“以學生為中心”的電力電子技術(shù)課程實踐教學

【摘要】在新工科背景下，針對電力電子技術(shù)實驗課程存在的學生思考探索少、學習獲得感不高、實驗報告形式固化等問題，課程組開展了“以學生為中心”的實踐教學改革，即通過調(diào)整學習目標，改進以往的教學方式、同時優(yōu)化評價方式來提高學生的學習積極性和學習效果，通過調(diào)研反饋發(fā)現(xiàn)“以學生為中心”的實驗改革能夠提高學生參與度，激發(fā)學生的挑戰(zhàn)性，并能使學生更加深刻地體會到電力電子技術(shù)在實際中的作用和意義。

【關(guān)鍵詞】以學生為中心|實踐教學改革|積極性|學習效果|挑戰(zhàn)性

電力電子技術(shù)作為我校電氣工程方向的專業(yè)背景必修課程，在培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力上起著重要作用。課程不但理論性強，實踐性也很強，整個課程包括理論授課和實驗授課兩個部分。近年來，在新工科人才培養(yǎng)背景下，本課程對技術(shù)理論知識授課進行了一系列改革，例如：理實一體教學模式的探索實踐，課程思政建設等等，實踐證明，在這些教學改革模式下培養(yǎng)出的學生不但能夠掌握本課程涉及的理論技術(shù)，而且對激發(fā)學生科技報國、科技興軍的使命擔當以及培養(yǎng)學生解決問題的能力、好奇心和想象力、合作與領(lǐng)導能力、主動性和創(chuàng)造性以及靈活性和適應性具有一定的促進作用。目前由于改革主要聚焦于技術(shù)理論知識的教學模式方面，對實踐授課的改革探索較少，因此在對學生創(chuàng)新合作能力、表達能力以及勇于探索、不斷創(chuàng)新的科學精神的培養(yǎng)上不夠充分，距學生未來的任職崗位發(fā)展需求還有一定的距離。由于“以學生為中心”的教學模式更加關(guān)注學生知識、能力、素質(zhì)等方面的收益[1-2]，因此為滿足學生未來的任職發(fā)展需求，一場“以學生為中心”的實踐課教學模式改革勢在必行。

從歷史上看，“以學生為中心”的這場教育改革起源于20世紀80年代的美國，可以將其歸納為“以學生發(fā)展為中心，以學生學習為中心，以學習效果為中心”[3-4]，因此“以學生為中心”的實踐課程教學改革就要求改變以往學生按部就班地進行實驗，完成實驗報告的教學模式，通過分析目前實踐課過程中存在的問題，調(diào)研學生及崗位的訴求和期望，并通過合理的教學設計來調(diào)動學生的積極性，從而突顯學生的主體地位。

一、實踐課現(xiàn)狀

電力電子技術(shù)課程共包括五次實驗，10個學時的授課任務，目前采用課前發(fā)布復習任務，課上帶領(lǐng)學生回顧對應的理論原理，并手動操作演示實驗過程，進而來驗證課堂上講解的理論的授課方式，整個過程雖然加深了學生對理論知識的理解，但是存在以下幾方面的問題。

（一）基礎(chǔ)操作的時間占比過大

通過對比學生課堂上的時間占比發(fā)現(xiàn)學生將大量的時間用在了基礎(chǔ)操作上面，例如對電氣設備使用不熟練，出現(xiàn)反復檢測錯誤；接線錯誤導致的反復檢查以及結(jié)論的適用范圍未理解透徹而反復懷疑檢測結(jié)果等等，但是對實驗過程中出現(xiàn)的問題的思考較少，對理論授課時的置疑之處探索較少，從而使得學生在學習中的獲得感降低。

（二）缺乏不同程度挑戰(zhàn)性實驗的設置

在課程設計時，沒有充分考慮學生的差異性，每節(jié)課的實驗內(nèi)容一致且難度適中，針對學習程度不同的學生缺乏挑戰(zhàn)性實驗的設計，使得學生的創(chuàng)新性和探索精神沒有得到充分培養(yǎng)。

（三）實驗報告形式固化

實驗報告撰寫要求包括：實驗目的、實驗設備及器材、實驗內(nèi)容和步驟、實驗注意事項、實驗總結(jié)五個部分。根據(jù)完成情況來看每個部分的差異性不大，與倡導的思維活躍性要求吻合度較低，并且僅依靠實驗總結(jié)來進行對表達歸納的訓練，不能很好地鍛煉學生的表達能力，不能為以后的畢業(yè)設計等方面的邏輯表達打下很好的基礎(chǔ)。

（四）評判方式陳舊

實驗考評制度比較陳舊，由于實驗報告形式固化，評分的變化很小，不利于學生進行創(chuàng)新性訓練[5]，并且存在學生借閱評閱過的報告，依葫蘆畫瓢的現(xiàn)象，評判結(jié)果不能準確反映學生的實驗情況。

針對上述問題，電力電子技術(shù)實踐課嘗試改變以往的教學模式，向“以學生為中心”教學模式轉(zhuǎn)變，并通過調(diào)整學習目標，改進以往的教學方式（采用課前線上發(fā)布實驗任務以及學習視頻、課件等，課堂上加強師生間、學生間互動等方式），優(yōu)化評價方式來提高學生的學習積極性和學習效果，具體思路舉措如圖1所示。

二、以逆變電路實驗為例進行的實踐探索

作為電力電子技術(shù)四大電力變換之一的逆變電路，不僅在日常生活、工業(yè)建設、交通運輸、電力系統(tǒng)等中均有涉及[6]，而且在軍用武器、特種電源等電力電子裝置中有大量應用。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)未來的任職崗位不但需要學生掌握電力電子技術(shù)涉及的器件技術(shù)、電力變換技術(shù)、控制技術(shù)和應用技術(shù)，而且還對學生具備一定的電力電子裝置的故障維修技術(shù)的需求更為迫切，而原逆變電路實驗時主要以單相逆變電路為例通過電力電子實驗箱和逆變電路模塊進行單相逆變電路實驗驗證，具體儀器設備如圖2所示，實驗時將JMCL-22-03模塊插入電力電子實驗箱的插板區(qū)，依照實驗步驟完成單相逆變電路的驗證。在這個過程中主要是加深學生對理論知識的理解、掌握和驗證，缺乏對維修能力的培養(yǎng)，因此掌握逆變電路的工作原理以及會進行基本的電路實驗驗證作為實驗目的已不能滿足未來的任職發(fā)展需求[7]。

（一）逆變電路實踐改革

為了打通課程與任職崗位的壁壘，同時具有一定的挑戰(zhàn)性，本文以逆變電路為例，按照圖1所示的思路進行“以學生為中心”的改革實踐。首先對實驗目的進行調(diào)整，即在原來會進行基本的電路實驗驗證的基礎(chǔ)上，加入了能夠?qū)崿F(xiàn)逆變電路發(fā)生某一器件故障時的檢測這一故障檢測目標。為了達到本實驗的教學目標，在對內(nèi)容設置上，考慮學生的差異性，設計了三個難度等級的實驗，分別為初級難度、中級難度和高級難度，每個難度設置了相應的成績區(qū)間，如圖3所示。

根據(jù)更改后的課程目標，要求學生均達到初級目標，即在完成逆變電路實驗驗證的基礎(chǔ)上會根據(jù)實際的設計需求進行逆變電路設計，能夠用Matlab對設計出的逆變電路的某一開關(guān)管發(fā)生短路或斷路故障時的波形進行分析，并通過對比電路正常時的輸出波形和某一器件發(fā)生故障時的波形異同點來總結(jié)某一器件損壞時的波形特征。在完成初級難度的實驗后，學生已經(jīng)掌握了逆變電路的基本實驗方法，為了使學生更加熟練地掌握實驗方法，鼓勵挑戰(zhàn)更高難度的實驗——中級難度，即在完成初級難度任務基礎(chǔ)上會用Matlab對設計出的逆變電路的某兩個開關(guān)管發(fā)生短路或斷路故障時的波形進行分析，并總結(jié)波形特征。完成中級難度后，檢測器件故障的基本分析方法已經(jīng)掌握，在此基礎(chǔ)上，為了滿足少數(shù)學生對電力電子技術(shù)高挑戰(zhàn)度的需求，課程設計了更高難度實驗內(nèi)容，即在完成中級難度任務基礎(chǔ)上，分析逆變電路可能發(fā)生的故障有哪些，并利用Matlab仿真分析不同故障時的輸出波形，進而總結(jié)不同的故障特征。三個難度等級的實驗內(nèi)容均涉及到了故障分析，但是難易程度不同，特別是高級難度，在2個學時內(nèi)完成的難度較大，需要學生在課前有充分的準備，因此課前會通過Uclass發(fā)布本次實驗課件以及實驗的操作視頻，不但使學生對本次實驗用到的實驗設備及實驗內(nèi)容做到心中有數(shù)、降低課堂上教員演示實驗占用的時間，而且學生可在課前進行相關(guān)資料的查找和討論，為課堂順利開展實驗打下基礎(chǔ)。

為了充分調(diào)動學生的積極性，加強學生之間的交流，本次實驗課在課上采用講授加研討的方式進行。講授主要針對課前發(fā)布的視頻里面的問題進行分析總結(jié)以及強調(diào)一些注意事項，研討問題在課前已經(jīng)發(fā)布，主要是針對不同難度等級的故障特征的分析，在研討的過程中，可根據(jù)現(xiàn)場難點進行提示，并引導學生思考不同故障的建模仿真，使學生能夠掌握具體的分析方法。在這個過程中，為了提高學生的積極性和參與度，改進以往老師單獨評分的形式，引入學生互評的方式[8]，通過綜合教師和學生的評價結(jié)果給出最終成績，在這個過程中，學生一方面加強了交流，另一方面提高了參與度，同時更加清楚了實驗的目的。

（二）實踐探索效果分析

通過對逆變電路實驗進行改革，學生參與實驗的積極性有了明顯的提高，在教師評價和學生互評的驅(qū)動下，學生在聽取其他同學的實驗過程時專注度有了明顯提高，研討也比較認真，通過反饋，學生更加清楚了逆變電路在實際中具體如何應用的，也認識到可能存在的故障問題有哪些，并從實際中體會到了電力電子技術(shù)的重要性。但是由于故障主要依靠仿真來進行的，因此在實際中出現(xiàn)短路或斷路故障時的效果不能直觀顯示，后續(xù)需進一步優(yōu)化課程設計。

三、結(jié)語

在新工科背景下，作為電力電子技術(shù)課程重要組成的實驗課，進行了“以學生為中心”的探索實踐，通過調(diào)整教學目標、改進教學方式、優(yōu)化評價方式來提高學生在知識、能力、素質(zhì)等方面的收益，經(jīng)學生反饋和調(diào)研分析，“以學生為中心”的實驗改革能夠提高學生參與度，激發(fā)學生的挑戰(zhàn)性，并能使學生更加深刻地體會到電力電子技術(shù)在實際中的作用和意義，以此形成良性反饋，更加認真積極地對待學習，但是由于受學時以及設備條件等的限制，目前在故障分析檢測方面，主要依靠仿真來進行，因此具體的實驗現(xiàn)象不能直觀看到，對于故障現(xiàn)象經(jīng)驗積累方面的設計還不充分，后續(xù)需要進一步探索優(yōu)化。中國軍轉(zhuǎn)民

參考文獻

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[8]梁靜，蔣榮立，曹景沛.論“以學為中心”的課程設計[J].揚州大學學報，2023，27（2）：43-50.

（作者簡介：黃雅鑫，海軍工程大學電氣工程學院，博士研究生，講師，研究方向為電力電子與電氣傳動；魏永清、于飛、關(guān)清心、甄洪斌，海軍工程大學電氣工程學院）