結合仿真與實驗的項目教學法在電力電子技術課程中的應用

蘇娜 陳躍 梅盼 吳志剛

摘 要 “電力電子技術”是一門基礎性、應用性相結合的電氣專業基礎課。探索應用項目式教學法，結合仿真項目、實物制作項目以及電力電子實驗教學，利用有限的課堂教學時間，使學生系統性地掌握理論知識的同時，提高了電路分析與實踐動手能力。教學實踐表明，本文提出的教學改革有效地提高了課堂教學效果，符合地方院校的應用性人才培養要求。

關鍵詞 電力電子技術 項目式教學 課堂教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.03.052

Abstract Power Electronics Technology is a basic and applied course for electrical specialty. Explore the application of project-based teaching method， combined with simulation projects， physical production projects and power electronics experiment teaching， make use of limited classroom teaching time， so that students can systematically grasp theoretical knowledge， while improving the ability of circuit analysis and practical operation. Teaching practice shows that the teaching reform proposed in this paper effectively improves the classroom teaching effect and meets the requirements of applied talents training in local colleges and universities.

Keywords Power Electronics Technology； project teaching； classroom teaching reform

0 引言

“電力電子技術”是電氣工程及其自動化專業的一門專業基礎課，主要講述如何利用電力電子器件對電能進行控制和變換， 達到用戶需求的目的，是一門理論與實踐結合、應用性和工程性很強的課程。[1]

項目教學法是指將傳統學科體系中的知識內容轉化為若干個教學項目，圍繞著項目組織和展開教學，使學生直接參與項目全過程的一種教學方法。[2]它突破傳統的教學模式，以“任務驅動”的形式使學生主動參與教學活動，改變學生單純、被動地接受教師知識傳輸的學習方式，往往能激發學生的學習興趣，在完成項目的過程中快速掌握知識，培養動手能力、獨立獲取信息能力和自主建構知識能力，鍛煉學生的工程應用能力，很符合“電力電子技術”課程的需要。[3]

項目教學法應用的項目包括仿真項目和實物制作項目，兩者各有優缺點，仿真項目無法鍛煉學生的動手能力，不能全面提高學生的應用型能力；實物制作項目一般耗時較長，又與應用型學校理論教學學時減少的趨勢相違背。如何利用課堂教學的有限時間，盡可能地提高學生的應用型能力呢？本文探索將仿真項目、實物制作項目與實驗課程有機結合的項目式教學法，應用于“電力電子技術”的課堂教學，既可以有效掌控課堂教學進度，又能增強學生的實驗動手能力， 提高學生的技能水平。

1 項目式教學的應用

1.1 項目的選擇與設計

如何在相同學時內用項目法更好地實現教學目標，關鍵問題在于項目的選取。首先，項目的選取要緊緊圍繞教學目標又兼具實用性，將項目與教學內容編排、實驗編排結合起來，根據課程自身特點、學生特征、企業需求取舍教學內容，在完成項目的過程中學習理論知識；其次，項目的選取要有代表性，電力電子課程拓撲豐富，有限的課堂教學時間無法涵蓋所有知識點，選取的項目應能代表該部分教學內容，通過項目的實踐學生可將方法延續到后續教學內容中；[2]再次，項目的選取要難度適中，在規定的教學時間內學生在教師指導下能獨立完成，太難會挫傷學習積極性，太易會降低興趣，缺乏借鑒性，課堂紀律也難把控。

項目的設計需考慮學時、經費和實驗條件。[4]“電力電子技術”的周學時為三課時，前兩節課效果尚可，第三節課學生注意力往往容易分散，運用傳統的講授式教學效果不佳。應用項目式教學，前兩節課開展理論教學，介紹相關項目知識點，第三節課引入項目，學生在完成項目任務的過程中，鞏固理論教學成果，提高學習興趣和學習效率。開展的項目可以考慮實物制作項目和仿真項目兩類，如果開展實物制作項目，課時遠遠不夠；仿真項目需時短，成本低，操作安全、可重復，便于學生在有限的學時內完成項目實踐以及課后的學習。因此項目大部分設計為仿真項目，利用虛擬仿真實驗平臺matlab/simulink實現電路方案，模擬各種參數條件以及故障情況下的波形，完成項目任務。“電力電子技術”是一門注重實踐操作的課程，如果單靠仿真，學生不能接觸實際元器件和調試電路，無法提高實際問題的解決能力。所以項目設計上將仿真結合實驗課程內容，實驗前，學生在課堂上就搭建了實驗相關仿真模型，完成項目的同時，又對實驗進行了預習，明確了實驗的預期目標，更深入地理解電路工作原理，提前消化思考了各種實驗現象的成因。例如“直流斬波電路”模塊，我們將項目設計為“降壓＼升壓電路仿真”，仿真內容與相應的實驗“直流斬波電路的性能研究”一致，學生通過仿真熟悉了各類直流變換拓撲，方便地觀察各點實驗波形，通過改變電感值和負載電阻，觀測連續、斷續情況下的不同實驗結果，相較于單一的講授課本知識，更為形象生動。通過課堂理論講授、仿真項目練習、課后模型鞏固，再進行實驗操作驗證想法的四重學習，學生在解決實際問題的過程中完成了知識點的學習與鞏固。

在項目設計上，我們將部分驗證性實驗內容更改為設計性的實物制作項目。例如“逆變電路”部分增加了“基于stm32的單相SPWM逆變電路”這一實物制作項目。理論課堂上講授逆變電路、正弦脈寬調制、單極性以及雙極性調制、驅動電路相關原理，第三節課運用simulink軟件搭建單極性和雙極性的單相逆變器仿真模型，觀察各點波形；課后分發項目相關器件、電路板，學生在實驗課前完成電路板的焊接；實驗課堂上提供電源、示波器等裝置，指導學生開展電路調試，完成實驗設計報告。實物制作項目比一般驗證性實驗操作需要更多的經費、課時以及實驗裝置，因此項目設計上只開展1～2項該類項目。

在項目設計上，還應考慮層次的設置，可以將項目分解為由淺入深的教學情境，學生根據自己的學習能力自主選擇，這樣可以調動不同層次學生的學習積極性，都能體驗到完成項目后的喜悅和自信。例如“降壓＼升壓電路仿真”項目，我們將項目任務分成兩層，第一層任務與實驗內容一致，要求所有學生都必須完成；第二層任務為設計電感，使得電路工作在臨界狀態，完成第二層任務的學生可以獲得相應表現加分。

在項目設計上還可以考慮項目和后續課程的關聯性，例如“基于stm32的單相SPWM逆變電路”關聯后續“電力電子驅動”實訓，項目中要求學生實現電路的開環控制，實訓課程中要求學生實現電路的閉環控制。通過層層遞進式學習，加深學生對知識點的掌握。

1.2 項目的實施

根據課程的知識體系，電力電子技術課程被整合成“電力電子器件”、“直流斬波電路”、“整流電路（單相和三相）”、“逆變電路”、“交交變換電路”等幾個基本模塊，每個模塊作為一個項目。實施方案由“項目導入”、“項目實施”和“考核評價”三個環節組成。由于每個項目的教學目標不同，就應有不同的處理方式。下面簡單介紹具體實施方案。

在“項目導入”環節，任課教師的活動包括四方面內容：

（1）項目分組。項目兩人一組，因為實驗操作也是兩人一組，班級學生自由組合，教師可適當調整。便于相互之間分工合作、交流討論，調高實驗的安全性，如人數太多，存在“抱大腿”現象，不利于充分調動每位學生的學習積極性。

（2）項目預習資料發布。根據項目內容，整理出預習問題資料，上課前3～4天發放相關ppt、預習資料和項目任務。各組學生通過預習ppt了解所需知識點，完成問題解答，查閱項目相關資料，分析任務涉及的專業知識及可行性，進行課前準備工作。便于課堂開展項目時翻閱，提高學生自主學習積極性。

（3）項目相關基礎知識介紹。圍繞任務的解決而展開教學，內容力求結合課本的編排，涵蓋教學內容所有知識點，力求在完成每個項目的過程中解決理論知識點的學習，突出知識的應用性，條理清晰，把握重難點，對難點一一分析解釋其原理，重點內容反復講，并提問預習資料，有助于學生加強記憶。

（4）項目任務及目標導入。講解該項目的內容與要求，可能出現的普遍問題、展示項目結果，引導學生主動探索項目的相關知識，讓學生明確自己應當完成的具體任務和完成任務后可以得到哪些知識以及達到什么樣的水平，明確操作過程中的安全注意事項，明確具體完成時間和成果評價方式。

“項目實施”環節，分仿真項目和實物制作項目兩種情況：仿真項目在教師的引導下，應用simulink實現電路方案，完成項目任務，通過仿真觀察實驗結果，再結合實驗課程，驗證仿真結果；實物制作項目在實驗室提供平臺上進行實物制作，各組按照項目任務，繪制電路圖，設計參數，選取所需器件，制版，按照電路圖焊接器件，編寫單片機程序，進行檢測與調試，排除故障，完成項目任務。實物制作項目調試周期長，一般問題較多，教師的指導注重啟發性，引導學生去尋找問題的答案；對現場出現的普遍問題，有針對性的進行講解；總結各組對知識點的掌握上還有哪些缺陷，根據教學過程中學生的反饋和需求，查找教學中的不足，不斷改進教學方法。

1.3 考核評價

本課程的考核評價，以工程應用能力考核為核心，采取多元化考核模式，過程考核與期末考核相結合，包括基本的筆試、課堂表現加分，利用信息技術進行的小測試以及項目完成情況進行綜合評價。對項目完成情況的評價，主要由老師進行檢查評分，項目的實施和評價限定一課時內完成，對完成時間短、完成情況良好的小組進行加分，及時指出不足之處。對未能在規定時間內完成的小組，可以將項目任務布置為課后作業，根據作業情況評分。平時成績對全班同學公開，調動學生的積極性，同時也能增加學生的信心。

2 結語

結合仿真與實驗的項目教學法，經過“電力電子技術”課程一年的教學應用，并在教學過程中不斷改進完善。雖然還存在著一些有待改進的不足之處，例如項目的引入使得課堂知識點講授、習題講解時間縮短，正在嘗試增加課后線上和線下答疑時間，以及增加課前預習要點和小測試等方法幫助學生梳理學習要點。本文提出的教學方法總體上提高了理論課堂和實驗課堂的教學效率，鍛煉了學生的實踐技能，取得了較良好的教學效果。

參考文獻

[1] 張俊敏.《電力電子技術》課程改革探索[J].中國科教創新導刊，2008（20）：172-174.

[2] 張波. 基于項目教學法的電力電子技術教學[J].蘇州市職業大學學報，2012（23）：82-84.

[3] 夏志華，彭詠龍.項目驅動式教學法在《電力電子技術》課程中的應用[J].教育教學研究，2013（5）：112-113.

[4] 何林錦，翟云波，李彩亭，路培，楊春平，徐軍.項目式實驗教學模式及其可行性評價方法[J].實驗室研究與探索，2010（29）：94-96.