基于OBE理念的电力电子技术课程教学改革

马双宝 游青华 贾树林 游长莉

摘要：以自动化专业电力电子技术课程为例探讨基于OBE理念的电力电子技术课程教学改革，对比基于知识与基于目标成果的教学方式，提出OBE框架下的电力电子技术教学方式;以提升学生对电力电子的理解力为中心，建立电力电子开关等效模型与类比分析模型，并分析提升达成度的教学方法。从教学效果看，基于OBE理念的电力电子技术课程教学改革不仅可以激发学生的学习兴趣，提高学生应用创新能力，而且能有效地提升达成度。

关键词：工程专业认证;电力电子技术;应用创新;成果导向;教学改革

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1008-4657（2019）06-0073-05

0 引言

工程教育专业认证的三大理念强调以目标成果为导向的教育理念，在教育的全过程中坚持以学生为中心，同时突出过程的持续改进性[1-2]。在工程教育专业认证背景下推动课程教学改革是深入学习贯彻全国教育大会、落实淘汰“水课”、打造“金课”的重要举措[3-4]。一流课程建设不仅要实现从传统基于知识的教学理念到基于目标成果为导向的教学理念的转变，而且更需要构建一整套基于目标成果为导向的教学模式、教学内容以及教学方法。

本研究针对自动化专业电力电子技术课程理论性强、电路分析困难、波形图复杂而又对实践动手能力要求高的特点[5]，在OBE理念和框架下探讨电力电子技术的课程教学改革。形成以目标成果为导向的教学模式、以学生为中心的教学内容以及提升课程达成度的教学方法。

1 以目标成果为导向的教学模式

基于知识的教学方式重点在于知识点的讲解与知识点相互之间关系的把握，主要从讲授知识的角度完成电力电子技术内容的教学，配以综合性实验、课程设计深化知识的理解，以卷面考试的形式完成对学生学习效果的考核工作。这种教学方式容易让学生失去學习兴趣与信心，课后实验也通常是验证性的，难以真正提升学生的动手能力与创新能力。

以目标成果为导向的教学方式注重目标、过程与成果三维一体，教学前定目标，学习过程则是按照目标进行实施，而成果是学习后目标的达成度反映与评价。电力电子技术是一门专业性非常强的课程，其主要内容是采用电力电子开关器件实现电能的变换与控制[6-7]。课本内容大体包括电力电子开关器件、电力电子变换技术、PWM控制技术以及软开关技术四大部分，知识结构严谨、内容抽象。基于知识的教学方式与基于目标成果为导向的教学方式对比如图1所示。

图1 基于知识的教学方式与基于目标成果为导向的教学方式对比图

而在工程专业认证思想的指导下，电力电子技术教学模式转变为基于目标成果为导向的教学方式分为三个阶段：

第一阶段是参观电力型企业，了解电力电子技术的应用前景，激发学生的学习兴趣，制定学习目标。缺失学习兴趣是学生在学习电力电子技术过程中最大的阻碍，参观电力型企业能够让学生了解电力电子技术发展现状与应用前景，激发学习兴趣与热情，依据专业毕业要求制定本课程的学习目标。

第二阶段依据学习目标安排教学内容和教学形式，教学内容的安排以实现学习目标为依据，而教学形式可以是多样化的，包括知识讲解、仿真实验、实物制作、课程设计、讨论交流等等。

第三阶段是达成度的计算与综合性考核。达成度的计算反映通过学习、交流、动手操作等途径完成既定学习目标的程度，既是对课程教学质量的评价也是对学生培养质量的一种反映。基于目标成果的教学模式的学生考核也是多样化的，不再局限于卷面考试，而因将学习过程中各阶段的表现都体现出来，以学习过程与目标成果达成度为依据，乘以权重计算得到每位学生的考核成绩，以完成目标成果达成度实现对任课教师的质量评价。

与基于知识的教学模式相比，基于目标成果的教学模式不仅实现了教育理念的转变，而且融合了多种教学方式，激发了学生的学习兴趣，以学生为中心，提高了学生的动手能力与创新能力。

2 以学生为中心的教学内容改革

电力电子技术是一门综合了电子学、自动控制理论以及电力学的新型交叉性学科，它涉及电力电子变换和控制技术，包括电压（电流）的大小、频率、相位及波形的变换与控制[8]。课程不仅理论性强，电路图多、波形图分析难，而且实践性要求极高[9]。在工程专业认证教育下，课程的内容安排与讲授须体现以学生为中心的理念。

2.1 等效开关模型

电力电子技术课程中电力电子器件的认知与理解是非常重要的，也是电能变换的关键。电力电子器件的工作原理与特性分析是非常抽象的，为了加深学生对电力电子器件的认知，完成掌握电力电子器件的预定目标，在教学内容上建立开关模型有助于学生对电力电子器件工作原理的理解，晶体三极管的等效开关模型图如图2所示。

图2 NPN型晶体三极管等效开关模型图

晶体三极管是模拟电路中主要使用其线性放大去，而作为电力电子器件则主要使用其饱和区与截止区，即开关的两中对立状态。如图2所示NPN型晶体三极管由基极、发射极、集电极三个极组成，内部存在基区、发射区、集电区三个区，同时形成两个PN结。依据NPN型三极管的工作原理，可以将NPN型晶体三极管抽象成一个由基极电流控制的开关，被控对象为集电极电流，开关模型中的控制关系如公式（1）所示。

Ic=0 Ib0βIb 0<Ib<IbmaxβIbmax I>Ibmax（1）

当基极电流小于或等于零时，NPN型晶体三极管工作在截止区，即开关断开，被控集电极电流为零;当基极电流大于基极最大电流时，NPN型晶体三极管工作在饱和区，即开关完全导通，被控集电极电流为最大饱和值，且恒定不变;当基极电流介于两者之间时，NPN型晶体三极管工作放大区。由此可以分析得到NPN型晶体三极管工作在开关的哪个状态取决于基极电流的值，以实现小电流对大电流导通与关断的控制。

电力电子器件的开关模型是从电力电子器件工作过程中抽象而来，它不仅通俗易懂，体现了知识的连贯性与整体性，而且形象地揭示了电力电子技术核心思想是利用弱电压或弱电流去控制强电压或强电流的通与断，从而实现电能的变换。

2.2 类比的电路分析方法

以学生为中心，结合本专业学生的电路学习及相关基础，合理、精心安排教学内容是很有必要的。在所有的教学内容中，讲授的主次要分明，主线与次重点线相结合，尤其是对比学习知识点之间的异同显得格外重要。下面以降压电路与升压电路对比分析为例，着重介绍开关电路主电路的分析思路与方法。降压开关电路如图3所示，升压开关电路如图4所示。

对比分析中，首先分析其电路的元器件，它由输入直流电压、开关管T、储能电感L、续流二极管D、稳压电容C以及负载电阻R。电路具有结构简单、元器件少的特点。其次分析电路的功能，降压开关电路的主要作用是将直流输入电压变换成另一小于输入电压的直流电压输出，即实现DC/DC的功能，而实现该功能的主要器件是开关管、续流二极管以及储能电感，因此，它们是实现电能变换的关键。然后以“控制”的思维分析各元件的功能：在降压开关电路中开关管的角色类似人体的“心脏”，在电路工作过程中在断开与导通两个状态之间来回切换，从而控制电路中电流在两种回路中进行切换，即实现换流过程;而储能电感在开关管的切换过程中实现电能的充与放;续流二极管的主要功能是为电感放电提供回路。最后建立描述降压开关电路的微分方程，联立边界条件，分别求解出升压、降压电路中输入输出电压关系，并依据电路中换流情况画出电路中各元器件中电压电流的周期波形图。

在电力电子技术电路分析中，分析方法至关重要。对于由开关管起主导作用的开关电路而言，我们采用四状态分析法，即把开关电路中开关分成四个状态进行分析：导通、断开，导通至断开、断开至导通四个状态，同时它对应着电路中电流换流的四种状态。在讲解与分析开关电路中换流电压电流波形时特别要注意电感、续流二极管、电容等重要元器件的作用，而且其作用在开关电路中基本保持不变。

3 提升达成度的教学方法

电力电子技术是一门理论性强、实践要求高的专业课，理论教学存在一定的深度，而学习的目标是提升学生的电路分析能力与实际动手能力。结合本课程的特点，实现课程学习的预期目标，提升课程教與学的达成度，可以通过以下教学方法进行提升。

3.1 课程实验

电力电子技术的课程实验基本上属于验证性的，而且受实验条件的限制，实验仍然以晶闸管为主要开关器件进行实验。实验过程中学生无法理解电路的工作过程与波形，为了加深学生对强电电路的工作过程的分析与理解，在课程实验中增加仿真实验环节。通过仿真可以实现电力电路的动态分析，加深对电力电路的理解深度。

3.2 课程设计

电力电子技术理论学习的目的是为了提高学生的实际动手能力，完成预期的学习目标。课程设计可以数控电源或者开关电源为例进行，实现电力电路的设计、选型、焊接、调试、分析以及总结工作。以课程设计促进理论的理解，以设计过程体现学习的目标成果。

课程设计仿真图如图5所示。

课程设计一般分三个阶段进行。第一阶段为任务分配阶段，在这个阶段主要内容是将学生分组，并布置小组题目。例如设计并制作一台240 W高精度开关电源，具体任务如下：以反激拓扑为主体，自己设计反击变压器，采用电流控制芯片，设计一款220 V市电输入，24 V直流输出，最大电流可达10 A，输出纹波为1%的高精度开关电源。

第二阶段分题指导，与学生一起分析、讨论并解决在前期方案研究过程中遇到的问题，同时为后续电路焊接与调试作方向性的指导。

第三阶段为验收阶段，即对学生所做实物进行测试与验收，并对测试过程中出现的问题进行分析总结。此课程设计与教学内容并行进行，旨在培养学生的动手能力与思考分析问题的能力。

3.3 学科竞赛

积极引导学生参加全国大学生电子设计大赛是提升课程学习达成度的主要途径之一。每届大学生电子设计大赛都设有电力控制方向的赛题，参加各种学科竞赛不仅是对学生理论学习的一次升华，更重要的是系统性地提升学生实践动手能力。

2015年本研究团队指导学生参加大学生电子设计大赛获得省一等奖3项，2016年获得省特等奖1项，省一等奖1项，省二等奖2项，2017年获得省一等奖2项，省二等奖2项，2018年获得省一等奖3项，省二等奖3项，2019年获得省一等奖2项。学科竞赛的成绩反映出电力电子技术教学的目标得以达成。

3.4 课程讨论与交流

电力电子技术课程的学习过程中增加课程讨论与交流环节，以学习小组为单位进行内容的讨论与交流，充分调动学生的学习主观能动性，激发学生的创新思维，实现创新能力提高。

3.5 线上与线下教学相结合

电力电子技术采用线下与线上相结合的教学方式，不仅可以将线下课程录像上网，实现网络教学，同时也可以将课程实验、课程设计以及课程交流讨论等环节实现网络学习。多途径的教学方式可以满足学生的不同需求，并服务更多的人群。

4 总结

本研究在OBE理念和框架下探讨电力电子技术的课程教学改革，研究形成以目标成果为导向的教学模式，提出制定预期目标、按目标安排教学内容以及教学成果与达成度计算三维一体的教学模式。以学生为中心，结合电力电子技术的内容，提出电力电子器件的等效开关模型与知识类比分析方法，便于学生理解。结合课程预订目标成果，探讨了电力电子技术课程达成度提升的教学方法，为创建电力电子技术一流课程奠定基础。

参考文献：

[1] 李然，于乐，杨光仪，等.面向工程教育专业认证背景下的《电力电子技术》课程教学模式改革与思考[J].高教学刊，2019（12）：135-137.

[2] 任思璟，郭殿林，孟娇茹，等.工程教育专业认证背景下新型创新人才培养模式的研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2018（Z1）：60-61.

[3] 郭攀锋，粟世玮，赵胜会.工程教育专业认证背景下电子技术基础课程教学改革[J].新课程研究（中旬刊），2017（10）：93-95.

[4] 吴昌东，陈永强，江桦.基于工程教育专业认证的电子技术实验教学改革实践[J].实验技术与管理，2018，35（2）：169-173.

[5] 吴丽珍，杨新华，李晓英.以工程教育认证为导向的电子技术基础课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018（8）：170-171.

[6] 刘明堂，杨阳蕊.新工科背景下的电子信息工程专业创新人才培养模式探讨[J].科技创新导报，2018，15（20）：225-226.

[7] 曹阳，彭小峰.基于工程教育认证理念的电子信息工程专业建设研究[J].中国教育技术装备，2016（16）：71-73.

[8] 侯翠红，胡国勤，任保增，等.新工科建设产学研融合 培养卓越化工人才[J].河南化工，2017，34（12）：47-49.

[9] 邢键，赵亚凤，李明，等.基于OBE理念的林业院校电子信息工程专业新工科建设探索与实践[J].科教文汇（上旬刊），2018（1）：64-66.

[责任编辑：许立群]