解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)研究

0 引言

電力電子技術(shù)課程的核心知識是電能的變換與控制，涉及半導(dǎo)體、電工、電子、控制等多領(lǐng)域知識。電力電子技術(shù)課程具有顯著的基礎(chǔ)性和理論性特征，對學(xué)生的實(shí)踐能力也有很高要求[]?！豆こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》是我國現(xiàn)行的工程教育本科專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，其中在涉及工程知識、問題分析、設(shè)計(jì)／開發(fā)解決方案等畢業(yè)要求中，均要求學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力[2-4]。

目前，我國高校大部分電力電子技術(shù)課程仍然采取“你講我聽”的單向灌輸式授課方式。由于電力電子技術(shù)覆蓋面廣，涉及各類強(qiáng)電和弱電等，這種授課方式導(dǎo)致實(shí)物演示教學(xué)環(huán)節(jié)缺失，無法突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，與《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》的要求有較大差距[5]。從實(shí)踐來看，考慮到電力電子系統(tǒng)安全性和系統(tǒng)復(fù)雜性等因素，真正能讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)動手實(shí)踐的教學(xué)環(huán)節(jié)占比較小，導(dǎo)致課程的實(shí)踐性較弱。此外，因缺乏有效的引導(dǎo)與訓(xùn)練，極大地抑制了學(xué)生在電力電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)中的主觀能動性。這與教學(xué)改革要求不相適應(yīng)，也不符合《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的要求[4，6-8]。

本文圍繞電力電子技術(shù)課程特點(diǎn)，從課程教師團(tuán)隊(duì)優(yōu)化、教學(xué)大綱改進(jìn)、課程教學(xué)方法改革、電力電子技術(shù)虛擬和實(shí)物訓(xùn)練平臺建設(shè)、課程學(xué)習(xí)評價(jià)改革與教學(xué)質(zhì)量改進(jìn)幾個(gè)方面，對如何促進(jìn)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)進(jìn)行探討。

1 課程教師團(tuán)隊(duì)優(yōu)化

教師團(tuán)隊(duì)須轉(zhuǎn)變以課本為中心的教學(xué)理念，正確理解我國工程教育認(rèn)證以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的理念，不斷學(xué)習(xí)并引入一些新的教學(xué)方法，如STEM、CDIO等，實(shí)現(xiàn)以解決專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，強(qiáng)化教學(xué)中的工程背景和技術(shù)應(yīng)用，充分考慮復(fù)雜工程問題中常見的非技術(shù)約束，從多維優(yōu)化的角度對包括經(jīng)濟(jì)、社會、人文、法律各個(gè)層面的因素進(jìn)行綜合考慮，并一一映射到電力電子相關(guān)工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)中，有效提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 教學(xué)大綱改進(jìn)

傳統(tǒng)教學(xué)大綱存在重理論輕實(shí)踐等問題，導(dǎo)致課中和課后都缺乏對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，更談不上對復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)。例如，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)往往大篇幅講述晶閘管的應(yīng)用、工頻逆變的分析等，這與生產(chǎn)實(shí)踐中對以變頻器、光伏逆變器為代表的高頻高效電力電子設(shè)備之間存在較大差距。因此，在課程教學(xué)改革中，須根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和工程教育認(rèn)證要求，從成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)的角度突出對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，進(jìn)一步改進(jìn)和完善電力電子技術(shù)教學(xué)大綱。

3課程教學(xué)方法改革

布魯姆將認(rèn)知思維目標(biāo)從低到高分解為六個(gè)層級：識記（記憶）、理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)、創(chuàng)造。目前高校教學(xué)主要通過課堂講授方式進(jìn)行，這種教學(xué)方式的不足在于課本上固定的教學(xué)方法和思路無法體現(xiàn)復(fù)雜工程問題，進(jìn)而導(dǎo)致對學(xué)生分析、評價(jià)、創(chuàng)造等高層次認(rèn)知能力的培養(yǎng)效果不理想。

3.1 案例教學(xué)法

從教學(xué)大綱規(guī)定的基本概念和基礎(chǔ)知識出發(fā)，以案例提供的材料和問題為中心進(jìn)行討論和分析，引導(dǎo)學(xué)生做出判斷和決策，讓學(xué)生利用基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題，進(jìn)而訓(xùn)練他們的高層次認(rèn)知能力。由于電力電子技術(shù)已經(jīng)在新能源、電動汽車、電源等常見系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)踐性強(qiáng)，適合采取案例教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)。圖1為典型并網(wǎng)型光伏逆變系統(tǒng)構(gòu)成，教師可以通過對光伏逆變系統(tǒng)的案例分析，將常見的電力電子基本拓?fù)淙谌牍こ虘?yīng)用，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.2基于項(xiàng)目引領(lǐng)的教學(xué)法

該教學(xué)方法注重培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的能力，這正是解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的內(nèi)在目的。例如，引導(dǎo)學(xué)生在基本電力電子技術(shù)分析平臺，通過對系統(tǒng)輸出電流的測量和分析快速掌握電流實(shí)際波形，理解占空比變化和開關(guān)管的開關(guān)頻率與電流之間的關(guān)系，從實(shí)際例子中掌握電感的儲能與釋能。電力電子輸出電流的測量和分析如圖2所示。

結(jié)合電力電子技術(shù)課程的特點(diǎn)和新版教學(xué)大綱，將教學(xué)內(nèi)容圍繞一個(gè)具體項(xiàng)目展開，從抽象的系統(tǒng)指標(biāo)入手進(jìn)行層層分解，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率計(jì)算、電壓電流計(jì)算、開關(guān)器件的應(yīng)力計(jì)算、損耗計(jì)算和型號選擇等，鞏固學(xué)生對課程基礎(chǔ)知識的掌握。

3.3以競賽為驅(qū)動的教學(xué)法

“競賽驅(qū)動”是對學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)、提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作創(chuàng)新能力的有效手段，是一種以學(xué)生為中心的實(shí)踐型教學(xué)形式。電力電子類競賽涵蓋面寬、綜合性強(qiáng)，能較全面地對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力進(jìn)行檢驗(yàn)。電力電子類競賽題目，如電機(jī)驅(qū)動、電源、智能電網(wǎng)等，來源于生產(chǎn)生活實(shí)際又具備集成性和復(fù)雜性，相關(guān)知識點(diǎn)涵蓋模擬電路、數(shù)字電路、功率電路、控制論、磁性技術(shù)等眾多學(xué)科，體現(xiàn)了學(xué)科間的交叉和融合。各個(gè)知識點(diǎn)之間既獨(dú)立又統(tǒng)一，能體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的特點(diǎn)。

針對全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽等常見賽事，平時(shí)有針對性地進(jìn)行題目設(shè)計(jì)和更新，對相應(yīng)指標(biāo)或要求進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)這些題目與電力電子技術(shù)課程知識點(diǎn)的主映射。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合其他通識課程和專業(yè)課程進(jìn)行細(xì)化，形成概念到實(shí)物的轉(zhuǎn)化，通過仿真、編程、調(diào)試、測試、修改和分析等環(huán)節(jié)，鍛煉學(xué)生的動手能力，理解電力電子技術(shù)課程各知識點(diǎn)之間、電力電子技術(shù)課程與其他課程之間的有機(jī)聯(lián)系。同時(shí)，通過賽后總結(jié)，指導(dǎo)教師和課程組等根據(jù)情況對教學(xué)大綱和培養(yǎng)計(jì)劃等進(jìn)行修訂。“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促練”，采用以競賽為驅(qū)動的教學(xué)法將課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合，有效培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力。

4電力電子技術(shù)虛擬和實(shí)物訓(xùn)練平臺建設(shè)

首先，考慮到電力電子技術(shù)實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用的復(fù)雜性和多樣性，如變頻器、電源、新能源發(fā)電系統(tǒng)等，對各個(gè)應(yīng)用進(jìn)行分析和歸類后，電力電子技術(shù)訓(xùn)練平臺在建設(shè)過程中堅(jiān)持盡量接近實(shí)物的原則。現(xiàn)在很多訓(xùn)練平臺過于注重操作的簡易性，采用了不少“傻瓜式”的封閉型插線式實(shí)驗(yàn)辦法，導(dǎo)致系統(tǒng)特性無法隨意改變、控制方式單一，嚴(yán)重脫離電力電子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，不利于學(xué)生掌握并靈活運(yùn)用電力電子技術(shù)中重要的開關(guān)器件、驅(qū)動等知識，限制了對學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。其次，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用DSP、ARM、FPGA等處理器實(shí)現(xiàn)控制，但是這種比較敏感和易損的環(huán)境給實(shí)驗(yàn)教學(xué)或創(chuàng)新時(shí)進(jìn)行二次開發(fā)造成了困難。學(xué)生不僅要掌握實(shí)驗(yàn)原理、控制策略和代碼編寫，還需熟悉處理器內(nèi)部資源和外設(shè)電路。這種開發(fā)模式下控制策略的算法代碼不易編寫，不能與控制理論系統(tǒng)框圖進(jìn)行對照，易出錯(cuò)且難于查找改正，控制信號調(diào)節(jié)困難，開發(fā)周期較長。

為此，可以考慮在PC平臺上引入一些實(shí)時(shí)快速原型和半仿真的如RT-LAB等硬件實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)一步加強(qiáng)對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。在鞏固電氣類、自動化類學(xué)生電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的同時(shí)，加強(qiáng)對學(xué)生的行業(yè)背景訓(xùn)練，強(qiáng)化其工程設(shè)計(jì)和工程創(chuàng)新意識，培養(yǎng)他們解決復(fù)雜工程問題的能力，從而提高高校本科工程教育質(zhì)量。

5課程學(xué)習(xí)評價(jià)改革與教學(xué)質(zhì)量改進(jìn)

隨著各類產(chǎn)業(yè)的迅速升級，本科院校學(xué)生學(xué)習(xí)效果評價(jià)體系越來越受關(guān)注。傳統(tǒng)單一的學(xué)習(xí)效果評價(jià)體系已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前對工程教育的要求和對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的需求。因此，對學(xué)習(xí)效果評價(jià)體系改革具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。針對電力電子技術(shù)課程目標(biāo)，需要結(jié)合電力電子技術(shù)基本元素如開關(guān)器件、電路拓?fù)?，以及通過相關(guān)電路、調(diào)制和控制實(shí)現(xiàn)特定功能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的考核與評價(jià)方式。除了考核學(xué)生對電力電子知識點(diǎn)的掌握情況外，還應(yīng)考核學(xué)生從電力電子系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)（如效率、功率密度等）分析、解決問題的能力。對課程中學(xué)生創(chuàng)新能力的考核，應(yīng)結(jié)合課堂討論和實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)評價(jià)等方式進(jìn)行，從個(gè)性化、多元化的角度，實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)學(xué)習(xí)效果評價(jià)體系改革。

一方面，在課程和實(shí)踐教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)，通過作業(yè)、考試、報(bào)告、項(xiàng)目和競賽等手段，跟蹤分析學(xué)生電力電子技術(shù)課程目標(biāo)分項(xiàng)達(dá)成情況，并針對總結(jié)出來的主要問題修正下一年度課程教學(xué)相關(guān)措施，由此形成閉環(huán)式的電力電子技術(shù)課程教學(xué)體系。在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，需要堅(jiān)持以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力為導(dǎo)向并采取多元過程性評價(jià)。另一方面，通過加強(qiáng)校內(nèi)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控、收集畢業(yè)生或用人單位（尤其是電氣類或自動化類企業(yè)）的反饋，適時(shí)評價(jià)電力電子技術(shù)教學(xué)大綱的達(dá)成度及其合理性，改進(jìn)課程體系和課程目標(biāo)，從而持續(xù)提高課程教學(xué)質(zhì)量。

6 結(jié)束語

電力電子技術(shù)課程涉及半導(dǎo)體學(xué)、電工理論、電子學(xué)、控制理論、磁技術(shù)、數(shù)字信號處理等，是一門實(shí)踐性和理論性都非常強(qiáng)的課程，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。在電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革中應(yīng)依托但不依賴課本，圍繞案例、項(xiàng)目等對課程的重要知識點(diǎn)進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生從解決復(fù)雜工程問題的角度思考并掌握各個(gè)知識點(diǎn)之間的關(guān)系。從實(shí)訓(xùn)的角度加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)電力電子技術(shù)虛擬和實(shí)物訓(xùn)練平臺，教師團(tuán)隊(duì)通過科研促進(jìn)電力電子技術(shù)課程教學(xué)，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)評價(jià)體系中堅(jiān)持以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，同時(shí)考慮學(xué)生和電力電子技術(shù)各類工程項(xiàng)目的個(gè)性化、多元化等特點(diǎn)，從而為提高電氣工程、自動化等專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問題能力提供有效支撐。

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