基于项目驱动的混合式教学探索与实践

赵 涛 ， 张恩旭， 黄家才， 徐开芸

(南京工程学院 1. 自动化学院，2. 电力工程学院, 江苏 南京 211167)

基于项目驱动的混合式教学探索与实践

赵 涛1， 张恩旭2， 黄家才1， 徐开芸1

(南京工程学院 1. 自动化学院，2. 电力工程学院, 江苏 南京 211167)

本文通过合理组织和分配各种设备、工具、技术、媒体和教材，构建了基于项目驱动的混合式教学在“电力电子技术”课程中应用模式；并通过实例验证了混合式教学模式的效果。教学实践表明，混合式教学不仅有助于提高教学效果，而且对提升学生的综合能力有很大帮助。

混合式学习；项目驱动；网络化学习；电力电子技术

0 引言

混合式教学是把传统学习方式的优势和网络化学习的优势结合在一起的一种教学方式。混合式教学既发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性[1]。目前国内不少高校实施混合式教学，也取得了较好的效果[2]。然而，混合式教学还存在如下几方面问题：①实施的混合式教学还多是以教师为主导的教学，无论是内容的推送，还是教学过程的监控，学生为主体的教育思想还没有得到充分的贯彻，学生的主动性、积极性与创造性没有得到充分的体现[3]；②混合方式过于单一，简单的将混合式教学视为传统课堂教学和E-Learning，即网络+课堂的模式；③没有根据教学对象、教学条件等，对所有的教学要素进行优化选择和组合，仅仅是把各种要素简单的叠加在一起。因此，混合式教学的长处得不到发挥，学生在初始的新鲜感过去后，逐渐丧失了参与混合学习的积极性。

为此，笔者结合教学实践，根据自动化专业理论性和实践性强的特点，对相关课程混合式教学的相关要素进行了分析，探寻课堂教学、网络教学和课内外的实践教学之间最佳切合点，研究混合式教学过程中线上与线下、理论与实践学习诸要素的融合机制，提出采用基于项目驱动的混合式教学模式，并在“电力电子技术”课程的教学中加以应用。

1 基于项目驱动的混合式教学设计

电力电子技术是对电能进行变换和控制的一门技术，具有很强的理论性和应用性。近20年来，电力电子技术所涉及到的知识和技术在不断丰富，形成向智能化、数字化发展的趋势。

“电力电子技术”课程内容涉及知识面广、概念多，主要包括电路分析、波形分析和公式推导等部分[4]。教师要在有限的教学学时内把这些知识都讲透，让学生都能充分理解是件不容易的事情；另一方面随着互联网和信息技术的不断发展，获取知识的途径越来越多，也越来越容易，知识也呈现碎片化的特点。

有鉴于此，教师的角色需要由过去的知识传播者转变为引导者和激励者；要激发学生的求知欲，将枯燥和抽象的知识点融入实际工程项目中；学生在项目实施中，寻求解决问题的过程，也是获得知识过程[5]。

基于项目驱动的混合式教学就源于此。

1.1项目的选择

基于项目驱动的混合式教学首先要解决项目选择问题。

项目要注意内容的先进性、综合性和实践性，应适合实践教学和启发创新，项目内容不应太简单，难度要适中；成果最好具有相对的完整性和可考核性。

项目内容上应具有多样性，既有电路设计，参数计算，也要求适合利用计算机仿真技术进行虚拟实验，采用虚实结合教学方式，充分利用软件资源，提高学生求知欲及解决问题的能力。

针对目前电力电子技术应用最为广泛的DC-DC 变换和DC-AC 变换的两种变流电路，结合数字化控制的发展趋势，我们选择了Buck 变换电路、Boost 变换电路、同向Buck-Boost 变换电路、单相逆变电路、直流电机H 桥电路等设计项目[6]。

1.2混合式教学模式构建

构建基于项目驱动的混合式教学模式，就是要解决混合什么和如何混合的问题，要对所有的教学要素进行优化选择和组合。图1 给出基于项目驱动混合式教学模式的框图。

混合式教学模式分为预习和准备、项目设计实施操作和评估与总结三个阶段：

1)预习和准备

图1 基于项目驱动混合式教学模式的框图

教师首先在线布置项目任务、提出设计要求，并提供相关教学资源包括：教学视频、微课、教学PPT及技术手册等。学生接收教师的设计任务，明确设计要求，自行分组和安排各自承担的设计任务，并根据教师提供的教学视频、PPT等教学资源或通过网络检索进行自主学习。

2)项目设计实施

项目设计实施阶段是在线下和线上完成的。教师通过面对面的方式对于设计中难点或重点进行适当辅导，审查学生提供的设计方案，进行答疑、问题讨论和深化，监控设计过程。学生在此期间可以相互讨论、沟通，对设计中的问题请教教师和同学，并进行实践操作。

在课后，学生利用网络进行在线学习，对自己在网络学习中遇到的问题可与教师在线交流，及时向教师反馈，教师在网络教学过程中需要承担在线答疑与指导工作。对学生而言，利用网络资源对设计中需要掌握的技术和知识进行学习，也是实施中的一项重要内容。

3)评价与总结

教师面对面审查学生的设计成果，对学生的设计成果做出客观的评价；并根据不同学生的承担的工作进行提问，以评估该学生在团队中的表现。也可以通过在线方式和学生讨论问题，帮助学生完成总结报告，实现知识的内化。

在基于项目驱动的混合式教学的三个阶段中，不应该将传统的面对面的教学和网络教学割裂开来，而应该将这两种教学方式贯穿在整个教学过程中，只不过在不同的阶段有所侧重而已。

2 教学应用案例

本文以Buck 斩波电路项目设计为样例，阐述基于项目驱动的混合式教学模式的应用。

2.1系统设计

表1给出要求设计的Buck 斩波电路的相关参数，该项目要求学生完成电路设计、器件选择、电感电容计算、驱动电路和主电路的实验；并且要求设计闭环控制，满足从输入到负载的闭环系统稳定指标及静态控制指标并进仿真分析，以证明设计的有效性。

表1 Buck 斩波电路设计要求

学生之前仅仅学过Buck 斩波电路的拓扑结构及工作原理，要完成Buck 斩波电路的设计，这远远不够，他们需要进行控制、检测电路驱动和主电路的设计。对于控制电路，原则上不做限定，既可以选择诸如TL494、SG3525、UC3845 等PWM 控制芯片，也可以采用高性能单片机控制，但不允许采用直接集成的变换器单元。图2给出了由学生设计的Buck 电路原理图，其中注明主要器件的型号和参数。

图2 由学生设计的Buck主电路的

对于输入滤波电感和输出滤波电容的计算，根据下式，很容易计算出：

(1)

(2)

式中Lmin为图2电路中最小电感值，单位H；电容C为滤波电容，单位F；电压Ui和Uo分别为输入电压和输出电压，单位为V；ΔIL为电感电流的变化量，单位A；fs为器件的开关频率，单位Hz。

图3 给出了由学生设计完成的基于STM32控制的Buck 电路的PCB 图，从图中可以看出电路布局合理，元件的封装正确，对信号线和功率线的走线也有考虑。

图3 由学生设计的Buck电路的PCB

2.2建模与仿真

“电力电子技术”课程的教学中，没有涉及到Buck 电路小信号线性化动态数学模型的学习，学生要设计闭环控制器，仅靠盲目试凑，这样得到的控制器参数是没有说服力的，而需要通过计算机仿真来验证。

通过参阅相关文献和资料，可以得到Buck 变换电路占空比到输出的传递函数为：

(3)

Rc: 滤波电容的ESR。

根据公式(1)和(2)计算得到电感和电容值，利用Mathcad 得到Buck 主电路传递函数的bode 图，见图4。

图4 Buck主电路传递函数的bode图

从图中可知传递函数不能满足系统的静态和动态特性的要求，必须加入校正网络。根据工程设计要求，校正环节加入后的回路增益应使幅频渐进线以-20dB/dec 的斜率穿过零分贝线，并在较宽的范围保持斜率不变。通过选取穿越频率和控制器的类型，可以定量的确定控制的相关参数。

图5给出了由学生基于Matlab/Simulink 完成Buck电路电压闭环仿真模型和输出电压和电流波形，从仿真波形可以看出，对于电源电压及负载变换，整个系统表现出较好的静态和动态特性。

2.3实验与评价

最后由于条件限制，没有要求学生进行整个电路PCB 制作及调试，而是在万用板上进行驱动电路和主电路焊接和制作，利用单片机开发板输出高频PWM进行控制，图6 为学生进行Buck 电路调试和实验的照片。

图5 Buck电路闭环仿真模型

图6 Buck电路实验

以自动化141班为例，根据询问和学生提交的总结报告，得到混合式教学过程评估表，示于表2。

根据表2可知，大部分学生都能进行课前预习，对项目要求明确，自主选择自己感兴趣的有关设计工作，对不懂的知识和相关技术通过线上、线下积极学习和掌握，并在课外学习投入较多的时间与精力，取得了不错的成绩。

表2 混合式教学过程评估

3 结语

基于项目驱动的混合式教学使教学过程由教师为中心向学生自主学习方向转变。本文通过正确选择项目，合理组织和分配各种设备、工具、技术、媒体、学时、教材，将线上线下、课堂内和课堂外的有机融合，建立集网络技术、多媒体技术、计算机仿真技术及虚拟实验混合式教学平台，将混合式教学应用到“电力电子技术”课程教学中，充实了已有的混合式学习，进一步丰富混合式学习的内涵。这为实现实践性强的专业课程的信息化教学提供了可参考的实践经验。

[1] 何克抗,从Blending Learning看教育技术理论的新发展(上,下)[J] . 兰州：电化教育研究,2004,(3)(4):1-6.

[2] 苏小红,赵玲玲,叶麟,张彦航,基于 MOOC+SPOC 的混合式教学的探索与实践[J]. 北京：中国大学教育,2015,7:60-65.

[3] 敖谦,刘华,贾善德.混合学习下“案例-任务”驱动教学模式研究[J]. 北京：现代教育技术,2011,(4):42-47.

[4] 赵涛，张永号，刘启新，沈亚斌．MathCAD在“电力电子技术”教学中的应用[J]. 南京： 电气电子教学学报2013.35(3)，55-58.

[5] Alenka HREN, etc. Project based teaching of electromagnetics in power electronics course[J] Warsaw：PRZEGL?D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 3/2011:77-80.

[6] 赵涛，沈亚斌, 徐友，徐开芸．面向工程应用的电力电子技术课程教学实践研究[J]．北京：中国教育技术装备,2016.11: 98-99.

ExplorationandPracticeofBlendedLearningModeBasedonProject-driven

ZHAOTao1，ZHANGEn-xu2，HUANGJia-cai1，XUKai-yun1

(1.SchoolofAutomation, 2.SchoolofElectricPowerEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167China)

This paper, through the rational organization and distribution of various equipment, tools, technology, media and teaching materials, constructs the application model of blended learning in the Power Electronics Technology course, and the effect of the designed teaching model is verified . The results show that blended teaching mode based on project-driven will help not only improve experimental teaching effects but also enhance student′s integrative competence.

blended learning; project-driven; e-learning; power electronics technology;

2017-01-30;

2017-03-08

江苏省教育科学‘十三五’规划立项课题“工程教育专业认证背景下的混合式教学模式研究”阶段性成果，(立项编号： D/2016/01/05)，南京工程学院教学研究项目(项目编号：2015YB18)

赵 涛(1965-)，男，博士，教授，主要从事微电网控制技术及装置领域的教学和研究，E-mail:zdhxzt@njit.edu.cn

TP391.9

A

1008-0686(2017)05-0085-04