“电力电子技术”混合式教学设计及实施_刘燕.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：常熟市第二批高层次教育人才资助项目（）；常熟理工学院教学改革研究课题（，）；江苏省自动化课程思政示范专业（）第一作者：刘燕（），女，硕士，教授，主要从事电气工程与自动化技术的教学与研究工作，：“电力电子技术”混合式教学设计及实施刘 燕 杨浩东 吕 庭 鲁明丽 胡 松（常熟理工学院 电气与自动化学院，常熟）摘要：针对“电力电子技术”课程教学存在的问题，以解决电气及自动化系统开发中的复杂工程问题为建设目标，提出“翻转课堂 实践”的教学模式，给出教学内容重构、教学模式创新、评价体系多元的教学设计方案，构建了线上线下立体化教学资源。以基本斩波电路分析及应用教学单元为例阐述了混合式教学的实施过程。课程教学改革促进了教学内容的创新和高阶，形成以学生为中心、自主研学的新模式。关键词：电力电子技术；以学生为中心；混合式教学；设计与实施中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，“”，：；“电力电子技术”是研究电源变换的技术，它是电力、电子、控制三大交叉学科产生的技术。主要讲述电能变换电路的拓扑、工作原理、分析及控制。该课程是电气工程及其自动化专业的必修课，在整个专业课程体系中具有承上启下的作用。随着新工科及一流课程建设的不断深入，课程建设朝着培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维推进。课程教学内容既强调广度和深度，还要体现前沿性与时代性；教学方法倡导先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学的深度融合，引导和鼓励学生进行探究式与个性化学习。从以往教学中发现“电力电子技术”课程还存在如下问题：问题：现有的教学模式已经不能满足学生多方位获取知识的需要；教学手段不能全方位呈现电力电子电路拓扑结构多变、理论复杂、波形图动态变化过程。问题：教学内容融合和集成的知识不能解决电气工程领域复杂系统的问题，知识的融会贯通和进阶延伸不足。问题：教与学互动性不强，缺乏激发学生创新意识的教学环节，学生缺乏自主学习、自主实践能力。为此课程将秉承“立德树人”的教育方针，贯彻 的教学理念。从解决电气及自动化系统开发中的复杂工程问题出发提出知识的高阶性、能力的创新性及挑战度，构建一种以学生需求为中心，线下线上联动的教学模式，并制定了相应的教学评价机制。混合式教学设计及评价教学设计将围绕如何应用信息化技术动态形象地呈现电力电子电路多变的拓扑结构和复杂的工作原理；如何构建教学内容与前沿技术的应用联系，提高学生知识的融会贯通能力；如何改变教学模式，加强教与学的互动，激发学生创新意识而进行。通过改革实现以教为主向以学为主转变，以课堂教学为主向课内外结合转变，以结果评价为主向过程相结合评价转变。在新技术及工程背景下优化“电力电子技术”的教学内容，形成“电力电子器件及应用基础、交流 直流变换电路、直流 交流变换电路、直流 直流变换电路、交流 交流变换电路、电力变换电路的综合应用”等教学模块，构建“基础知识层、能力提升层、创新层”三个层次，使教学内容形成知识点 体系 电力电子技术的典型应用脉络。“电力电子技术”课程教学设计如图 所示。图 电力电子技术课程教学设计 教学内容重构）基本知识层在新技术引领下更新知识点，跨章节将器件、变换电路、控制等多知识点进行融合。制定完善的课程教学资料。）能力提升层扩展工程典型应用案例，将近几年电能变换在智能电网、电动汽车、新能源发电、智能电器制造及控制等领域衍生出的变换电路及先进的控制形式迁移到教学中。）创新层增加工程项目的设计与应用，渗透电力变换电路、控制、保护等内容的交叉，跨课程增加对问题深入的原理分析过程，培养学生解决复杂工程问题的能力。）课程思政课程全方位贯穿课程思政，在相应知识节点给学生灌输科学报国、自主创新、工匠精神等核心价值观和情感因素。教学模式及组织实施该课程学时为：（理论）（实验），采用“翻转课堂 实践”教学模式。其中 学时（占总课时）学生在线上 平台自主学习；学时（占总课时）在线下智慧教室或实验室按照“翻转课堂 综合实践”进行。线上以基本知识讲述为主，利用音视频辅助讲解，实现学生广度性学习。线下以重点难点讲授、归纳总结、综合应用为主，实现深度学习。通过思维导图建立知识和应用融合的思维。共安排 次翻转课堂，每次翻转课堂按照线上自学（课前）线下翻转（课中）线下复习巩固（课后）三个阶段实施。具体如下：）线上自学教师发布导学任务，给出学习的目标，强调重点难点要求。学生利用网上 异步学习平台及线上资源任务驱动式自学，并完成相关的预习测试与讨论学习任务。）线下翻转采用实际问题引入，设计重点、难点知识讲述，仿真研究，案例分析，学生讨论探究，进阶拓展等环节，引导思考和感悟，提升学习效果。）线下复习巩固完成线上阶段性测试及课后作业、实践。对于综合研究大作业或拓展性作业，需要采用小组合作的形式完成。完成后的内容撰写报告网上提交，师生、生生互评。教学评价构建过程性考核（）与终期学习成果考核（）相结合的方式。过程性考核分布于平时教学过程中的各个“柔性”环节；终期学习成果考核安排在课程学习结束后进行，通过闭卷考试的方式量化学生对电力变流知识的理解，变流电路的分析、计算，对学生进行全面细致的考核。两者相互衔接、相互补充。课程成绩构成如下：课程成绩 线上单元测试 单元作业 讨论 实验成绩 大作业 期末成绩。线上考核项目有单元测试及讨论，占总成绩的。线下过程考核项有单元作业、实验、大作业，分数为 分，占总成绩的。期末闭卷考试成绩占总成绩的。资源建设及应用资源建设是混合式教学方法实施的基础。只第 期刘燕，等：“电力电子技术”混合式教学设计及实施有建成丰富的立体化资源才可以助推学生自主研学。课程引用国家精品课程“电力电子学”线上优质教学资源，以高层次内容渐进式提升课程的难度。根据常熟理工学院课程的教学目标和特点，形成差异化特色线上 异步学习平台。在线上平台发布教学大纲、教学进度表、教案、课件、自制视频、工程案例、文献资料、行业技术进展等资料；开展测试、布置作业、讨论、投票问卷等活动。学生课内外通过手机或电脑随时查看。同时建立以下教学资源库：）仿真案例库 仿真案例库能够实现变换电路结构变化、参数变化的动态模拟，既可呈现波形的动态变化、也给出量化的计算结果。）线上实验教学资源库各个实验的原理、步骤、方法及要求均置入线上平台、云教材中，保障学生前期自学、后期探究。）电力电子典型应用案例库集成了近几年电能变换电路的典型应用案例，供学生课内外探究学习。）线上电力电子技术云教材云教材中呈现了大量教学图片和视频，每一章节配备交互练习。出版了电力电子技术省级重点教材，形成知识与应用相结合的特色教材。教学实施过程案例以基本斩波电路分析及应用教学单元为例阐述混合式教学过程的实施过程。斩波电路是直流 直流变换章中的主要内容，是当前开关电源、直流电动机调速、蓄电池充电等设备的核心电路。基本斩波电路的形式有 种，每一种电路的结构形式不同、工作原理及其特性均不同，其输入输出数量关系的定量分析一般是基于开关管的通断状态、依据电感电压或电容电流伏秒特性或安秒平衡特性。这部分内容的讲述分为三部分，其教学过程如图 所示。围绕课前、课中和课后三个阶段进行设计，包括课前自主学习任务单的设计和网络学习资源的设计、翻转课堂教学与研讨活动的策划与设计、课下研究性学习活动的设计等环节。）课前线上学习任务针对斩波电路的教学目标制定了该教学单元的课前学习任务，如表 所示。）线下翻转课堂的教学课中在智慧教室实施课堂教学环节，采用提出问题、知识讲述、仿真研究、案例分析、讨论延伸等环节完成。课中翻转课堂教学内容见表。表 课前学习任务（线上学习）任务评价 线上自主学习：微课链接：中国大学（慕课）国家精品课程在线学习平台第 章直流 直流变换器第 讲 第 讲（观看教学视频），内容及知识点：（）电路工作原理（知识点：电路构成、工作原理、波形分析、输入输出数量关系）（）电路特性分析（连续、断续 工作模式）（）电路工作原理（知识点：电路构成、工作原理、波形分析、输入输出数量关系）（）电路特性分析（连续、断续 工作模式）（）电路工作原理（知识点：电路构成、工作原理、波形分析、输入输出数量关系）（）电路特性分析（连续、断续 工作模式分析）阅读案例资料：手机充电器、电脑主机电源、电源过程性评价数据 课前测试与讨论：（）在云班课完成课前预习测试题：通过 个小问题检查线上学习的效果；（）讨论：手机充电器、电脑主机电源、电源分别采用什么电路构成？输出电压是多少？过程性评价数据 ）课后巩固复习实践完成线上阶段性测试。线下学生需要利用仿真软件对给出的研究课题进行仿真研究，完成后的内容将与实验对比或撰写研究报告。对于综合研究课题，需要采用小组的形式完成，培养学生的团队合作能力。学生课后完成的研究课题必须对项目经过工艺需求分析、电路设计、仿真分析、波形测试、设计指标实现等环节训练，突出了教学深度和难度，如表 所示。图 混合式教学的实施过程电气电子教学学报 第 卷表 课中翻转课堂教学内容（线下学习）环节具体内容问题导入手机充电器充电时一端接，一端出来为 直流电压接入手机充电端，这个电路的构成原理是什么？体积为什么能越做越小？其他 电源、电脑主机板电源、电视电源等场所应用的电源也都是如此。开关电源应用以实际案例知识讲授）线上学习结果分析，归纳线上学习薄弱点）、三种直流 直流变换电路重点、难点讲述，对比、总结。基本斩波电路类比法问题讨论通过 仿真分析研究）占空比对输出电压的影响。）开关频率对电感电流波动及输出电压的影响。）占空比（）、电感和电容值固定，研究负载 的大小对电感电流和输出电压的影响。）占空比（）固定，负载一定，研究电感 大小对电感电流、输出电压的影响，以及电感电流与电流断续的关系。）占空比（）固定，研究电容 大小对输出电压纹波的影响。电流连续（，）；电流断续（，）在此基础上分别给出结论。项目组讨论，小组代表发言内容延伸提出问题：某些应用中需要相互隔离的多路输出。输出电压与输入电压的比例远小于 或远大于。）反激式电路的构成，高频开关的作用和工作模式提出问题：相对于正激式电路该电路有什么不同？）反激式电路工作原理分析。）开关管通断过程的波形分析。）输入输出表达式的推导及应用。提出问题使学生进行联想分析案例分析及讨论电源参数：）输入电压：）输出 电压：）输出 电流：）值大于：）输出功率：恒流电源原理图知识点结合 恒流电源案例讲解 教学改革效果“电力电子技术”课程教学过程中融入了工程知识、问题分析、设计 开发解决方案、使用现代工具、工程与社会等综合性内容，培养模式解决了传统教学融合和集成的技术不能解决电气工程领域复杂系统的问题，产生如下教学效果：）学生的科技创新能力不断增强近年来，学生在科技竞赛、科技论文、知识产权、创新创业等方面取得丰硕成果。获得中国智能机器人大赛、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛、全国大学生电子设计大赛、全国大学生工业自动化挑第 期刘燕，等：“电力电子技术”混合式教学设计及实施战赛、中国机器人大赛暨 公开赛等国家级、省级及市厅级奖项 多人次。）教学团队成果显著近年来，团队获得省级教学研究项目 项，省级教学成果奖 项，苏州教学成果一等奖 项，苏州市优秀课程团队 项，发表教研教改论文近 多篇，编写了电力电子技术及应用云教材，出版了电力电子技术省重点教材；构建了来源于企业一线的有关电力电子方面工程案例资料一套；在云班课及 平台上积累了大量教学资源，实现了分享和交流。）教学效果得到提升校企合作新建了电力电子技术实验室平台，建设电力电子技术实训室 个。通过课程的实践教学项目，学生的助研助学能力得到提高，课程考试的平均成绩由原来的 分提高到 分，提高了，课程教学受到学生的好评。表 课后测试及拓展（线上线下结合）环节具体内容评价课后测试在慕课完成单元测试形成性数据课后作业拓展案例图为手机充电器实际电路，分析其工作原理，在给定参数的情况下，运行仿真电路得到电路、各处的波形：分析电路参数变化时电路波形的改变情况。【讨论思考】上述电路做到了输出稳压功能，若要做到限流或过流保护功能，如何增加一个电流反馈电路？手机充电器原理图以小组线上提交（慕课、云班课）各小组根据打分表对项目进行评估课后预习本章中的半桥和全桥电路。线上教学平台 结语“电力电子技术”课程构建了知识融合体现“两性一度”的教学内容，跨章节融合知识点，跨课程构建知识体系及综合应用，促进电力电子技术知识交叉融合及综合应用，形成教学内容的创新性和高阶性。建设了与电力电子新技术高度融合的混合式教学资源，形成线上线下多平台、多种教学方法综合应用，实施了问题驱动的精准课堂讲解、互动讨论和开放式仿真探究，形成以学生为中心、自主研学的新模式。结果导向的评价机制促进了学生学习方式的改变，使课程从“知识考核”到“能力考核”持续改进。参考文献吴新开，舒薇 应用型本科专业基础课程教学的特点与改革 以“电力电子技术”课程教学的改革为例教育教学论坛，（）：史敬灼“斩波电路”实验教学改革探索 电气电子教学学报，（）：，伍宗富，郭国强，郭杰荣 高校工程类实验“三层递阶式”教学研究 电气电子教学学报，（）：姜斌，曹永成，田崇瑞，等 面向工程教育专业认证的电力电子技术课程改革与探索 黑龙江科学，（）：邱忠超，蔡建羡，李立新，等 基于“兴趣主导、项目驱动”的电力电子技术教学改革与实践研究 教育教学论坛，（）：王博，黄永红，孙宇新 基于工程教育认证的电气类专业课程体系 电气电子教学学报，（）：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 实验技术与管理，（）：，电气电子教学学报 第 卷