数字化背景下电力电子技术课程混合教学实践

余畅舟, 徐海珍, 刘 淳, 陈克琼, 孙 强, 张 兴

(1.合肥学院 先进制造工程学院,安徽 合肥 230601;2.合肥工业大学 电气工程及其自动化学院,安徽 合肥 230009)

0 引言

在2020年初,中国的高等教育体系经历了一场前所未有的在线教学革命。教育部发布的《做好高校在线教学组织与管理工作》指导意见,推动了政府、高校和社会的共同参与,力图推进在线教学的全面实施[1]。截至2022年11月底,上线慕课数量超过6.19万门,注册用户达4.02亿人,学习人数达9.79亿人次,在校生获得慕课学分认定3.52亿人次,中国慕课数量和学习人数均居世界第一[2]。各高校通过信息化手段,积极探索和应用在线教学模式,成功地应对了挑战,保证了全国高校教学的稳定性。

虽然高等教育的数字化转型在多年前就已启动,但这次在线教学的大潮无疑加速了这一进程,短短几周内便实现了颠覆性的变化。这对教师来说是一项巨大的挑战,需要积极实践和探索教学模式,提升教师的信息化能力和水平,全面推进高校混合式教学的改革,以提高教学质量[3]。在新工科教育背景下,课程需要强调实践性、创新性和交叉性的教学理念。这意味着课程不仅要提供丰富的实践环节,培养学生的工程实践和实验能力,同时也要鼓励学生进行创新性的探索学习,挑战传统思维,提升创新能力[4]。教育部高教司司长吴岩提出了“两性一度”的金课标准,即高阶性、创新性、挑战度[5]。如何将这一在线教学大潮转变为机遇,探索线上线下混合教学模式的优势,以积极向上的态度去面对新教学模式的改革,提高教育信息化手段的利用能力,切实提升教学质量,增强教学效果,培养复合型人才,将成为高等教育教学改革的重要方向[6-7]。

因此,本研究首先对比混合教学与传统线下教学的优势,并以本科电气工程及其自动化、自动化等专业的核心课程电力电子技术为例,结合本教学课程组在工程教育认证工作中的经验,分析该课程现状与存在的问题。然后,针对这些问题,探讨线上资源建设内容及线下教学向混合教学的迁移策略。最后,以课程组电力电子技术近3年的课程目标达成情况作为数据,对所提出的建设内容和策略的效果进行验证。

1 线下教学与混合教学对比

传统的线下授课方式的教学过程通常是单路径的教学设计,目标是让学生充分吸收知识。例如,基于五星教学原理的微课教学设计模式可以围绕具有任务特征的中心问题展开[8],通过激活旧知、示证新知、尝试应用、总结归纳、融会贯通5个阶段组织教学。

相比之下,线上线下混合的教学方式强调在学习过程中的两条协作路径:一是线上与线下的学生与学生之间、师生之间的人际交往活动;二是将在线课程作为知识载体,通过线上、线下的多维学习活动以及师生之间的交互与协作,进行自适应学习与深度学习,训练高级思维能力,使知识与素养进行交互,从而达成智慧学习的目标。这两条交互路径并不是割裂的,而是相互促进,共同推进智慧学习进程。

表1是线下教学与混合教学在各教学阶段教学过程中的时间安排。对比分析发现,一方面,从各时间安排上看,传统的线下教学过程环节多,其中新知识讲解部分时间较少,难以保证所有知识点的讲解或知识的深入讲解;而线上线下混合模式教学环节相对较少且集中,可有效保证所有知识点的讲解,并对较难的知识点深入讲解。另一方面,线上线下混合教学因知识讲解时间较多,可更有效组织开展相关的提问或专题探讨等教学活动,增强课堂的互动性,形成积极活跃的互动交流氛围,有利于提高学生学习的积极性。

表1 线下教学与混合教学时间安排对比Tab.1 Comparison of schedule between offline teaching and mixed teaching time

因此,相较于传统线下教学,混合式教学通过多维学习活动以及师生之间的交互与协作,能更适应不同学生的学习情况,训练更深入的思维能力,达成更高阶的学习目标。

2 电力电子技术课程线下教学的现状与问题

2.1 综合性强、难度大

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术,它结合了电子、电力和控制相关知识,包括电路、模拟电子技术、数字电子技术、控制原理、工程电磁场、计算机控制技术等多个方面。因此,电力电子技术课程具有综合性强、难度大的特点,本身能体现一定的高阶性和挑战度。但在课程学习过程中,一方面由于其涵盖内容广泛,学生存在一定的前期知识“盲区”;另一方面,由于其难度大,学生对课程内容的理解往往不够深入。

2.2 实践性强

电力电子技术是一门强调工程背景的课程,它要求学生在扎实的理论基础上,联系实际,灵活运用所学知识,因此其具有实践性强的特点。

2.3 完整性缺失

Dr.William E.Newell给出电力电子技术的经典定义:电力电子技术是电气工程三大学科(电子、电力和控制)的交叉[9]。然而,当前的本科教材和课堂教学内容主要包括电力电子器件、电力电子变换器电路和变换器共性问题3个方面,忽略了“控制”在电力电子技术中的作用,从而并未真正形成完整的电力电子变换器系统。这导致学生在学习过程中对电力电子技术的认识不够完整,无法构建整个电力电子变换器系统的认识。

2.4 缺乏线上教学设计

教师当前的线上教学多是将线下教学内容直接“搬运”至线上,并通过直播方式进行,极少有针对线上特点进行的调整与优化。由于线上直播教学缺乏对课堂整体的管控,教学效果大打折扣。应根据在线教学的特性来重新设计和优化教学内容和方法。这需要教师具备一定的在线教学技能和理解,同时,也需要学生对在线学习有足够的适应能力和自我管理能力。

综上,电力电子技术课程教学存在综合性强、难度大、实践性强、完整性缺失以及缺少专门的线上教学设计等问题。教师通过建设电力电子技术课程的线上资源,逐步引入混合式教学模式,利用这种模式的多维学习活动以及自适应学习与深度学习的特点,来改善当前线下教学存在的问题。

3 电力电子技术课程线上资源建设及混合式教学思路

3.1 仿真教学视频的建设

面对课时限制、不同专业兼容性以及学生接受能力的挑战,课程组认识到,当前本科教材和课堂教学内容主要集中在电力电子器件、电力电子变换器电路和变换器共性问题3个方面,而遗漏了关键的“控制”环节。这对学生而言,可能无法获得对电力电子变换器系统的全面理解,也不利于他们将所学知识有效应用,达到理论与实践的融会贯通。

为了解决这个问题,课程组提出利用现代工具进行仿真学习。然而,由于仿真软件的基本操作具有一定的专业性,且当前的仿真教学相关书籍主要针对研究生进行电力电子变换器特定应用的仿真,并不适合本科生基于电力电子技术课程的学习提升。因此,课程组设计了一套从入门到进阶的仿真教学视频,总计8学时。这套视频以仿真软件功能教学和电力电子变换器搭建为主线,具体安排如表2所示。

表2 仿真教学中的课程知识点与仿真目标

通过仿真学习,一方面,学生可以深入理解电力电子变换器的工作原理,了解变换器各支路的换流过程,对稳态分析和参数设计进行验证。另一方面,学生也可以掌握仿真软件的使用基本方法,从而提升使用现代工具的能力,更好地满足毕业要求,这也是对实验的有效补充。此外,电力电子技术仿真的学习还为后续的相关课程,如“电力电子技术课程设计”“电机拖动运动控制基础”以及毕业设计环节等打下了坚实的基础。

3.2 例题库与解析的建设

针对课程难度较大的问题,教师可以通过建立课程例题库及其解析的方式解决。课程例题是学生学习知识的桥梁,是学习方法的探究,解题方法的示范,能起到贯通知识,归纳方法,增强技能,培养能力和发展思维等作用。电力电子技术课程本身具有一定的高阶性和挑战度,常规教学活动以及当前的教材中普遍存在例题偏少的问题,更缺少类似电力电子技术习题集的专门书籍。加上传统线下教学活动无法保障充足的例题讲解时间,这使得学生对于课程理解不深,难以将知识贯通灵活运用。

为此,课程组通过建立题库,为每个题目配备详细的答案解析,对于相对较难的题目还配备视频讲解。同时,利用线上教学系统发布作业和测试等,以培养学生的思维能力。课程组设计了针对课程特点的题库,将题库分为4类,如表3所示。

表3 题库类别与目标

对于不同的题目,设定了对应的课程目标。在学生练习的过程中,可以统计作业和小测验层面的课程目标达成度情况,有助于对课程进行持续的改进。

3.3 预习导入的建设

针对课堂学时紧凑的问题,可以将激活旧知和新知引入的内容移至线上进行。在线下课程前,通过线上教学系统发布预习导入环节。预习环节主要以视频为主,为每个课程的主要知识点配备视频,视频时长约7 min。内容主要包括当前课堂的背景介绍、问题描述、基础引导和启发思考4个方面。作为工程背景较强的课程,背景介绍可以是应用环境或当前学习的知识。在问题描述中,可以引出当前实际工程问题或局限性,通过提出简单的思路进行基础引导,并进一步抛出深层次的问题启发思考。

以单相全波整流为例,其预习导入设计如图1所示。首先介绍单相全波整流的应用背景和基本知识,然后描述实际工程中的问题和局限性,接着提供了一些基础的解决思路,最后抛出了一些深层次的问题,以启发学生的思考。这样的设计旨在激发学生的学习兴趣,提高学习效率,使他们能够在课堂上更好地理解和掌握知识。

图1 预习导入的教学设计Fig.1 Teaching design of pre-study introduction

3.4 专题探讨的设置

针对学有余力的学生,可增加一些聚焦于某个知识点的深入探讨内容,在课本和课堂已有的知识上进行拔高。专题探讨的内容包括技术专题和应用专题,呈现形式可以是视频报告、PPT(PowerPoint)文档、经典综述或研究论文等。课程组针对本课程的各个章节设置了相关的专题(表4)。通过专题探讨,可激发学生对电力电子技术深入探究的兴趣,也为他们今后进一步深造或从事相关工作打下基础。同时,通过探讨技术专题,可提高本课程的高阶性和挑战度;通过探讨应用专题,可以提高课程的创新性。这样的设计旨在满足不同学生的学习需求,既能保证所有学生都能掌握基础知识,又能满足一部分学生对深入学习的需求。此外,专题探讨也能帮助学生建立对电力电子技术的全局认识,提高他们的综合素质和实际操作能力。

表4 电力电子技术课程专题探讨设置

3.5 知识补充的实施

电力电子技术课程具有综合性强、难度大的特点,学生的基础因专业和课程体系的不同而有差异。为了解决该问题,课程组提供了一系列针对前期知识“盲区”和薄弱点的线上教学视频。在教师的指导下,学生可以根据自己的实际情况选择性地进行补充学习。根据课程的内容,课程组建设的补充知识点包括:瞬时功率、平均功率的定义和计算;非正弦有效值的计算(如三角波有效值);视在功率与功率因数;傅里叶级数及应用;非正弦功率的计算;三相交流电相与线的关系;三相交流电时间相量与空间矢量;变压器模型及其选用等。

通过这种方式,避免了学生因缺乏相关知识而感觉课程太难,以致中途放弃。补充知识不仅可以提高学生的整体学习状态,也可以提升课程目标的达成度。通过知识的补充,落后学生避免了因缺少相关知识感觉课程太难而中途放弃,提高整体学习状态,提升课程目标达成度。

4 结论

在线教学大潮的突然来袭,改变了现有的教学模式,但同时也为高校专业课程改革创新带来了新的机遇。结合“两性一度”的“金课”标准,针对电力电子技术课程内容的综合性强、难度大、完整性缺失等问题,结合线上线下混合教学的优势,探讨并提出了从仿真教学视频、课程例题库与解析、预习导入、专题探讨、知识补充等多方面建设线上资源的策略。

通过实施教学改革创新,团队发现这种教学方式有效地提高了学生的专业能力,激发了学生的专业学习兴趣。根据专业统计,本专业电力电子及后续课程的培养目标达成度较好(图2),近两年毕业后从事与本课程相关工作的学生比例超过30%。

图2 电力电子技术近3年课程目标达成值曲线Fig.2 Achievement value curve for power electronics course objectives in last three years

线上资源的建设,为后信息智能时代和新工科背景下的专业课程教学改革提供了新的思路。笔者相信,通过持续的改革和创新,这种教学方式能够更好地满足学生的学习需求,提高教学质量,同时也能为高等教育的发展做出贡献。