電力電子技術(shù)課程綜合改革與實(shí)踐

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摘要：作為電氣工程學(xué)科的核心專業(yè)課程，電力電子技術(shù)在新工科背景下的課程綜合改革乃大勢(shì)所趨。文章圍繞“理念與設(shè)計(jì)”“輔助教學(xué)方法與手段”“教學(xué)效果”等方面介紹電力電子技術(shù)課程的綜合改革與實(shí)踐，提出“引入工程實(shí)際案例及啟發(fā)性教學(xué)模式”“制作高質(zhì)量的教學(xué)課件”“實(shí)踐互動(dòng)式教學(xué)”“融入課堂思政元素”“引入仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”“實(shí)踐考試改革”等具體舉措，并付諸于實(shí)際的教學(xué)工作，取得良好效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式；實(shí)踐互動(dòng)教學(xué)；仿真實(shí)驗(yàn)；教學(xué)效果

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，系統(tǒng)部署了新工科建設(shè)工作，并提出了具體的指導(dǎo)意見，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(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展模式[1]。為了實(shí)現(xiàn)新工科建設(shè)的教育目標(biāo)，必須將傳統(tǒng)“以教師為中心”的滿堂灌教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”的引導(dǎo)式教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)實(shí)踐，通過在學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中產(chǎn)生疑惑和發(fā)現(xiàn)問題來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。課堂教學(xué)則是課程改革的主陣地，必須面向國家需求、增加課堂信息量、提高教學(xué)內(nèi)容難度、強(qiáng)化教學(xué)過程管理，以培養(yǎng)出具有獨(dú)立思考、敢于批評(píng)、敢于質(zhì)疑，有創(chuàng)新能力與創(chuàng)新思維的社會(huì)需要的時(shí)代新人為最終目標(biāo)。電力電子技術(shù)作為電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論的交叉學(xué)科，綜合性強(qiáng)且與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，大到高壓直流輸電工程、新能源發(fā)電、高鐵列車運(yùn)行與控制、航空航天，小到開關(guān)電源、家用電器等都離不開電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)課程作為電氣工程及其自動(dòng)化等本科專業(yè)的重要專業(yè)核心課程，也是教與學(xué)中有較大難度的課程。本文針對(duì)新工科背景下電力電子技術(shù)課程綜合改革進(jìn)行了探索與嘗試。

一、理念與設(shè)計(jì)的改革

在電力電子技術(shù)課程教學(xué)活動(dòng)中，以“學(xué)”為中心指導(dǎo)思想，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與能力為教學(xué)目標(biāo)，以實(shí)際工程案例或者應(yīng)用案例為每章教學(xué)內(nèi)容的引入。課堂教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)“學(xué)什么”“如何學(xué)”“如何思維”的程序性和策略性知識(shí)的傳播；課堂教學(xué)設(shè)計(jì)采用案例分析法、問題啟發(fā)式，互動(dòng)教學(xué)法、類比教學(xué)法等多種教學(xué)方法，系統(tǒng)地將電力變換電路與前后知識(shí)聯(lián)系，其他學(xué)科知識(shí)有效銜接，并結(jié)合動(dòng)畫與動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行波形分析，提高學(xué)生興趣，激發(fā)思考；同時(shí)在教學(xué)過程中引入課堂思政，把工程實(shí)際問題和課堂思政相結(jié)合，對(duì)學(xué)生進(jìn)行潛移默化的思政教育。課程設(shè)計(jì)整體思路如圖1所示。

（一）引入工程實(shí)際案例及啟發(fā)性教學(xué)模式

工科教學(xué)面臨的一個(gè)突出問題是學(xué)生在學(xué)習(xí)課程之初不知道“為什么學(xué)？”“學(xué)什么？”“怎么學(xué)？”，在教學(xué)過程中積極引入工程實(shí)際案例、將枯燥的理論教學(xué)和工程實(shí)際案例相結(jié)合無疑是激發(fā)學(xué)生興趣的有效手段，同時(shí)在課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生積極思考，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和素養(yǎng)，例如，在討論相控整流電路時(shí)，首先通過介紹高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展歷程，使學(xué)生了解相控整流電路在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況和發(fā)展前景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情；隨后在對(duì)電路進(jìn)行分析的過程中，通過知識(shí)講授、問題導(dǎo)出，創(chuàng)新意識(shí)引導(dǎo)等環(huán)節(jié)[2]讓學(xué)生掌握電路的分析方法；最后再結(jié)合高壓直流輸電系統(tǒng)[3]仿真進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，加深學(xué)生的理解。相控整流電路分析的啟發(fā)性教學(xué)思維導(dǎo)圖如圖2所示。

（二）制作高質(zhì)量的教學(xué)課件

電力電子技術(shù)課程是以電路波形分析為主線的，傳統(tǒng)的板書及課件不能展示波形的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，波形變化也不能與電路中開關(guān)的動(dòng)作有效對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致學(xué)生難以把握電力電子電路的工作原理，因此結(jié)合動(dòng)畫展示的教學(xué)課件更能適合課堂教學(xué)的需求。通過動(dòng)畫設(shè)計(jì)一步步直觀展示各種元器件動(dòng)作瞬間，電路參數(shù)變化和波形圖，將課本上大量枯燥的文字?jǐn)⑹鲎優(yōu)樯鷦?dòng)形象的圖形、數(shù)據(jù)，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及加深對(duì)電力電子電路工作原理的分析與理解。

（三）實(shí)踐互動(dòng)式教學(xué)

在教學(xué)活動(dòng)中，教師滿堂灌的填鴨式教學(xué)方法已不再適應(yīng)新形勢(shì)下的教學(xué)要求，學(xué)生是課堂的主體，需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性參與課堂活動(dòng)。本課程充分利用“課堂派”智慧教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行課上、課中、課下的智慧教學(xué)，每節(jié)課根據(jù)教學(xué)內(nèi)容節(jié)點(diǎn)設(shè)置2~3次課堂互動(dòng)，將核心知識(shí)點(diǎn)以答題形式進(jìn)行及時(shí)回顧，注重實(shí)效、彌補(bǔ)不足，課堂互動(dòng)參與情況如圖3所示。

（四）融入課堂思政元素

“以學(xué)生為中心”的教育理念，是教育應(yīng)以有利于學(xué)生的發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，該思想與“課程思政”在價(jià)值上具有內(nèi)在的統(tǒng)一性，教師需要將積極的世界觀、人生觀、價(jià)值觀、堅(jiān)定的意志，清晰的邏輯、過硬的專業(yè)素質(zhì)潛移默化地貫穿進(jìn)知識(shí)傳授過程[4]。為此，在電力電子技術(shù)課程中深入挖掘課程思政的德育元素，將更多的“思政點(diǎn)”融入課程教學(xué)環(huán)節(jié)中。例如，在相控整流電路的討論中，通過引入高壓直流輸電的工程案例，介紹世界和我國高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展歷史，使學(xué)生理解核心技術(shù)不能受制于人，堅(jiān)定獨(dú)立自主、不斷創(chuàng)新的發(fā)展理念；再如，分析各類電力電子器件的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)引入辯證法思維，考慮問題要全面，不能片面的看待、分析問題；在逆變電路分析通過宏觀尺度與微觀尺度的對(duì)比，使學(xué)生更好地理解PWM控制的基本原理等[5]。每一堂課通過點(diǎn)滴的思政元素達(dá)到潤物無聲的效果。

二、輔助教學(xué)方法與手段的改革

（一）引入仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

電力電子技術(shù)是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力與理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)，課堂教學(xué)要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，因此實(shí)踐環(huán)節(jié)必不可少[6]。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備老舊、形式單一、內(nèi)容僵化等問題，且不受時(shí)間與空間的限制，更滿足新工科建設(shè)的內(nèi)涵與特征。同時(shí)引入電路仿真環(huán)節(jié)后，學(xué)生由開始不會(huì)使用軟件，到通過多渠道學(xué)習(xí)，最終成功搭建電路、設(shè)計(jì)參數(shù)、驗(yàn)證電路拓?fù)涞墓δ?，可以獲得滿足感和成就感，學(xué)習(xí)興趣和效率都會(huì)得到很大程度的提高。

（二）實(shí)踐考試改革

考試是對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)、掌握情況的綜合評(píng)價(jià)，不能以一張考卷決定學(xué)生成績，也不允許學(xué)生抱有考前突擊就取得高分的僥幸心理，本課程最終的課程成績由平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課堂小測(cè)和期末成績組成，按照平時(shí)作業(yè)10%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告10%、課堂表現(xiàn)及小測(cè)10%和期末成績70%的比例分配。課堂小測(cè)是每節(jié)課都會(huì)有的教學(xué)環(huán)節(jié)，既能讓教師及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的掌握情況，又能讓學(xué)生提高課堂注意力，及時(shí)掌握每節(jié)課討論的重點(diǎn)內(nèi)容。同時(shí)，期末試題緊密聯(lián)系工程實(shí)際，考察學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，從工程實(shí)際入手，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析[7]。

三、教學(xué)效果

抓基礎(chǔ)，重實(shí)踐，以工程應(yīng)用為背景，課題組對(duì)電力電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容都進(jìn)行了課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的應(yīng)用，學(xué)生們反響良好。課堂學(xué)生評(píng)價(jià)情況如圖4所示，學(xué)生評(píng)分高達(dá)97.39分，滿意度很高；2019-2020學(xué)年與2020-2021學(xué)年電力電子技術(shù)課程的學(xué)生成績對(duì)比情況如圖5所示，從圖中可以看出，高分?jǐn)?shù)段學(xué)生人數(shù)顯著增加。

四、結(jié)束語

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科的一門核心專業(yè)課程，其綜合改革在新工科背景下乃大勢(shì)所趨，本文對(duì)此進(jìn)行了探索與嘗試[8]。圍繞“理念與設(shè)計(jì)”“輔助教學(xué)方法與手段”“教學(xué)效果”等方面介紹了具體的改革措施與實(shí)踐，提出了“引入工程實(shí)際案例及啟發(fā)性教學(xué)模式”“制作高質(zhì)量的教學(xué)課件”“實(shí)踐互動(dòng)式教學(xué)”“融入課堂思政元素”“引入仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”“實(shí)踐考試改革”等具體方法。在實(shí)施上述改革后，學(xué)生的成績得以提高、高分段學(xué)生占比提升、學(xué)生的課程滿意度也大幅提高，這表明了電力電子技術(shù)綜合改革的良好成效與必要性。

作者:孫麗玲 李建文  董淑惠 田艷軍 單位:華北電力大學(xué)（保定）電氣與電子工程學(xué)院