對(duì)上述問題，電力電子技術(shù)實(shí)踐課嘗試改變以往的教學(xué)模式，向“以學(xué)生為中心”教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，并通過調(diào)整學(xué)習(xí)目標(biāo)，改進(jìn)以往的教學(xué)方式（采用課前線上發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)以及學(xué)習(xí)視頻、課件等，課堂上加強(qiáng)師生間、學(xué)生間互動(dòng)等方式），優(yōu)化評(píng)價(jià)方式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果，具體思路舉措如圖1所示。

二、以逆變電路實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行的實(shí)踐探索

作為電力電子技術(shù)四大電力變換之一的逆變電路，不僅在日常生活、工業(yè)建設(shè)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)等中均有涉及[6]，而且在軍用武器、特種電源等電力電子裝置中有大量應(yīng)用。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)未來的任職崗位不但需要學(xué)生掌握電力電子技術(shù)涉及的器件技術(shù)、電力變換技術(shù)、控制技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)，而且還對(duì)學(xué)生具備一定的電力電子裝置的故障維修技術(shù)的需求更為迫切，而原逆變電路實(shí)驗(yàn)時(shí)主要以單相逆變電路為例通過電力電子實(shí)驗(yàn)箱和逆變電路模塊進(jìn)行單相逆變電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體儀器設(shè)備如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)將JMCL-22-03模塊插入電力電子實(shí)驗(yàn)箱的插板區(qū)，依照實(shí)驗(yàn)步驟完成單相逆變電路的驗(yàn)證。在這個(gè)過程中主要是加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解、掌握和驗(yàn)證，缺乏對(duì)維修能力的培養(yǎng)，因此掌握逆變電路的工作原理以及會(huì)進(jìn)行基本的電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證作為實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊巡荒軡M足未來的任職發(fā)展需求[7]。

（一）逆變電路實(shí)踐改革

為了打通課程與任職崗位的壁壘，同時(shí)具有一定的挑戰(zhàn)性，本文以逆變電路為例，按照?qǐng)D1所示的思路進(jìn)行“以學(xué)生為中心”的改革實(shí)踐。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行調(diào)整，即在原來會(huì)進(jìn)行基本的電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，加入了能夠?qū)崿F(xiàn)逆變電路發(fā)生某一器件故障時(shí)的檢測(cè)這一故障檢測(cè)目標(biāo)。為了達(dá)到本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，在對(duì)內(nèi)容設(shè)置上，考慮學(xué)生的差異性，設(shè)計(jì)了三個(gè)難度等級(jí)的實(shí)驗(yàn)，分別為初級(jí)難度、中級(jí)難度和高級(jí)難度，每個(gè)難度設(shè)置了相應(yīng)的成績(jī)區(qū)間，如圖3所示。

根據(jù)更改后的課程目標(biāo)，要求學(xué)生均達(dá)到初級(jí)目標(biāo)，即在完成逆變電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上會(huì)根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行逆變電路設(shè)計(jì)，能夠用Matlab對(duì)設(shè)計(jì)出的逆變電路的某一開關(guān)管發(fā)生短路或斷路故障時(shí)的波形進(jìn)行分析，并通過對(duì)比電路正常時(shí)的輸出波形和某一器件發(fā)生故障時(shí)的波形異同點(diǎn)來總結(jié)某一器件損壞時(shí)的波形特征。在完成初級(jí)難度的實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生已經(jīng)掌握了逆變電路的基本實(shí)驗(yàn)方法，為了使學(xué)生更加熟練地掌握實(shí)驗(yàn)方法，鼓勵(lì)挑戰(zhàn)更高難度的實(shí)驗(yàn)——中級(jí)難度，即在完成初級(jí)難度任務(wù)基礎(chǔ)上會(huì)用Matlab對(duì)設(shè)計(jì)出的逆變電路的某兩個(gè)開關(guān)管發(fā)生短路或斷路故障時(shí)的波形進(jìn)行分析，并總結(jié)波形特征。完成中級(jí)難度后，檢測(cè)器件故障的基本分析方法已經(jīng)掌握，在此基礎(chǔ)上，為了滿足少數(shù)學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)高挑戰(zhàn)度的需求，課程設(shè)計(jì)了更高難度實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即在完成中級(jí)難度任務(wù)基礎(chǔ)上，分析逆變電路可能發(fā)生的故障有哪些，并利用Matlab仿真分析不同故障時(shí)的輸出波形，進(jìn)而總結(jié)不同的故障特征。三個(gè)難度等級(jí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均涉及到了故障分析，但是難易程度不同，特別是高級(jí)難度，在2個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成的難度較大，需要學(xué)生在課前有充分的準(zhǔn)備，因此課前會(huì)通過Uclass發(fā)布本次實(shí)驗(yàn)課件以及實(shí)驗(yàn)的操作視頻，不但使學(xué)生對(duì)本次實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做到心中有數(shù)、降低課堂上教員演示實(shí)驗(yàn)占用的時(shí)間，而且學(xué)生可在課前進(jìn)行相關(guān)資料的查找和討論，為課堂順利開展實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，加強(qiáng)學(xué)生之間的交流，本次實(shí)驗(yàn)課在課上采用講授加研討的方式進(jìn)行。講授主要針對(duì)課前發(fā)布的視頻里面的問題進(jìn)行分析總結(jié)以及強(qiáng)調(diào)一些注意事項(xiàng)，研討問題在課前已經(jīng)發(fā)布，主要是針對(duì)不同難度等級(jí)的故障特征的分析，在研討的過程中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)難點(diǎn)進(jìn)行提示，并引導(dǎo)學(xué)生思考不同故障的建模仿真，使學(xué)生能夠掌握具體的分析方法。在這個(gè)過程中，為了提高學(xué)生的積極性和參與度，改進(jìn)以往老師單獨(dú)評(píng)分的形式，引入學(xué)生互評(píng)的方式[8]，通過綜合教師和學(xué)生的評(píng)價(jià)結(jié)果給出最終成績(jī)，在這個(gè)過程中，學(xué)生一方面加強(qiáng)了交流，另一方面提高了參與度，同時(shí)更加清楚了實(shí)驗(yàn)的目的。

（二）實(shí)踐探索效果分析

通過對(duì)逆變電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性有了明顯的提高，在教師評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生在聽取其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程時(shí)專注度有了明顯提高，研討也比較認(rèn)真，通過反饋，學(xué)生更加清楚了逆變電路在實(shí)際中具體如何應(yīng)用的，也認(rèn)識(shí)到可能存在的故障問題有哪些，并從實(shí)際中體會(huì)到了電力電子技術(shù)的重要性。但是由于故障主要依靠仿真來進(jìn)行的，因此在實(shí)際中出現(xiàn)短路或斷路故障時(shí)的效果不能直觀顯示，后續(xù)需進(jìn)一步優(yōu)化課程設(shè)計(jì)。

三、結(jié)語

在新工科背景下，作為電力電子技術(shù)課程重要組成的實(shí)驗(yàn)課，進(jìn)行了“以學(xué)生為中心”的探索實(shí)踐，通過調(diào)整教學(xué)目標(biāo)、改進(jìn)教學(xué)方式、優(yōu)化評(píng)價(jià)方式來提高學(xué)生在知識(shí)、能力、素質(zhì)等方面的收益，經(jīng)學(xué)生反饋和調(diào)研分析，“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)改革能夠提高學(xué)生參與度，激發(fā)學(xué)生的挑戰(zhàn)性，并能使學(xué)生更加深刻地體會(huì)到電力電子技術(shù)在實(shí)際中的作用和意義，以此形成良性反饋，更加認(rèn)真積極地對(duì)待學(xué)習(xí)，但是由于受學(xué)時(shí)以及設(shè)備條件等的限制，目前在故障分析檢測(cè)方面，主要依靠仿真來進(jìn)行，因此具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能直觀看到，對(duì)于故障現(xiàn)象經(jīng)驗(yàn)積累方面的設(shè)計(jì)還不充分，后續(xù)需要進(jìn)一步探索優(yōu)化。中國軍轉(zhuǎn)民

參考文獻(xiàn)

[1]李春梅，陳妍慧，尹德忠.“以學(xué)為中心”人才培養(yǎng)模式在教學(xué)中的探索[J].教育教學(xué)論壇，2021（20）：81-84.

[2]李希辰，張曉萍，邢青青.電力電子教學(xué)的管理方案分析[J].創(chuàng)新應(yīng)用，2022， 51（07）： 238-239.

[3]趙炬明.以學(xué)生為中心：當(dāng)代本科教育改革之道[M].北京大學(xué)出版社，2023：10.

[4]王煒，陳金松，趙立珍. 融合·開放·創(chuàng)新——新工科背景下以學(xué)為中心的建筑學(xué)三年級(jí)設(shè)計(jì)教學(xué)改革[J].華中建筑，2023（2）：144-146.

[5]李偉，李晶瑩.“以學(xué)為中心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].大學(xué)教育， 2021（10）：101-104.

[6]陸道榮，蔣鑫源，李星碩.電力電子教學(xué)中橋式逆變電路的講解方法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，？2023，45（06）：159-162.

[7]史敬灼.“Buck斬波電路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2021，43（2）：160-163，168.

[8]梁靜，蔣榮立，曹景沛.論“以學(xué)為中心”的課程設(shè)計(jì)[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，27（2）：43-50.

（作者簡(jiǎn)介：黃雅鑫，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，博士研究生，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)；魏永清、于飛、關(guān)清心、甄洪斌，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院）