面向CEP解决能力培养的电力电子技术课程教学改革

杨维满 王兴贵 朱亚娜 郭群

摘  要 复杂工程问题解决能力培养是我国目前工程教育的核心所在。分析复杂工程问题与电力电子技术课程教学体系的关系，从课程师资团队建设与课程大纲修订以及一些对该能力培养具有直接影响效果的教学方法应用等方面给出具体实施建议，其中教学法主要考虑了案例教学法、项目引领教学法、竞赛驱动法和信息化背景下的现代讲授式教学法。最后，从学习效果评价体系改革与教学质量持续改进方面给出实践途径。

关键词 电力电子技术;复杂工程问题;教学改革;微课;慕课;网络教学资源;翻转课堂;雨课堂

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）20-0085-04

Abstract The ability cultivation of solving Complicated Engineering Problems （CEP） is the core of current engineering education in China. This paper first analyzes the relationship between complex engineering problems and the teaching system of the course on PowerElectronics Technology; secondly， it gives specific details from the aspects of course teacher team building and course outline revision， as well as the application of some teaching methods that have a directeffect on the cultivation of this ability. Implementation suggestions， among which the teaching method mainly considers the case tea-ching method， the project leading teaching method， the competition driving method and the modern teaching method under the back-ground of information technology; finally， it gives some practical approaches to the reform of the learning effect evaluation system and the continuous improvement of teaching quality.

Key words power electronic technology; complex engineering pro-blem; teaching innovation; micro lecture; MOOC; network teaching resources; flipped classroom; rain classroom

1 引言

自2006年我國正式启动工程教育专业认证试点工作以来，我国高校工程教育质量在国际社会上的认可度越来越高。《工程教育专业认证标准》是我国现行权威的工程教育本科专业认证标准，其中工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境与可持续发展、沟通等八条毕业要求中均涉及复杂工程问题（Complicated Engineering Problems，CEP）[1-2]。《华盛顿协议》要求四年本科毕业生达到能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题，所以复杂工程问题承担着毕业生能力层次的任务。

兰州理工大学（原甘肃工业大学）已有自动化、机械设计制造及其自动化、土木工程、金属材料工程等八个专业通过工程教育专业认证。2019年，工程教育专业认证专家组对电气工程及其自动化、计算机科学与技术、机械电子工程等多个专业进行了入校考察。电力电子技术作为电气工程及其自动化、自动化等专业的一门重要专业基础课，具有理论性、实践性和综合性都很强的特点。在学校主张实施本科专业认证意向形成初期，课程团队就面向区域与行业的发展需求，坚持“以学生为中心，成果导向和持续改进”三大核心理念，并结合电气工程及其自动化、自动化专业学生特点，对电力电子技术课程从教学内容、教学方法、评价考核等角度进行改革与实践[3]。

目前，课程团队围绕如何利用电力电子技术课程更好地培养学生解决复杂工程问题能力进行再探究、再实践。本文围绕该课程重点，从课程师资团队建设、课程大纲修订、课程教学方法改革、基础训练与创新实践平台建设等方面，分析CEP解决能力培养的思路。

2 培养复杂工程问题解决能力的主要举措

中国工程教育专业认证协会参照《华盛顿协议》要求，并根据我国高校实际情况明确界定[4]：复杂工程问题必须具备下述特征（1），同时具备下述特征（2）～（7）的部分或全部。其中第（1）条是必备的，它指出了复杂工程问题的本质;第（2）～（7）条是可选的，它们可视为复杂工程问题的表象。不同专业领域复杂工程问题表象可能不同，但都需遵循第（1）条，即必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决。

解决复杂工程问题能力的培养必须走出几个误区：将复杂工程问题作为教学内容，专门安排某些复杂工程问题教学环节等同作为背景的复杂工程问题;简单地以“难”等同复杂工程问题，用提高专业基础课、专业课的技术难度来实现复杂工程问题的达成，或要求每门实验课、课程设计课都有很高的实现难度;将培养学生“解决复杂工程问题的能力”狭义化为参加一个具体复杂工程的开发，甚至仅仅依靠毕业设计、综合实践等一两个实践环节[4]。学生解决复杂工程问题能力的培养必须通过整个培养体系实现，要将其进行分解，落实到培养的各个环节。

可将解决复杂工程问题的能力分解为归纳、建模、分析问题的能力，系统性分析问题的能力，工程决策能力[5]。同时，解决复杂工程问题能力的培养也需要分解落实到培养体系的各个环节。如按照支持解决复杂工程问题毕业要求达成的需要，安排理论课程内容，开展理论教学活动，进行理论教学评价，安排实践教学内容，开展实践教学活动，进行实践教学评价。所有教学课程都应包含在支撑毕业要求的课程体系中。本文就如何通过电力电子技术课程教学活动来训练学生解决复杂工程问题能力的几点措施进行主要说明。

课程师资团队建设与课程大纲修订

1）课程教学团队建设。教师是培养学生解决复杂工程问题能力的组织者，所以课程团队首先必须正确掌握复杂工程问题解决能力的界定，明确解决专业领域内复杂工程问题的能力特征;其次，转变传统以教为中心、唯书本论的教学理念，接受我国工程教育专业认证所主张的“以学生为中心，成果导向和持续改进”教育新理念，学习和应用适宜于工程教育的其他新理念，如STEP、STEM、CDIO等;再次，强化授课教师的工程知识和技术应用能力，在教学活动中将电力电子技术知识和工程场景相结合，充分融合企业解决非技术因素和技术成果相冲突时的方法论、经济决策和考量社会非技术因素的思维方式，潜移默化地提升学生解决复杂工程问题的能力;最后，需要不断地进行教学研究，并将研究成果滲透到教学过程中，不断提升自身业务素质。

2）制定新版课程教学大纲。传统教学大纲重视课程知识体系的完备性，课程目标重点在于相关知识点的传授和学习，出现“重教轻学”的问题，课程学习后学生的专业素养和工程实践能力得不到训练，更无法谈及复杂工程问题解决能力的培养。课程团队需要结合课程开设专业学生的培养目标和毕业要求指标点，坚持“以学生中心，成果导向，持续改进”的理念要求，突出复杂工程问题解决能力培养核心来重新制定教学大纲，主要包括课程教学目标重设、教学内容重构与优化、教学模式与教学方法改进、学习效果考评机制重建等。通过认真履行与工程教育专业认证内涵高契合度的教学大纲，并在教学设计和教学活动中“以学为中心”，突出学生复杂工程问题解决能力，必将提升工程技术人才的培养质量。

课程教学方法改革  按照布鲁姆的教育目标分类法，在认知领域的教育目标可划分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造等六种级别，并且从最简单到最复杂予以顺序排列[7]。其中，记忆、理解、应用属于初级认识或低层认识，是传统课堂教学中所关注的基础知识传授和基本应用能力培养;分析、评价及创造属于高级认识，这种高层次认知能力培养是未来课堂所重点关注的。

事实上，将复杂工程问题解决能力分解为归纳、建模、分析问题的能力，工程决策能力，系统性分析问题的能力之后，可以发现分解后的三大能力是与分析、综合及评价相关联、相互包含的，所以复杂工程问题解决能力与布鲁姆认知领域教育目标中的高层次认知能力培养是相统一的。因此，应该将培养学生解决复杂工程问题能力作为重点目标之一，通过精心设计教学内容，合理应用教学方法，将培养学生解决复杂工程问题应具备的能力贯穿教学始终。

高等教育教学方法形式多样并各有其特点。讲授式教学通过系统的语言描述、展示、讲解、示范来促进学生学习，具有知识系统性和条理性好、总结功能强、传授效率高等优点，有利于学生初级认知能力的形成;但对高级认知能力培养效果一般，需要结合其他教学方法予以实施。下面就利用哪些教学方法能促进复杂工程问题解决能力培养进行简要介绍。

1）案例教学法。案例教学法不仅能够使学习者了解与教学主题相关的基本概念或基础理论，而且能够通过基础知识来解决实际问题，进而训练学生高层次认知能力。电力电子技术课程内容中涉及大量的电力电子电路，这些电路绝大多数都有实际的工程应用背景，且电路中的开关器件又是电力电子器件的实际应用。电力电子技术应用领域广泛，实践性强，为教学活动中采用案例教学法形成得天独厚的优势。结合工程实际应用背景，恰当地选择工程实例，创设问题情境并完成引入、分析、讨论、问答等师生互动过程，引导和启发学生进行基础知识的重组，实现知识的迁移，可有效训练学生解决复杂工程问题的能力。

2）项目引领教学法。项目引领教学法以学生为主体、教师为辅，符合工程教育专业认证基本理念。同时，该教学法又突出理论与实践相融合，注重锻炼学生善于发现问题、自我分析问题与解决问题的能力。这些恰恰说明了项目引领教学法符合复杂工程问题解决能力培养的操作要求。结合本课程实践性强的特点，可以以该课程为基础来构建三级项目，由此来巩固学生对课程基础知识的掌握，如功率器件的选择，电力电子电路设计、制作及调试，进而训练学生的动手能力和思考能力，培养创新意识与创新能力。围绕电力电子技术课程综合性强的特点，结合自动控制原理、数/模电子技术、电路、电气检测技术等进行课程群开发，以解决复杂工体问题为目的建设二级项目，构建复杂工程案例，培养学生具备解决复杂工程问题的能力。二级、三级项目在构建过程中都需要遵循真实性、趣味性、融合性、明确性等原则，并且符合学生的认知规律，才能更好地为竞赛、毕业设计等一级项目服务。

3）竞赛驱动法。电子设计类竞赛涵盖面宽，综合性强，且能较全面地体现复杂工程问题的特征。如电力电子类题目，既来源于生产生活实际又高度抽象，在进行系统设计时无法仅靠常规方法就予以完全解决，需借助Multisim、MATLAB、PSIM、PSpice等仿真软件进行调试和测试;电力电子系统设计涉及主电路设计、控制电路设计、检测电路设计、驱动电路设计、系统级与器件级保护设计等，各部分涉及不同的课程、学科、理论和技术，问题相关各方既独立又统一。系统中控制电路参数设计需要基于系统模型才能合理完成，所以需要结合数理知识、专业基础及专业课进行建模和分析。

在参赛学生赛前培训和准备阶段，将通识课、专业基础课以及专业课知识相结合，通过设计方案选择相应的电路结构、器件型号，并设计相关的程序算法，再经历装置调试、实验测试和数据分析，锻炼学生的动手能力和知识迁移能力。在电子设计竞赛过程中，参赛队员能够更深入地分析竞赛题目，通过知识迁移、能力发挥，创新性地形成自己的设计方案，并考虑问题矛盾的方面，使学生建立完整的工程设计全局意识。指导教师、课程组、院校相关部门对竞赛进行分析总结，进而对教学课程、培养计划等进行修订，可以形成特有的竞赛驱动模式，以此来支撑学生复杂工程问题解决能力的培养[8]。

4）信息化背景下的现代讲授式教学法。美国著名认知教育心理学家奥苏伯尔认为：绝大多数知识需要学生通过接受式学习来掌握，而通过自主探究所掌握的知识是有限的[9]。基础理论知识对复杂工程问题解决能力培养起铺垫性作用，专业课程是学生进行知识迁移和能力培養的知识载体，所以讲授式教学方法是学生在复杂工程问题解决能力前期培养过程中进行专业知识学习的有效方法。

然而，在信息化时代背景下，教学资源和教学模式日趋多样化，微课、慕课等网络教学资源以及翻转课堂、雨课堂等线上线下混合式教学模式的出现，给传统讲授式教学法又注入新的生命力。这种教师主导活动、学生主体参与的混合模式，要求教师发挥引导、启发、监控教学过程的主导作用，学生充分体现作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性，由此影响和体现学生的学习成效。这恰恰反映了工程教育专业认证中的“以学生为中心”的核心理念，而且能为初级认知与高级认知提供有效的实施手段。目前，在讲授式教学方法中引入信息技术多种，但需要结合学生个性、教学任务和教学资源确定出最终的实施方案。

基础训练与创新实践平台建设  认知能力培养遵循由初级认识向高级认识发展的规律，复杂工程问题解决能力培养属于高级认识范畴，前期需经历工程认知、简单工程问题解决能力培养这一循序渐进的过程。因此，建立集本专业技能训练与创新能力培养为一体的综合实践平台显得非常必要。为增强学习效果，学生可同时通过仿真软件对电力电子系统进行设计分析，目前应用相对广泛的有PSIM、PSpice、Saber、MATLAB/Simulink等仿真软件。使用这些软件可以模拟真实电路，观察电压、电流、频率变化情况，对系统的分析与综合更具有直观性，加强了学生对所学内容的理解。

采用“能实不虚，虚实结合”和“重基础，重实践”的总体原则，建设半实物仿真的电力电子技术开放型基础实践平台。基于此，将教师团队科学研究中所发现的新问题以及相应的解决新方法工程技术化、课程化、实验化，通过合理设置符合区域特色和工程背景的实践创新平台实验内容，巩固电气工程及其自动化、自动化专业学生基础知识，训练其工程实践能力，培养其科研创新意识。同时，使学生了解行业背景，掌握行业技术，最终提高高校人才培养和行业人才需求之间的契合度，提升高校工程教育质量。

3 学习效果评价体系改革与教学质量持续改进

学生的学习效果是课程教学研究和改革成功与否的根本所在，所以建立合理、有效的教学评价体系，对于及时掌握学生学习效果，促进教学质量提升具有积极作用。针对电力电子技术课程目标，设计与之相匹配的课程考核与评价方式，学习效果评价体系除了考核知识目标的掌握情况，还应坚持能力导向，体现发现、分析、解决复杂工程问题的能力，以及创新意识与创新能力考核，遵循个性化评价、过程化评价、多元化评价原则，多方面、多角度地考核和评估学生的学习效果。

为提高课程教学质量，课程团队需要建立课程教学质量持续改进机制，以课程教学目标达成度来支持毕业要求的达成。在课程教学环节末端，根据学生考核数据来计算分析电力电子技术课程目标达成情况，结合学习效果总结出本年度课程教学实施过程中存在的主要问题，制定出下一年度课程教学改进的相关措施，由此形成该课程闭环式教学质量改进措施。教学质量持续改进必须建立在学习效果科学合理的评价体系之上，整个教学环节需要坚持能力导向、多元过程化评价。

4 结语

电力电子技术是一门实践性、理论性及综合性均很强的课程，从教学内容、教学方法、教学平台等角度来看，都能够很好地支撑学生复杂工程问题解决能力的培养。本文根据复杂工程问题与该课程教学内容、教学方法的关系，剖析一些可有效利用的实施方法。这些方法在实际教学中无须面面俱到，应根据实际教学资源、学生特性、教师当前能力择优而选，可当某方面做得比较成熟时，再考虑从其他几个方面入手;在教学评价体系中坚持能力导向，以及个性化评价、过程化评价、多元化评价原则，最终为提高电气工程及其自动化、自动化等专业本科生解决复杂工程问题能力发挥课程的有效支撑作用。

参考文献

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