电力电子技术线上线下协同教学措施

［摘要］以工程教育专业认证对创新型人才和复合型人才培养的要求为目标，基于工程教育专业认证的“成果导向”“以学生为中心”“持续改进”三大理念，对“电力电子技术”教学过程中复合型人才培养模式进行了改革和探索，从“电力电子技术”课程知识点的更新，讲课方式的多样性，线上探讨的组织以及科研项目、竞赛的补充等方面探讨了学生分析问题能力与解决复杂工程问题能力全面提升的具体措施。实践表明，电力电子技术线上线下协同教学的改革与实践对于当前该课程教学质量与效果的提高具有显著促进作用。

［关键词］电力电子；工程认证；教学改革

一、引言

电子信息与电气工程类专业工程教育认证补充标准指出“电气工程及其自动化专业的专业基础知识领域：包括电机学、电力电子技术、电力系统基础等知识领域的核心内容”。可以看出，电力电子技术在电气工程及其自动化专业人才培养中十分重要，其理论性和实践性强，广泛应用于电力系统直流输电、新能源发电等领域[1]。重庆邮电大学“电力电子技术”课程是电气工程及其自动化专业（重庆市一流专业）、自动化专业（部级特色专业、国家一流专业）、智能电网信息工程专业的一门重要专业核心课程。该课程于2009年建设成为校级重点课程，当时即建立了“电力电子技术课程网站”，2018年立项为学校“翻转课堂教学模式试点课程”，2019年建设成为重庆市高校精品在线开放课程，该在线平台提供了丰富的课程教学资源，包括45个知识点教学视频、授课教师简介、课程介绍、教学大纲、电子课件、习题库、作业以及答疑讨论等，方便学生课外进行扩展性学习和互相交流，学生可在线观看视频进行课程学习，在线提交作业，教师可在线批改作业，在线进行课程测试，在线进行答疑讨论。

二、存在的主要问题

（一）教学形式单一，缺乏互动性

“电力电子技术”课程内容涉及电路原理、模电、数电、自动控制原理等理论基础，生僻概念多、原理深奥，教学内容中还包含大量的公式推导，波形特征分析等，导致教师的教学激增，学生上课疲于记笔记，只能被动接受知识点，参与互动交流的机会少[2]。在教学形式上，教师依旧是课程的主导者，以完成教学内容为目标，讲授知识点过多过细，重点不够突出，无法体现以学生为中心的工程教育专业认证的教学指导思想，课堂成了“填鸭式”的灌输知识、复制知识的过程，课堂沉闷，缺乏互动[3]。

（二）教学内容陈旧，缺乏前沿性

目前“电力电子技术”教学内容主要包含：电力电子器件、四种变流技术、PWM技术和软开关技术。教材仍以晶闸管为主线讲述上述内容，约占总体教学任务的1/3～1/2，然而晶闸管属于半控型器件，以该器件为核心的电力电子装置具有功率因数低、谐波成分大的缺点[4]，主要应用于20世纪90年代之前，随着具有开关频率高、驱动简单等优点的IGBT和MOSFET等全控型器件的产生，晶闸管的应用呈下降甚至淘汰的趋势[5]。然而，教材对于目前主流的电力电子变频技术、开关电源技术涉及很少，当前的教学内容无法反映电力电子行业最新的学术热点、新的技术成果，不具备前沿性[5]。

（三）教学实验固化，缺乏应用性

“电力电子技术”课程是一门理论与实验相结合的课程，在掌握基础理论知识后，需开展实验教学，然而当前存在实验教学课时少，实验条件差，实验教学超前于理论教学以及实验内容与实际脱节等问题[6，7]，如：当前实验内容常为晶闸管触发、交流调压等少数简易实验，且多为验证性或演示性实验，而实际中通常采用PWM整流、Cuk斩波、Sepic斩波或Zeta斩波电路、开关电源等，导致学生只能无法将理论应用于实际，学习积极性很低。

三、“电力电子技术”改革目标

基于工程教育专业认证的成果导向、以学生为中心、持续改进的基本理念，更新“电力电子技术”课程教学内容，改革教学方式和教学模式，实现线下讲授与线上讨论协同配合的教学创新，进而提高学生自主学习水平，增强其解决复杂工程问题的能力，达到学生知识、能力以及素质全面跃升的目的。如图1所示，具体研究目标如下：（1）改革线下课程知识，丰富课堂教学资源，达到具备综合创新能力的人才培养要求。（2）改革线下讲授方式，以工程实际案例为依托，贯穿式讲授电力电子变化技术。（3）开展课程知识线上探讨，建立交互式学生讲解与小组讨论的教学机制。（4）开展科研训练线上讨论，激励学生自主探索和创新，实现线上线下协同配合。

四、“电力电子技术”主要改革措施

在工程教育专业认证的背景下，基于CDIO（Conceive、Design、Implement和Operate）模式，构建线下讲授与线上讨论相结合的协同教学模式，如图2所示，形成知识、能力以及素质全方位提升的教学体系，具体措施如下。

（一）线下讲授

1.改革线下课程知识。“电力电子技术”课程的核心内容包括电力电子器件介绍、四种换流技术、两种控制技术以及当前电力电子技术应用和发展状况。传统的教科书知识、内容陈旧老化，无法适应当下电力电子技术更新迭代速度，故提出对线下课程知识进行全新规划，实现理论知识自更新教学方案。首先在课程设置上面，以学生学习为中心，以学生全面发展为目标，提出从以教科书本为主的教学方式向以时代化书本知识方式转变。时代化书本知识区别于传统教科书，需要任课老师实时了解专业科技动向和专业理论应用动向，结合传统教科书中知识点准确定位书本理论知识发展时代和应用时代以及当下替换技术，使单独的知识点不再孤立，每个知识以时代为轴呈线性展开，更利于学生接受与记忆。其次，根据课程学时安排把“电力电子技术”划分为课堂必学、课下自学、章节选学三个有效组合部分，对于课堂必学部分任课老师应充分发挥时代化书本知识模式，紧紧围绕现代科技环境进行时代化理论知识教学，从而解决的教科书本知识内容陈旧老化的问题，提高学生理解和接受电力电子技术理论知识体系的效率，使学生更全面地掌握相关理论知识。2.改革线下讲授方式。针对传统的照本宣科与照着PPT直接宣读讲授方式的缺陷，提出线下讲授方式改革方案。首先对“电力电子技术”建立电力电子系统授课观念，根据学生专业课程规划，结合先期课程与后续未进行课程的连续性，将先期所学电路分析、模拟电子和后期未学课程电机拖动原理、电力系统、运动控制系统等与本课程知识点相结合，从系统的观点和角度形成有机的课程体系，从而避免对“电力电子技术”知识点的孤立讲解，使每个知识章节以专业课程为轴进行线性展开，让学生知道学为何用，学为所用，有效地避免学习的盲目性和从动性。其次，开展启发式与思考式授课方式，根据电力电子系统授课观念，把电力电子理论知识系统与实物案例进行结合。以UPS电源为教学案例，如图3所示，技术理论涉及电路原理、集成电路、电力电子技术、闭环自动控制原理、变压器技术等几个课程理论。老师可以根据UPS电源实际工作原理与所涉及课程理论进行启发式授课，即先对实物进行演示，再提出问题和质疑，再进行原理剖析与系统实验仿真。如UPS电源的输出电压是怎么稳定的？其工作频率是怎么确定的？等技术问题，对学生们进行启发思考。然后针对今天的疑问进行今天课程的学习与理论的剖析，从而使本节课的学习更具有目的性，提高了学生听课的积极性，培养了学生的逻辑思维能力和创新能力。

（二）线上讨论

1.课程知识线上探讨。针对“电力电子技术”概念较多、涉及知识较广、教学内容含有大量的公式推导以及波形分析，即使在新改革知识理论体系下和讲授方式下，仍然存在许多学生在课上无法完全对所学知识内容吸收消化，导致课后复习回顾时又忘记课上老师的讲解。鉴于此，任课老师组织录制电力电子线上课程，将课程上传至校园专用网站，学生可通过个人账号进行网页登录，开展预习或复习，让课堂的知识得以复现。课堂结束后或网课视频预习任务结束后，开展线上知识讨论，把每个班级的所有学生分成固定组，基于腾讯会议、QQ等平台定时进行分组学术研讨、交流，授课老师在每组巡回指导，解决学习过程中的疑难问题和共性问题。此方式既节约了线下课堂时间也充分发挥线上学习的便利、高效等优点。此外，每次课后任课教师布置相关课程知识点，如UPS电源工作原理，引导学生进行线上讲解，并对学生讲授内容进行点评和补充，从而提高老师的教学效率，增强学生对课程知识的参与感。2.科研训练线上讨论。当前“电力电子技术”课程线下课时少、教学内容量大，又需要结合实验进行实践教学。为增加学生的科研实践任务量，有效提高电力电子工程应用性教学，从工程应用角度出发，结合实际教学大纲和课上授课内容开展线上科研训练讨论。首先，由授课教师拟定数个电力电子技术相关的科研项目子课题，班级内所有学生自由组队，每队规定2～3人，并任命一人为组长带领团队进行科研项目子课题研究，每次课题研究周期为2周，一学期进行2次，课题内容涉及电力电子器件、开关电源设计、PWM控制技术等应用，开展线上子课题研究进度讨论，指导老师对每个科研组进行定时指导监督以及提供技术解答，从而保证课题的有效推进。其次，鼓励学生参加相关学科竞赛，如全国大学生电子设计竞赛、“挑战杯”、全国大学生机器人大赛等，授课老师可以对于电力电子技术领域作实践指导，开展线上科研竞赛组会，把科研实践活动搬移到线上进行，实现线上线下科研实践活动有机结合，培养学生科研兴趣、提高科研效率，进而提高学生的电力电子专业素养。

五、结语

以工程教育专业认证对创新型人才和复合型人才培养的要求为目标，围绕课程知识优化，讲授方式改进，线上理论知识探讨以及科研训练辅导等方面开展“电力电子技术”线上线下协同配合的教学改革与实践，构建知识、能力以及素质三位一体的复合型教学体系，提升学生学习的参与性、积极性以及主动性，增强学生课程知识的获得感，实现学生工程实践能力的全面提高。

参考文献

［1］胡国珍,马学军,徐滤非.面向应用型实践人才培养的电力电子技术实践创新平台研制［J］.实验技术与管理,2017，34(1):33-37.

［2］张春慧,宗哲英,王利娟,等.“电力电子技术”课程设计过程管理体系建设与研究［J］.实验技术与管理,2020,37(3):182182-184.

［3］马双宝,游长莉,游青华,等.基于OBE理念的电力电子技术课程教学改革［J］.实验技术与管理,2020,37(8):22-25.

［4］丁广乾,张嵩,龚宇雷,等.“电力电子技术”以应用能力培养为核心的案例教学法研究［J］.教育教学论坛,2019(49):153-154.

［5］王凯,周圣哲,李玉浩,等.电力电子技术多元化创新型教学模式探索［J］.实验室研究与探索,2019,38(7):173-175.

［6］马辉,李文静.“多模式、梯度性、信息化”的电力电子技术实践教学体系研究［J］.电气电子教学学报,2020,42(4):162-166.

［7］陈怡,南余荣.引入启发创新模式的电力电子技术实验教学改革［J］.实验技术与管理,2017,34(2):28-30.

作者：邹密 赵岩 单位：段盼重庆邮电大学