基于项目与专业驱动的电力电子技术一体化教学改革研究

刘 毅，张优贤，赵 斌

(河南工学院，河南 新乡 453003)

电力电子技术渗透在工业、交通、电力、通讯、计算机、新能源系统等众多领域，其主要是研究利用不同的电力电子器件对电能进行变换或对电能进行控制。电力电子技术是弱电和强电之间的纽带，是电气工程专业、自动化专业等诸多工科专业的必要专业基底。电力电子技术对理论和技能的培养要求较高，课程内容的实践性较强。传统教学多以课堂讲授的方式进行知识传授，很难激发学生的学习热情，学生处理实际问题的能力较弱。因此，关于电力电子技术课程的教学、实验及考核方法的研究与探讨受到国内外各大高校的广泛关注。

1 国内外及校内研究现状

1.1 国内外研究现状

国内相关教学工作者针对电力电子技术课程教学改革开展了探索，索迹、祁春清等人提出了一种基于工作过程的电力电子技术及应用课程改革方法[1]；花有清、苏红富等人针对本课程的考核方式提出了形成性考核评价体系，为该课程考核方法的改革提供了强有力的支撑[2]；鲁明丽、吕庭提出了项目教学法，即把以往教学中的理论知识分解成若干个教学项目，整个教学过程都围绕着项目实施教学，让学生全程参与项目探究[3]。通过查阅大量文献，了解了我国电力电子技术教学改革现状，大多聚焦于教学内容的选取、教学模式的设计与创新、评价机制的改革与创新等几个部分[4]。

国外各类高校也对工程类课程的教学改革进行了积极探索。从2000年起，美国麻省理工学院等四所大学组成的跨国研究组获得近2000万美元的资助，经过4年的探索研究，创立了CDIO(构思、设计、实现、运作)工程教育理念，并成立了以CDIO命名的国际合作组织，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行工程学习[5]。针对电力电子技术教学，国外主要从课程设置、教学方法和课程设计等几个方面展开研究。在课程设置上，国外教材更注重介绍电力电子技术的实际应用，以培养学生的实际动手能力和就业能力，麻省理工学院EECS系、英国曼彻斯特大学在电力电子课程设置上都十分注重实际电力电子系统设计中的相关问题和课程设计等内容[3]。在教学形式上，明尼苏达大学在授课和实验中实施了一种不同于以往的教学方式——基于Building Block的教学方法。在课程设计上，丹麦Aalborg大学为应对电力电子专业新技术革新快的特点，实施了独特的Problem-based and Project-oriented的学习方法，每位在校学生从第五学期开始，每个学期都要在导师的引导下与同学合作解决一个课题，并且部分课程是针对课题研究设置的，包含课堂教学、讲座、讨论等多种方法，以实现教学内容与新技术发展紧密结合的目的[6]。

1.2 校内研究现状

纵观目前国内各大高校电力电子技术的教学情况发现，当前的课堂教学虽然比传统课堂教学有了很大改进，但仍旧停留在以教师为中心的传统教学模式上。

第一，课程教学上，未突出启发交互，知识与专业领域相融合。任课教师花费大量时间制作多媒体课件授课，并加入了许多图片和动画，但由于缺少与实际专业应用领域的结合，学生仍被动地接受知识，缺少真实的感性认识，导致学生学习存在被动性和无目的性。第二，实验教学上，未构建创作型项目化实验，体现实验价值。实验教学成为课堂教学的重复，教师进行示范性实验，学生单纯地、无目的地模仿，测定结果与教材上相近即可，没有将注意力放在实验中出现的各种现象上，不能独立思考并解释实验中出现的问题，无法从实验中获得灵感启发，且大多数实验都是验证性的，降低了学生的创作热情，实验目的和价值无从体现。第三，课程设计上，未突出原创与专业项目的应用。对于教师布置的课程设计作业，部分学生仅通过互联网搜索几篇文献完成报告，无法体现课程设计的目的和意义。第四，考核方法上，未构建多元化考评机制。当前的考评方法仍采取传统的教师全权评定的“平时成绩+实验成绩+考试成绩”的方式。但是，平时成绩单纯看出勤率、上课纪律、课后作业成绩，实验成绩单纯看实验结果报告，考试试卷的题型较单一，未与实际工程应用相联系且结论唯一，无法全面考察学生的学习成果，评价结果不够客观、全面。

应开展启发式教育，在实验教学中融入工程实际应用背景，以此引导学生明确学习目标，激发学生的学习兴趣和动力，使学生了解该门课程知识的应用领域和应用方法，从而提升学生的自主学习能力。本校电力电子技术作为电气学院电学各相关专业的一门必修课程，对其教学方法的研究受到了学院领导以及专业教师的高度重视，学院教师团队多次参加国内教学实践研讨会议，并积极参与各种在线课程建设及教学比赛，已积累了一定的教学成果，形成了启发式教学、仿真走进教学、课程设计辅助教学等教学机制和方法。经过近几年的改革与发展，学生的学习主动性和积极性有了显著提高。

2 基于项目与专业驱动的电力电子技术一体化教学改革策略

2.1 基于项目与专业驱动的电力电子技术课堂教学方法

第一，制订基于项目与专业驱动的教学课程规划。建立系统的观念，为调动学生的学习兴趣和积极性，减少学习的无目的性，在实际工程应用的依托下，制订基于项目与专业相结合的知识体系规划。在前期课程内容的设计过程中，与项目相结合，将与项目关联的理论知识巧妙渗透进来，禁止将各种电力电子器件、各种结构功能的电路无目的、无联系地放置，同时加强系统控制知识的渗透和融入。以高压直流输电系统为例，本项目基于其主要工作状态及原理制订了电力电子技术中电力电子器件、电力电子变流技术、电力电子控制技术三个主要部分的课程教学规划。

第二，基于项目与专业驱动的课堂启发式教学方法。基于制订的课程教学规划，结合高压直流输电系统实际工作组成和原理，通过“线上视频→高压直流输电系统组成介绍→原理介绍→问题思考→课程讲解→攻克难题→仿真验证”课程讲解模式实施课堂启发式教学，引导学生带着问题听课，以问题驱动教学，从根本上提高学生学习的趣味性和目的性，达到事半功倍的效果。在课堂教学过程中，要注重电力电子电路的设计，培养学生的电路设计思想和能力，同时将课堂教学、仿真实验并重，形成“学习→设计→仿真验证”的一体化课堂教学模式。

第三，制订基于项目与专业驱动的学生课后思考创新计划。根据课堂学习的“提出问题→分析问题→解决问题”的思路和方法，布置课后作业，巩固理论知识，完成对相似问题的分析，达到举一反三的目的。同时，制订课后不定期讨论、讲座、专题报告等多种形式的学习交流计划，学生之间交流各自的学习心得，共同解决问题，共同进步成长。

2.2 基于项目与专业驱动的电力电子技术实验教学方法

第一，制订课堂教学基础实验验证规划。针对课堂教学内容，进行相关基础理论和知识的简单验证，在掌握电力电子技术基础理论后，分小组对本组实验中出现的各种现象的原因进行讨论，提出本组的解决方案并再次进行实验验证，以实现提高学生提出问题、分析问题、解决问题能力的目的，为后期的电路分析和设计打下基础。

第二，制订基于项目与专业驱动的实验验证规划。通过了解学生对基础理论和基本实验方法的掌握情况，制订基于专业驱动的实验验证规划。以高压直流输电系统中的逆变电路为例，进行实际高压直流输电系统中逆变主电路和PWM控制电路的实验验证，建立“高压直流输电系统逆变电路设计→理论分析→仿真验证→实验验证”的设计和分析理念。

第三，基于项目与专业驱动的综合自主创新实验设计。在完成本门理论教学任务后，紧跟电力电子技术快速发展的步伐，以电力电子技术前沿技术为基础制订综合自主创新实验设计，并让学生提出相应的设计方案，通过“理论分析→电路设计→仿真验证→实验验证”模式，基于“基础→实践→综合→创新”主线，开展综合自主创新实验设计。

2.3 基于项目与专业驱动的考试及考核指标评价方法

第一，制订基于专业驱动的考试试卷。制订“基础理论+实际系统设计与分析”的考核方案，取代传统“理论+计算”的考试模式，考核学生的知识创新与应用能力。

第二，制订基于项目与专业驱动的考核指标评价方法。打破传统的教师一人认定结果的考核制度，构建“个人自评指标+小组互评指标+指导教师评价指标+考试评价指标”的四级评价指标。个人自评指标：由学生个人根据自己一学期的学习态度、动手能力、创新能力给出适当的评价。小组互评指标：由实验小组其他成员对学生的学习积极性、团队合作、动手能力、报告撰写等方面的能力进行评价。指导教师评价指标：指导教师根据一学期每个同学在学习态度、动手能力、综合自主创新实验设计等方面的能力进行全面评价，促进学生职业素养、个人素质的全面提高。考试评价指标：以基于项目与专业驱动的期末考试试卷成绩作为评价指标。基于以上评价指标，根据一定的权限，对学生的综合素质作出综合评定。

2.4 基于项目与专业驱动的相关建设

第一，师资队伍建设。①电力电子技术是电气学院电学相关专业等诸多工科专业的重要技术基础，学院采用以老带新、青年教师互帮互学并交流授课技巧的方法，以提高电力电子技术教师的总体授课能力和水平。②由学院教授牵头讲课与实验指导，积极组织开展在线精品课程建设，通过在线课程建设不断促进和提高团队青年教师的授课水平。积极参与实验教学评比活动，逐步建立一支结构合理、人员稳定、师德优良、教学水平高、教学效果好的课堂教学与实验教学相结合的电力电子技术专业课青年骨干教师队伍。③积极开展读书写作交流活动，每个青年教师每年都要阅读相关专业的著作和书籍，撰写读书笔记、发表相关论文，优化教学队伍的知识结构，全面提升青年教师的学术水平和教学水平，促进教学梯队健康发展。

第二，实验室建设。①加强电力电子专业实验室建设，通过学校资助、学院自筹等方式，结合社会需求与学科发展情况，及时更新与调整电力电子实验室设备，改善实验教学环境，引进多功能实验平台，开设针对性强的综合实验项目。②提升电力电子技术实验教师的教学水平，鼓励并组织实验教学教师去兄弟单位进行参观和学术交流，实验教学人员积极参与各类实验教学比赛，提升经验和学术水平。③加强电力电子技术实践教学，为学生提供及时、开放性的实验教学环境，鼓励学生参加全国大学生电子设计竞赛。

第三，教材建设规划。①全面采用普通高等教育国家级规划教材和普通高等教育电气工程与自动化类规划教材，保证教材内容与电力电子领域的科技发展水平相同步。②根据课程建设需要和专业需求，有针对性地指导学生选用学习参考书。③精心选用国外原版教材作为教学参考书，积极试行双语阅读教学。

第四，课堂教学研究。①针对学生基础参差不齐的问题，实现线上、板书与PPT教学相结合的教学模式，着重基础知识的讲解。②运用“计算机仿真走进教室”的教学模式，讲解完相关基础知识后，通过实时计算机仿真，加深学生对知识的消化和理解。③教学课件年年更新，保证教学内容与电力电子领域的科技发展水平相同步，增强学生对知识的理解。

3 结语

结合河南工学院应用型本科的办学宗旨和办学特色，以电气工程及其自动化专业背景为依托，以实际工程应用项目为载体设计教学、实验和考核环节，形成以“项目与专业驱动”为主线，贯穿教学、实验、考核三个环节的创新型教学模式。本教学改革方法的应用取得了以下成效：第一，明确了学习目的，激发了学生的学习兴趣和动力。通过将“项目与专业驱动”贯穿该课程教学实施的始终，将理论知识与实际应用相结合，使学生在学习过程中能够把握学习方向，明确知识的应用领域和应用方法。将学习内容与未来就业和职业发展相结合，从而有效提升了学生的学习主动性和积极性。第二，体现了学校的办学宗旨和特色。河南工学院是一所以机械、电气领域为主，多学科协调发展，行业特色鲜明的应用型本科大学。目前，相当一部分毕业学子就业于机械、电气相关领域。在教学、实验、考核环节中贯穿专业驱动，可以有效提高学生毕业后的社会适应能力。第三，体现了电气学院专业特色。目前，电气学院的大部分教师从事与电力系统、自动化等相关领域的科研项目，授课教师普遍具备扎实和深厚的专业知识，在讲授知识的过程中能够充分结合电力系统行业进行深入的、全面的、形象化的课程教学，学生的学习兴趣更加浓厚，学习效果比较理想。

综上所述，本教学改革方法具有较好的研究意义和实现价值。一方面，可以有效提高学生的学习兴趣，提高教师的教学和实验成果，从根本上降低学生学习的被动性和无目的性。另一方面，可以扩展学生毕业后的就业面并提高就业能力。基于项目与专业驱动的教学理念，能够有效提高用人单位对毕业生的满意度，实现“学校发展→人才培养→用人单位良好评价”的良性循环。