項目驅(qū)動的電力電子實驗教學(xué)研究與探索

馮學(xué)玲， 姚鴻泰， 張 蓉， 夏冬輝， 王學(xué)華， 尹 仕

（華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

2016 年起，我校電氣與電子工程學(xué)院以“電氣化+”的學(xué)科交叉融合創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略為指導(dǎo)，借鑒世界一流大學(xué)工程教育理念基礎(chǔ)，提出“科學(xué)主導(dǎo)、實踐驅(qū)動”的工程教育理念及實施路徑，旨在培養(yǎng)面向未來的學(xué)術(shù)拔尖人才和業(yè)界領(lǐng)軍人才［1］。因此實踐教學(xué)不再是理論教學(xué)的附屬品，轉(zhuǎn)而成為教學(xué)改革的主要驅(qū)動力，通過“做中學(xué)”不斷提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生學(xué)習(xí)過程從“外驅(qū)”變?yōu)椤皟?nèi)驅(qū)”，最大程度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造能力。

電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù)，是高等工科院校電氣信息類電氣工程及其自動化等專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程［2］，是電氣工程專業(yè)其他課程的綜合應(yīng)用，亦是一門實踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程［3］。電力電子技術(shù)橫跨電力、電子和控制3 個領(lǐng)域，幾乎所有與電力、電子有關(guān)的高科技領(lǐng)域都涉及電力電子變換和控制技術(shù)，是專業(yè)人員從事相關(guān)工作必須掌握的基礎(chǔ)知識。

電力電子變換技術(shù)通過控制半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的通斷狀態(tài)實現(xiàn)電源功率和能量轉(zhuǎn)換，在電力系統(tǒng)、電能質(zhì)量控制、智能電網(wǎng)以及電力碳中和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在“科學(xué)主導(dǎo)、實踐驅(qū)動”的工程教育理念下，我校開設(shè)了40 學(xué)時的信號與控制綜合實驗課程，聚焦電力電子系統(tǒng)建模、控制、研發(fā)的全周期。摒棄傳統(tǒng)以實驗掛箱接、拆線實驗的模式［4］，以實際工程為背景，基于項目驅(qū)動教學(xué)方式設(shè)計了面向“電氣化+”、新能源以及碳中和目標(biāo)的電力電子變換項目：光伏發(fā)電系統(tǒng)中的能量變換與控制研究、電動汽車車載電源系統(tǒng)綜合設(shè)計與研究。兩個項目將電流電壓信號實時檢測、處理分析以及閉環(huán)控制等融入電力電子變換器的設(shè)計和研發(fā)過程中，貫穿整個課程教學(xué)；引導(dǎo)學(xué)生基于實際工程項目開展電力電子電路設(shè)計、仿真分析、制作與調(diào)試等任務(wù)，使學(xué)生能夠完成從電路原理認(rèn)知到設(shè)計調(diào)試等一整套電力電子開發(fā)學(xué)習(xí)過程，進(jìn)一步提升學(xué)生知識建構(gòu)、認(rèn)知能力和意識養(yǎng)成等工程實踐能力［5］。

1 項目驅(qū)動式教學(xué)設(shè)計思路

1.1 項目驅(qū)動教學(xué)

項目驅(qū)動式教學(xué)，首先應(yīng)用于德、英等國大學(xué)教育并取得了顯著教學(xué)效果，是一種以建構(gòu)主義教學(xué)理論為基礎(chǔ)、以工程項目作為課程引擎，教師引導(dǎo)學(xué)生主動完成項目的教學(xué)［6］。項目驅(qū)動式教學(xué)法的主要特點是“以項目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”被動的教學(xué)模式［6］，教學(xué)目標(biāo)明確，教學(xué)過程中學(xué)生的參與度顯著提高，從而能夠最大程度地激發(fā)學(xué)生主動探索和學(xué)習(xí)的動力。

課程組提供光伏發(fā)電系統(tǒng)中的能量變換與控制研究、電動汽車車載電源系統(tǒng)綜合設(shè)計與研究兩個綜合實驗項目，前者偏向于新能源發(fā)電并網(wǎng)；后者偏向于終端裝備研制。學(xué)生可根據(jù)個人未來職業(yè)規(guī)劃自主選擇并重新編班，以便課程組教學(xué)實施。

1.2 教學(xué)設(shè)計思路

“信號與控制綜合實驗”課程采用綜合設(shè)計模型［7-8］。該模式基于課程情境因素，制定有意義的學(xué)習(xí)目標(biāo)、設(shè)計教育型評估與反饋、實施主動式教學(xué)活動，并將三者（下稱三要素）的一致性進(jìn)行綜合和調(diào)整，為學(xué)生創(chuàng)造豐富的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，如圖1 所示。

圖1 基于項目驅(qū)動式教學(xué)的課程設(shè)計思路

因此，課程組將通過設(shè)計基于“知識、能力、素養(yǎng)”的6 類有意義的學(xué)習(xí)分類目標(biāo)，并采用基于真實性任務(wù)完成情況的前瞻性評估（真實性任務(wù)評估）和高質(zhì)量的反饋來調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性；采用新途徑來幫助學(xué)生更好地獲取信息和觀點；基于綜合的、有挑戰(zhàn)性的、背景豐富的項目驅(qū)動形式來豐富學(xué)生實踐經(jīng)歷，進(jìn)而產(chǎn)生更多智力上的興奮和動機(jī)；引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行深度反思性寫作，以上均能最大限度地豐富學(xué)生經(jīng)歷而產(chǎn)生意義。

2 教學(xué)設(shè)計與實施

2.1 教學(xué)目標(biāo)

具體而言，課程通過基于項目的科學(xué)實踐探究過程（建模-分析-設(shè)計-研究）將有意義學(xué)習(xí)目標(biāo)［9］與工程教育“知識、技能和素養(yǎng)‘三位一體’”的人才培養(yǎng)目標(biāo)緊密結(jié)合［10］。在課程結(jié)束后，學(xué)生能達(dá)成如下目標(biāo)：

（1）基礎(chǔ)知識目標(biāo)（建模—分析）。能描述和表達(dá)實際電力電子電路系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如開關(guān)模型的線性化、電壓數(shù)字反饋、調(diào)制器模型等，并能驗證模型的有效性。

（2）學(xué)以致用目標(biāo)（分析—設(shè)計）。能運(yùn)用軟件工具設(shè)計控制指標(biāo)和頻域閉環(huán)控制器，能運(yùn)用仿真工具證明并思考設(shè)計的合理性、有效性和實踐意義。

（3）觸類旁通目標(biāo)（設(shè)計—研究）。能結(jié)合不同項目的要求，聯(lián)系和整合出一套完整的電力電子電路開發(fā)流程，能綜合運(yùn)用信號與系統(tǒng)、檢測與控制方面的理論知識解決實際生活工程問題。

（4）人性維度目標(biāo)。在團(tuán)隊合作中能根據(jù)個人所長進(jìn)行分工合作、管理和協(xié)調(diào)資源，反思自己和他人學(xué)習(xí)的進(jìn)步，如系統(tǒng)知識的梳理、焊接技術(shù)、軟硬件調(diào)試技能以及工程溝通能力等。

（5）人文關(guān)愛目標(biāo)。對高頻開關(guān)電源模塊化、高效化、數(shù)字化、綠色化［11］等產(chǎn)生認(rèn)知和興趣，促進(jìn)個人定位和職業(yè)規(guī)劃發(fā)展。

（6）學(xué)會學(xué)習(xí)。建立電力電子學(xué)實踐探究認(rèn)知框架，總結(jié)方法技巧，成為自主學(xué)習(xí)者；明確該不該做、可不可做、值不值做、以及會不會做［9］。

2.2 教學(xué)結(jié)構(gòu)

基于項目驅(qū)動式的電力電子實驗教學(xué)課程，采用如圖2 所示的課程教學(xué)結(jié)構(gòu)，含課前準(zhǔn)備、課中實踐、課后反思3 個階段，并融入了工程項目開發(fā)全周期的構(gòu)思、設(shè)計、實施、運(yùn)作（Conceive，Design，Implement，Operate，CDIO）［12］工程教育理念。

圖2 基于項目驅(qū)動式的電力電子實驗教學(xué)結(jié)構(gòu)

（1）課前（構(gòu)思—設(shè)計）。課程組教師構(gòu)思課程和項目并研究項目可行性，然后設(shè)計并發(fā)放問卷，通過問卷，一方面可以了解學(xué)情；另一方面可以有針對性地遴選出一批優(yōu)秀的學(xué)生作為課程助教。老師和助教共同開發(fā)樣機(jī)、搭建腳手架、整合課程資源（如配備材料、撰寫項目開發(fā)文檔、編寫實驗指導(dǎo)書）并引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)。

（2）課中（設(shè)計—實施—運(yùn)作）。教師介紹課程導(dǎo)言，明確課程目標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)，并分解項目任務(wù)和進(jìn)行重難點講解；學(xué)生以小組合作模式自主設(shè)計、探究實施進(jìn)程、展示并進(jìn)行多任務(wù)多進(jìn)程循環(huán)運(yùn)作；教師和學(xué)生助教進(jìn)行有效及時的答疑和反饋。

（3）課后（反思—再設(shè)計—再構(gòu)思）。學(xué)生提交課程報告，包括電路設(shè)計和參數(shù)選型、模型建構(gòu)和閉環(huán)控制、模塊測試和系統(tǒng)調(diào)試、問題假設(shè)與解決、團(tuán)隊合作與分工、個人深度反思與總結(jié)（倘若重新再做一次，該如何避坑、如何提升）等；教師做出課程評價，分析教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度，并對課程和項目進(jìn)行再構(gòu)思再設(shè)計，完成迭代。

2.3 任務(wù)分解與課堂教學(xué)

信號與控制綜合實驗課程為40 學(xué)時，共10 節(jié)課，前8 節(jié)課為直流電源系統(tǒng)，后2 節(jié)課為交流電源系統(tǒng)探究。本文以實驗項目“電動汽車車載電源系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”為例，對任務(wù)分解情況進(jìn)行介紹。該電源系統(tǒng)采用DC-DC 移相全橋電路拓?fù)洌娐方Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “電動汽車車載電源系統(tǒng)”電路原理示意

該電源系統(tǒng)可分解為主電路設(shè)計選型、輔助電路焊接調(diào)試、系統(tǒng)搭建、開環(huán)調(diào)試、建模、閉環(huán)控制調(diào)試、項目指標(biāo)測試、項目驗收答辯8 個任務(wù)環(huán)節(jié)。根據(jù)項目實施進(jìn)程，課程除設(shè)置基本任務(wù)外，還設(shè)置了進(jìn)階和高階任務(wù)，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。具體任務(wù)信息如表1 所示。

表1 電動汽車車載電源系統(tǒng)項目任務(wù)一覽表

（1）基本任務(wù)。要求學(xué)生完成率100%，為保證學(xué)生都能達(dá)到基本任務(wù)，課程組從3 方面教學(xué)引導(dǎo)。①整理豐富的項目參考資料和文獻(xiàn)、制作環(huán)節(jié)的微視頻等，作為課前預(yù)習(xí)、課后自主學(xué)習(xí)的線上資源，同時將重要文獻(xiàn)和資料裝訂成冊以便課堂隨時查閱；②引導(dǎo)學(xué)生制作項目進(jìn)度自查表和團(tuán)隊畫布，幫助學(xué)生自主規(guī)劃項目進(jìn)度和節(jié)點；③在關(guān)鍵節(jié)點予以檢查、驗收、提出建議等，以敦促學(xué)生把控進(jìn)度，不掉隊、不擺爛。

在整個基本任務(wù)實施期間，教師的教學(xué)原則是：不教授具體操作步驟，全局引導(dǎo)和把控，允許學(xué)生在恰當(dāng)范圍內(nèi)設(shè)計的多樣性，給予學(xué)生充分的試錯空間，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題并設(shè)計優(yōu)化。為保證學(xué)生能夠順利地完成基本任務(wù)，在重點環(huán)節(jié)給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和提醒。比如，在設(shè)計參數(shù)時，引導(dǎo)學(xué)生重點考慮占空比丟失［2］對開關(guān)頻率、高頻變壓器匝比、諧振電感的影響；在設(shè)計繞制諧振電感和變壓器時，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)［13］獲取磁芯驗算原則并自主設(shè)計；在模型仿真時，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)文獻(xiàn)［14］所述軟件特點和適用性結(jié)合自己經(jīng)驗或偏好來選擇軟件工具；而焊接環(huán)節(jié)時，提醒學(xué)生重視虛焊或短接帶來電路調(diào)試的一系列問題。整個教學(xué)過程中，學(xué)生通過不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題將對電路原理和測試技巧有更深入地領(lǐng)悟，收獲有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

（2）進(jìn)階和高階任務(wù)。課程組提供詳實的資料和平臺，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生自主探究，遇到疑難問題可同老師助教一起探討，實現(xiàn)“分層教學(xué)［15］”。

2.4 考核與評估

教學(xué)評價基于真實任務(wù)的過程監(jiān)督、項目驗收、答辯以及總結(jié)報告等考核點，分別對實驗設(shè)計、實驗研究、書面表達(dá)、團(tuán)隊合作以及個人反思學(xué)習(xí)評分，并與前文學(xué)習(xí)目標(biāo)對應(yīng)，具體詳見表2。

表2 信號分析處理綜合實驗課程考核評分表

表2 中，考核點“項目驗收”評分與前文表1 的“驗收分?jǐn)?shù)”一欄保持一致，占課程總成績50%；“答辯及報告”占比40%，個人深度反思性對話占比10%。根據(jù)表2 中的“評價描述”進(jìn)行等級評定。

3 教學(xué)效果

3.1 學(xué)生作品

利用實驗室的測試平臺，學(xué)生完成了“電動汽車車載電源系統(tǒng)”測試及關(guān)鍵波形記錄，如圖4 所示，以及實測性能指標(biāo)如：電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、效率、紋波系數(shù)等指標(biāo)［2］結(jié)果如表3 所示。

表3 車載電源實測性能指標(biāo)

圖4 電動汽車車載電源測試系統(tǒng)及關(guān)鍵波形

與表1 任務(wù)相比，實測各項指標(biāo)均滿足基本要求，說明學(xué)生閉環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)計合理，但高階任務(wù)如效率還有待提升，可以考慮通過提高開關(guān)頻率、增大繞線電感截面等方面來降低損耗，提升效率。

3.2 學(xué)生評價與效果

在整理學(xué)生對課程深度反思性對話時，出現(xiàn)頻次最多的3 個關(guān)鍵詞是：任務(wù)目標(biāo)清晰、體驗不錯、助教給力。為了檢驗項目驅(qū)動教學(xué)模式在電力電子實驗教學(xué)的實際效果，課程結(jié)束后，以問卷形式收集了學(xué)生對課程的評價，結(jié)果如表4 所示。

表4 課后問卷調(diào)查占比

問卷調(diào)查結(jié)果顯示：85%及以上的同學(xué)明確課程教學(xué)目標(biāo)、贊同教學(xué)形式、能完成進(jìn)階任務(wù)、對考核評價辦法滿意、且覺得收獲很大，不過也仍有極少數(shù)同學(xué)持不贊同、不在乎的態(tài)度。在今后的教學(xué)過程中，課程組將進(jìn)一步關(guān)注學(xué)生探究過程中出現(xiàn)的淡漠者，引導(dǎo)他們能更好參與到教學(xué)活動中來。

結(jié)合學(xué)校關(guān)于學(xué)生實驗課堂評教［16］的結(jié)果來看，學(xué)生對該課程老師的評教滿意度評分均高于全校平均水平，如面對問題“你是否愿意將該老師的這門課推薦給其他同學(xué)來上嗎？”，所有同學(xué)都給了肯定的答案。

4 結(jié)語

本文將項目驅(qū)動式教學(xué)應(yīng)用于電力電子實驗課程，從6 類有意義的教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，設(shè)置了基于“構(gòu)思—設(shè)計—實施—運(yùn)作—反思—再設(shè)計—再構(gòu)思”的教學(xué)結(jié)構(gòu)。以項目“電動汽車車載電源系統(tǒng)”為例，介紹了課堂任務(wù)與分解、教學(xué)設(shè)計與引導(dǎo)以及考核與評價。該模式的實施得到了好的教學(xué)效果，學(xué)生通過“做中學(xué)，學(xué)中做”，塑造了解決復(fù)雜工程問題的工程師思維。該模式能夠有效支撐新工科背景下以學(xué)生為中心的實踐教育理念，還可進(jìn)一步推廣到其他工科專業(yè)實踐類課程。