新工科背景下電力電子技術(shù)課程綜合改革與實踐

孫麗玲，李建文，董淑惠，田艷軍

（華北電力大學（保定）電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，2017 年以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，系統(tǒng)部署了新工科建設(shè)工作，并提出了具體的指導(dǎo)意見，明確了我國工科教育需要持續(xù)培養(yǎng)新工科人才以支撐國家實施創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展模式。

為了實現(xiàn)新工科建設(shè)的教育目標，必須將傳統(tǒng)“以教師為中心”的滿堂灌教學方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W生為中心”的引導(dǎo)式教學方式，引導(dǎo)學生主動學習、主動實踐，通過在學習和實踐過程中產(chǎn)生疑惑和發(fā)現(xiàn)問題來激發(fā)學生的學習興趣和熱情。課堂教學則是課程改革的主陣地，必須面向國家需求、增加課堂信息量、提高教學內(nèi)容難度、強化教學過程管理，以培養(yǎng)出具有獨立思考、敢于批評、敢于質(zhì)疑，有創(chuàng)新能力與創(chuàng)新思維的社會需要的時代新人為最終目標。

電力電子技術(shù)作為電力學、電子學和控制理論的交叉學科，綜合性強且與工程實際聯(lián)系緊密，大到高壓直流輸電工程、新能源發(fā)電、高鐵列車運行與控制、航空航天，小到開關(guān)電源、家用電器等都離不開電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)課程作為電氣工程及其自動化等本科專業(yè)的重要專業(yè)核心課程，也是教與學中有較大難度的課程。本文針對新工科背景下電力電子技術(shù)課程綜合改革進行了探索與嘗試。

一、理念與設(shè)計的改革

在電力電子技術(shù)課程教學活動中，以“學”為中心指導(dǎo)思想，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與能力為教學目標，以實際工程案例或者應(yīng)用案例為每章教學內(nèi)容的引入。課堂教學過程實現(xiàn)“學什么”“如何學”“如何思維”的程序性和策略性知識的傳播；課堂教學設(shè)計采用案例分析法、問題啟發(fā)式，互動教學法、類比教學法等多種教學方法，系統(tǒng)地將電力變換電路與前后知識聯(lián)系，其他學科知識有效銜接，并結(jié)合動畫與動態(tài)電路進行波形分析，提高學生興趣，激發(fā)思考；同時在教學過程中引入課堂思政，把工程實際問題和課堂思政相結(jié)合，對學生進行潛移默化的思政教育。課程設(shè)計整體思路如圖1 所示。

圖1 課堂設(shè)計整體思路

（一）引入工程實際案例及啟發(fā)性教學模式

工科教學面臨的一個突出問題是學生在學習課程之初不知道“為什么學？”“學什么？”“怎么學？”，在教學過程中積極引入工程實際案例、將枯燥的理論教學和工程實際案例相結(jié)合無疑是激發(fā)學生興趣的有效手段，同時在課堂教學中引導(dǎo)學生積極思考，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和素養(yǎng)，例如，在討論相控整流電路時，首先通過介紹高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展歷程，使學生了解相控整流電路在實際工程中的應(yīng)用情況和發(fā)展前景，激發(fā)學生的學習興趣和熱情；隨后在對電路進行分析的過程中，通過知識講授、問題導(dǎo)出，創(chuàng)新意識引導(dǎo)等環(huán)節(jié)讓學生掌握電路的分析方法；最后再結(jié)合高壓直流輸電系統(tǒng)仿真進行創(chuàng)新實踐，加深學生的理解。相控整流電路分析的啟發(fā)性教學思維導(dǎo)圖如圖2 所示。

圖2 相控整流電路分析的啟發(fā)性教學思維導(dǎo)圖

（二）制作高質(zhì)量的教學課件

電力電子技術(shù)課程是以電路波形分析為主線的，傳統(tǒng)的板書及課件不能展示波形的動態(tài)變化規(guī)律，波形變化也不能與電路中開關(guān)的動作有效對應(yīng)，導(dǎo)致學生難以把握電力電子電路的工作原理，因此結(jié)合動畫展示的教學課件更能適合課堂教學的需求。通過動畫設(shè)計一步步直觀展示各種元器件動作瞬間，電路參數(shù)變化和波形圖，將課本上大量枯燥的文字敘述變?yōu)樯鷦有蜗蟮膱D形、數(shù)據(jù)，可以有效提高學生的學習興趣及加深對電力電子電路工作原理的分析與理解。

（三）實踐互動式教學

在教學活動中，教師滿堂灌的填鴨式教學方法已不再適應(yīng)新形勢下的教學要求，學生是課堂的主體，需要充分調(diào)動學生的積極性參與課堂活動。本課程充分利用“課堂派”智慧教學平臺，進行課上、課中、課下的智慧教學，每節(jié)課根據(jù)教學內(nèi)容節(jié)點設(shè)置2～3 次課堂互動，將核心知識點以答題形式進行及時回顧，注重實效、彌補不足，課堂互動參與情況如圖3 所示。

圖3 課堂互動參與情況

（四）融入課堂思政元素

“以學生為中心”的教育理念，是教育應(yīng)以有利于學生的發(fā)展為出發(fā)點和落腳點，該思想與“課程思政”在價值上具有內(nèi)在的統(tǒng)一性，教師需要將積極的世界觀、人生觀、價值觀、堅定的意志，清晰的邏輯、過硬的專業(yè)素質(zhì)潛移默化地貫穿進知識傳授過程。為此，在電力電子技術(shù)課程中深入挖掘課程思政的德育元素，將更多的“思政點”融入課程教學環(huán)節(jié)中。例如，在相控整流電路的討論中，通過引入高壓直流輸電的工程案例，介紹世界和我國高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展歷史，使學生理解核心技術(shù)不能受制于人，堅定獨立自主、不斷創(chuàng)新的發(fā)展理念；再如，分析各類電力電子器件的優(yōu)缺點時引入辯證法思維，考慮問題要全面，不能片面的看待、分析問題；在逆變電路分析通過宏觀尺度與微觀尺度的對比，使學生更好地理解PWM 控制的基本原理等。每一堂課通過點滴的思政元素達到潤物無聲的效果。

二、輔助教學方法與手段的改革

（一）引入仿真實驗環(huán)節(jié)

電力電子技術(shù)是一門應(yīng)用性較強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，應(yīng)加強對學生實際操作能力與理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)，課堂教學要結(jié)合實際應(yīng)用，擴大學生的知識面，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，因此實踐環(huán)節(jié)必不可少。仿真實驗教學可以克服傳統(tǒng)實驗室設(shè)備老舊、形式單一、內(nèi)容僵化等問題，且不受時間與空間的限制，更滿足新工科建設(shè)的內(nèi)涵與特征。同時引入電路仿真環(huán)節(jié)后，學生由開始不會使用軟件，到通過多渠道學習，最終成功搭建電路、設(shè)計參數(shù)、驗證電路拓撲的功能，可以獲得滿足感和成就感，學習興趣和效率都會得到很大程度的提高。

（二）實踐考試改革

考試是對學生課程學習、掌握情況的綜合評價，不能以一張考卷決定學生成績，也不允許學生抱有考前突擊就取得高分的僥幸心理，本課程最終的課程成績由平時作業(yè)、實驗報告、課堂小測和期末成績組成，按照平時作業(yè)10%、實驗報告10%、課堂表現(xiàn)及小測10%和期末成績70%的比例分配。課堂小測是每節(jié)課都會有的教學環(huán)節(jié)，既能讓教師及時掌握學生對課堂內(nèi)容的掌握情況，又能讓學生提高課堂注意力，及時掌握每節(jié)課討論的重點內(nèi)容。同時，期末試題緊密聯(lián)系工程實際，考察學生的綜合應(yīng)用能力，從工程實際入手，讓學生結(jié)合所學知識進行分析。

三、教學效果

抓基礎(chǔ)，重實踐，以工程應(yīng)用為背景，課題組對電力電子技術(shù)課程教學內(nèi)容都進行了課堂教學設(shè)計，經(jīng)過一個學期的應(yīng)用，學生們反響良好。課堂學生評價情況如圖4 所示，學生評分高達97.39 分，滿意度很高；2019-2020 學年與2020-2021 學年電力電子技術(shù)課程的學生成績對比情況如圖5 所示，從圖中可以看出，高分數(shù)段學生人數(shù)顯著增加。

圖4 課堂學生評價

圖5 2019-2020 學年與2020-2021 學年電力電子技術(shù)課程學生成績對比

四、結(jié)束語

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部積極推進新工科建設(shè)。電力電子技術(shù)是電氣工程學科的一門核心專業(yè)課程，其綜合改革在新工科背景下乃大勢所趨，本文對此進行了探索與嘗試。圍繞“理念與設(shè)計”“輔助教學方法與手段”“教學效果”等方面介紹了具體的改革措施與實踐，提出了“引入工程實際案例及啟發(fā)性教學模式”“制作高質(zhì)量的教學課件”“實踐互動式教學”“融入課堂思政元素”“引入仿真實驗環(huán)節(jié)”“實踐考試改革”等具體方法。在實施上述改革后，學生的成績得以提高、高分段學生占比提升、學生的課程滿意度也大幅提高，這表明了電力電子技術(shù)綜合改革的良好成效與必要性。