“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革

張瑩文， 劉亞琳， 王賢立， 門(mén)三義， 陳 菲

(洛陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471934)

0 引言

“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”屬于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，是電力電子與電力傳動(dòng)方向的專業(yè)核心課程。凡是在使用電源的裝置和設(shè)備中，開(kāi)關(guān)電源都有用武之地，從民用電器到工業(yè)設(shè)備及軍事裝備等各個(gè)領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用無(wú)處不在[1～3]。

“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程不但涉及到繁復(fù)的系統(tǒng)理論推導(dǎo)分析，而且工程實(shí)踐性很強(qiáng)。我院在本課程開(kāi)設(shè)過(guò)程中積極探索，勇于創(chuàng)新，從理論到實(shí)踐全面開(kāi)展教學(xué)改革研究。

1 課程教學(xué)問(wèn)題分析

隨著社會(huì)進(jìn)步，應(yīng)用型高校數(shù)量逐漸增多，如何提升應(yīng)用型高校的人才培養(yǎng)質(zhì)量成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[5]。作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的方向限選課，“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程在培養(yǎng)電力電子與電力傳動(dòng)方向的人才中起著重要作用。

人才培養(yǎng)應(yīng)以職業(yè)需求為導(dǎo)向[4]，但在“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，存在著諸多問(wèn)題。教師上課時(shí)只是進(jìn)行純理論講解和一大堆公式的推演，滿堂灌痕跡嚴(yán)重，課堂教學(xué)效果不好，學(xué)生參與度低，易走神，課后學(xué)生頂多做做習(xí)題，甚至沒(méi)有習(xí)題，這就造成一種“平時(shí)玩樂(lè)課堂，期末臨時(shí)抱佛腳”的局面。教育部部長(zhǎng)陳寶生曾表示，中國(guó)教育“玩命的中學(xué)、快樂(lè)的大學(xué)”的現(xiàn)象應(yīng)該扭轉(zhuǎn)[6]。

歸結(jié)起來(lái)為：教學(xué)手段陳舊、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)缺失、教學(xué)質(zhì)量考核方式死板，是這門(mén)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題。

2 課程教學(xué)改革關(guān)鍵要素及實(shí)施

基于上述分析，我院的“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)改革主要體現(xiàn)在教學(xué)方式、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)和教學(xué)質(zhì)量考核三個(gè)方面。在教學(xué)方式上加入雨課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；在理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上增設(shè)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程，分為兩方面，一是基于Saber平臺(tái)的開(kāi)關(guān)電源仿真，二是增設(shè)數(shù)字化控制的研究型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程加深學(xué)生對(duì)開(kāi)關(guān)電源理論知識(shí)的理解，并提升分析解決問(wèn)題能力。教學(xué)質(zhì)量考核方面，在傳統(tǒng)期末考試基礎(chǔ)上增加制作實(shí)物的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生內(nèi)化知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的能力，并利用雨課堂提升考核時(shí)過(guò)程性評(píng)價(jià)的比重。

2.1 雨課堂

雨課堂是清華大學(xué)推出的基于互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的智慧教學(xué)工具，其軟件界面全部基于微信和PPT，具有5大功能要點(diǎn)，目前已在各高校大力推廣[7,8]。

“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程在教學(xué)過(guò)程中采用雨課堂，使學(xué)習(xí)過(guò)程新鮮有趣，圖1是“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的雨課堂教學(xué)手機(jī)界面。使用雨課堂具體如下，課前通過(guò)雨課堂推送相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的小視頻、學(xué)科前沿資料等，并向?qū)W生提出思考問(wèn)題，促使學(xué)生提前預(yù)習(xí)，這樣課堂時(shí)間朝著課外延伸。課堂上進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解，并利用雨課堂與學(xué)生互動(dòng)，如學(xué)生發(fā)彈幕、雨課堂問(wèn)題搶答、PPT“不懂”反饋等，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂熱情，大大提升學(xué)生課堂參與度。課后發(fā)布習(xí)題和小測(cè)試，便于學(xué)生鞏固復(fù)習(xí)，掌握重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)可以根據(jù)小測(cè)試統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，以便及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容和授課進(jìn)度。

圖1 “開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的雨課堂手機(jī)界面

另外，在整個(gè)雨課堂的教學(xué)過(guò)程中會(huì)自動(dòng)采集每個(gè)學(xué)生的所有學(xué)習(xí)行為，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化。雨課堂量化的數(shù)據(jù)結(jié)果可以作為教學(xué)質(zhì)量考核的一部分，從而提升期末考核的過(guò)程性評(píng)價(jià)比重。

2.2 實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程

純理論學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味，教學(xué)效果欠佳，而需要?jiǎng)邮植僮鞯膶?shí)踐實(shí)訓(xùn)則能激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣，實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程是整個(gè)教學(xué)體系的一個(gè)重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力發(fā)揮著巨大作用，為他們今后從事技術(shù)工作、科研工作等奠定基礎(chǔ)[10]。

“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程則開(kāi)設(shè)了獨(dú)立的36課時(shí)的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程，包括仿真和研究型實(shí)驗(yàn)，從而增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

1) 基于Saber的開(kāi)關(guān)電源仿真

Saber是Synopsys公司的一款可用于多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真軟件，相較于Matlab和Pspice更適用于開(kāi)關(guān)電源仿真[11]。

以單端反激變換器為例，具體仿真如下：

首先基于Saber Sketch界面搭建原理圖，并進(jìn)行電路元器件的參數(shù)計(jì)算和設(shè)置，最后運(yùn)行和調(diào)試仿真模型。圖2是在Saber Sketch 界面搭建的原理圖，其中變壓器原邊、開(kāi)關(guān)管和直流400V電源組成反激變換器主電路一次側(cè)，變換器二次側(cè)包括變壓器次邊、整流二極管、穩(wěn)壓濾波電容和負(fù)載電阻，而并在變壓器原邊的二極管D1、電容C1和電阻R1三個(gè)元器件則組成了Snubber吸收電路。

圖2 Saber Sketch 界面原理圖搭建

然后，在Cosmos Scope界面查看仿真結(jié)果波形并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖3是基于Cosmos Scope界面的仿真結(jié)果，分別為反激變換器輸出電壓Vo、輸入電壓Vin、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形Vgs和兩端壓降Vds。

(a) 輸出電壓Vo、輸入電壓Vin

通過(guò)Saber平臺(tái)對(duì)全橋變換器進(jìn)行仿真，一方面加深對(duì)其工作原理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還便于探討和分析當(dāng)改變開(kāi)關(guān)管占空比和變壓器變比等參數(shù)時(shí)反激換器的狀態(tài)變化，比如如何減小輸出電壓的紋波等，另一方面在仿真中拓寬學(xué)生專業(yè)知識(shí)面，比如認(rèn)識(shí)這里的Snubber電路，分析比較加入Snubber電路時(shí)和未加入時(shí)反激變換器的工作狀態(tài)異同等，從而提升學(xué)生對(duì)問(wèn)題的分析和解決能力。

2) 數(shù)字化控制研究型實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程通常采用“三定式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即按照規(guī)定好的實(shí)驗(yàn)路線和步驟，使用規(guī)定的儀器儀表，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，這極大地限制了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造能力[10]。

一門(mén)好的“金課”應(yīng)體現(xiàn)出學(xué)科前沿性[9],“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程則開(kāi)設(shè)了數(shù)字化控制的研究型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，緊跟最前沿的數(shù)字化控制技術(shù)，采用DSP控制芯片TMS320F28335，基于CCS編程平臺(tái)編寫(xiě)控制程序，并在開(kāi)關(guān)電源變換器運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)CCS平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。同時(shí)在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制的過(guò)程中，學(xué)生能夠通過(guò)CCS平臺(tái)更改控制程序來(lái)調(diào)節(jié)不同的研究參數(shù)，觀察并記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而達(dá)到對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行分析和研究的目的。

圖4是以全橋變換器為例的CCS編程界面，里面包括主程序、AD采樣計(jì)算程序和中斷程序等，學(xué)生在編程過(guò)程中還鞏固復(fù)習(xí)了DSP的相關(guān)知識(shí)，并提高其邏輯組織的分析能力。

圖4 CCS編程界面

圖5是開(kāi)關(guān)電源數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)箱，其中白色盒子為隔離型仿真器，是軟硬件實(shí)現(xiàn)通信的橋梁。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，該實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)采用模塊化和組合式, 在結(jié)構(gòu)上緊湊, 并且隨著功能的擴(kuò)展可以增加相應(yīng)的單元模塊，使用時(shí)方便靈活。

圖5 開(kāi)關(guān)電源數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)箱

相較于常見(jiàn)的傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的研究型實(shí)驗(yàn)采用了數(shù)字化控制，具有靈活性高、可配置性高等優(yōu)勢(shì)，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于學(xué)生進(jìn)行分析和研究，極大地打破了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的局限性。

2.3 教學(xué)質(zhì)量考核

傳統(tǒng)考核方式較為死板，一般就包括平時(shí)點(diǎn)名、作業(yè)和期末考試三部分，而且通常期末所占比重過(guò)高，過(guò)程性評(píng)價(jià)難以體現(xiàn)。改革后的“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的考核除具有以上環(huán)節(jié)，另外加入制作實(shí)物的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，即在學(xué)期末，每位學(xué)生選擇某一拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)電源變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括電路分析計(jì)算、繪制PCB板，元器件的焊接，系統(tǒng)調(diào)試等，并在最后提交一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，這整個(gè)過(guò)程需要把理論知識(shí)、動(dòng)手能力和分析解決問(wèn)題能力有機(jī)結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力。

“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的實(shí)物制作課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的加入，基于雨課堂的教學(xué)過(guò)程性數(shù)據(jù)的添加，以及實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的增設(shè)，都提升了“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的過(guò)程性評(píng)價(jià)在質(zhì)量考核中的比重。最終教學(xué)質(zhì)量考核比例分配如圖6所示，其中雨課堂數(shù)據(jù)包括平時(shí)出勤、作業(yè)情況、平時(shí)小測(cè)試和課堂表現(xiàn)情況等，從中可以看出期末考試僅占35%，這打破了學(xué)生全憑期末考試及格拿學(xué)分的尷尬局面，提升了過(guò)程性評(píng)價(jià)權(quán)重，對(duì)學(xué)生能力起到綜合考察的作用。

圖6 教學(xué)質(zhì)量考核權(quán)重分配

3 結(jié)語(yǔ)

基于電力電子技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源是電源技術(shù)的核心，“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程在培養(yǎng)電源技術(shù)人才中擔(dān)任關(guān)鍵角色。在“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)改革過(guò)程中，采用了雨課堂教學(xué)手段提高了學(xué)生的課堂參與度，使課堂外延，擴(kuò)寬了理論知識(shí)的傳授面；分別從仿真和研究型實(shí)驗(yàn)兩方面增設(shè)了獨(dú)立的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程，加深了對(duì)知識(shí)的理解，提升了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和知識(shí)運(yùn)用能力；并在教學(xué)質(zhì)量考核過(guò)程中加入制作實(shí)物的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，綜合了理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到學(xué)以致用、研究創(chuàng)新的目的。圖7是“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的體系架構(gòu)，以理論知識(shí)為根基，構(gòu)建起承上啟下的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程，最后頂端是制作實(shí)物的課程設(shè)計(jì)，自上而下形成穩(wěn)固的金字塔。

圖7 課程的體系架構(gòu)

“開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)改革已進(jìn)行了一年半，2016、2017級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生分別于2018-2019-1、2019-2020-1學(xué)期完成本課程的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和課程設(shè)計(jì)，一步步提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手實(shí)踐能力和分析研究問(wèn)題能力，基本達(dá)到學(xué)習(xí)的預(yù)期效果，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，使學(xué)生勇于克服困難，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

隨著工程專業(yè)認(rèn)證的開(kāi)展[12]，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，專業(yè)課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。后續(xù)會(huì)加入微課、線上線下混合等教學(xué)方式，繼續(xù)推進(jìn)開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革，爭(zhēng)取把開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)建設(shè)成特色專業(yè)課程。