新工科背景下电力电子技术课程多模式融合教学改革研究

顾 珊，崔佳民，杨 丽

（浙江水利水电学院 浙江 杭州 310000）

随着新工科建设工作的全面部署，教育部明确了我国工科教育需要持续培养新工科人才以支撑国家实施创新驱动的发展模式[1]。因此，在新工科教育发展背景下，如何培养出能满足企事业单位需求的工程技术专业人才，成为应用型高校亟须解决的关键问题[2]。

电力电子技术是为适应社会经济发展而形成的新兴技术，其应用非常广泛，大到目前国内外高度重视的新能源技术发电设备、电力输送设备等，小到人们日常生活中的各种家电[3]。然而，相对于电力电子技术的蓬勃发展而言，我国国内部分院校的电力电子技术课程教学内容与方法陈旧，无法真正跟随时代的发展趋势。

以浙江水利水电学院（以下简称“我校”）的电力电子技术课程为例，目前，该课程作为我校新能源科学与工程、电气工程及自动化等专业的一门专业必修课，课程授课面覆盖较广。然而，在目前的电力电子技术教学实践中仍存在教学内容陈旧、实验内容单一、与工程实际脱钩、实验设备陈旧或过于集成化、可操作性差等诸多问题[4]。因此，有必要针对新工科建设培养创新人才和工程技术人才的要求，并根据学校课程教学现状，对现有的教育教学方法和内容进行改革优化，以提高教学质量。

1 多模式融合教学改革

电力电子技术课程存在教材内容脱离工程实际、实验设备陈旧、实验内容单一等问题，导致理论学习与工程实际、实践操作脱节。因此，有必要将应用实例、线上教学平台、虚拟仿真增加到课程教学中，构建线上线下混合式教学与理虚实一体化教学相融合的多模式教学课程模式，从而达到优化教学内容、创新教学模式、提升教学质量、推动教学改革的目的。具体教学模式见图1。

图1 多模式融合教学模式

1.1 以工程为导向，优化教学内容

按照新工科人才的培养思想，结合我校致力于培养具备专业应用技能和工程实践能力，以及能够处理复杂工程问题的高层次应用型人才的培养目标，有必要以工程技术应用为改革前提，优化该课程现有教学内容。结合工程设计实际和产业发展趋势，删减晶闸管相关内容，增加实际工程中常用的全控型器件的教学学时，调整教学内容；紧跟科技发展，适时对电力系统领域有关的新技术进行归纳总结，增加实际应用案例到课程教学内容中，优化知识体系。分析研究各学科方向中有关电力电子领域的相关课程，加强相关课程间的有机融合，拓宽知识范畴。如在讲解逆变电路部分内容时，可以将其与光伏发电系统设计课程中的光伏逆变器有关内容融合到一起，为学生今后从事与本专业方向相关的科学研究、生产工作以及工程设计等提供必要的理论知识基础和专业技能保障。组织学生参观专业领域相关企业，使学生实地学习电力电子装置在光伏、风电、智能电网等领域的工程应用，加强学生的认识与了解，为学生今后的工作、科研等打好理论基础。

1.2 改革教学手段，开展线上线下混合式理论教学

由于线下的教育模式存在时间与空间上的限制，无法充分锻炼学生的专业技能和应对复杂工程问题的能力，而采用线上与线下相结合的教育方式是有效的解决方案。通过引入雨课堂、慕课、超星学习通等线上教学资源平台，充分发挥线上教学资源优势，开展线上线下混合式教学，可有效弥补线下教学时间与空间上的不足，提高学生自主学习能力。教师利用线上网络教学平台发布课前预习可以实现学生课前线上导学；课中利用线上平台开展签到、点名、抢答等课堂教学活动加强教师与学生的互动交流，可以集中学生的注意力，提高其学习的积极性和趣味性；在课后进行线上课后作业、章节测验、任务点学习跟踪、答疑互动等，可以帮助学生加深对线下课堂内容的理解。另外，利用网络教学平台可以发布实验任务书、实验指导书、多媒体课件、实操教学录像等，实现线上实验导学。线下实验室的实物验证，更侧重锻炼学生的动手和工程实践能力。

1.3 引入虚拟仿真，构建理虚实一体化实践教学

在电力电子技术课程的学习中，学生需要深入研究复杂且数量众多的电路拓扑与数学公式。但由于缺乏清晰的认识，学生在实践中往往局限于参数计算及公式推导上，而忽略了对电路基本工作原理的理解[5]。因此，采用理论实践一体化教学，通过使用Matlab、PSIM 等应用软件来协助学生进行仿真训练，可以使学生在熟练掌握基础知识的前提下，逐步完成简单的电路构建、控制/调节原理的证实，直至大规模的电力电子系统的应用设计，从而实现“教、学、做”一体化的目标，提高学生实践参与度的同时，也有利于培养学生的创新思维能力。

2 多模式教学实践

2.1 结合工程实际，调整教学内容

反激电路是电力电子技术课程第五章的内容，教材介绍较少，只简单介绍了主电路原理，内容只有一页左右；但实际上，反激电路由于结构简单、成本低，在电源领域，尤其是小功率电源中有着极为广泛的应用。因此，本课题组根据反激电路的工作原理，以电动车充电器中常用的UC3842控制芯片作为驱动功率场效应晶体管MOSFET 的调制芯片，在主电路的基础上增加整流环路、初级供电环路、初级MOSFET 开关环路、次级整流环路等功率环路。最终以具体工程为导向，将反激电路主电路理论学习拓展为“反激开关电源设计与制作”项目教学。本项目以电力电子技术中较为普遍的实际应用——开关电源作为主题，将课堂教学与现实生活紧密相连，有助于提升学生对其应用价值的认识，进而激发其学习积极性。项目还包含了实际工程中常用的全控型器件MOSFET、变流技术中最基本的变换电路——整流和直流变流电路，同时将控制原理与电力电子相结合，覆盖知识点全面，难度适中，贴合工程实际。

2.2 线上线下混合，扎实理论基础

教师课前通过线上系统发布项目任务书、指导书、相关知识的教学课件和学习视频、学习测试给学生。学生根据任务书，完成章节相关知识点的线上学习以及自学测试，完成线上导学，发现并总结知识难点。在线下课堂上，教师根据学生线上学习的情况，有针对性地对出错率较高的知识点进行重点讲解。由于反激电源的参数计算较为复杂、涉及参数较多，因此参数计算不做强制要求，教师将相关的设计过程和设计资料通过平台发给学生，课上只讲授关键部件的设计，完整的设计计算不做要求，根据学生的接受能力进行分级指导。

2.3 虚拟仿真训练，“学、思、做”一体化

在了解并掌握反激电路的工作原理、波形分析及控制原理后，教师在课前将EDA 辅助软件的相关学习资料发布在线上网络平台上，供学生进行线上自学和熟悉软件。在线下课堂上，学生根据教师提供的设计参数进行EDA设计：①绘制电路原理图，熟悉电子电路原理图设计步骤，掌握原理图设计的电气规则检查；②PCB 元器件封装制作，掌握实际电力电子元器件的原理、特性及封装等；③PCB图纸绘制，重点掌握PCB 板布线规则、错误检查及排除等；④PSIM 软件仿真，观察各种输出波形，通过仿真实现参数优化。教师通过课堂巡查，对EDA 设计中的关键点，如变压器参数设置、PCB 板布线规则、各种故障检查与排除方法等进行讲解示范、协助解惑、启发思考。鼓励学生在电路仿真中进行创新，培养学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。

2.4 实物焊接验证，能力提升强化

实物焊接验证在线下课堂进行。虚拟仿真训练完成后，教师会组织学生进行实体电路的焊接与调试。教师现场演示变压器“三明治绕法”的实际操作，并结合实物讲解变压器气隙如何设计，学生观察、思考、操作。变压器制作完成后，首先根据元器件BOM 清单，检查MOSFET、稳压管、二极管等关键元器件的性能好坏，然后依据电路原理图和PCB 板设计图纸，完成所有线路的焊接工作，随后进行通电测试，以检测输出电压是否准确无误，并观察灯管能否正常发光。最后，用示波器对电路进行测试，记录输出波形。通过课堂巡查，教师了解学生的实践操作情况并适当进行指导，引导学生去探究故障发生的原因，激励学生进行讨论合作，协助学生解决问题排除故障。课后，学生通过线上平台提交实物成果照片和测试报告，教师给予点评打分，做出教学总结。

3 教学实践效果

通过近几个学年的课程实施，较之于之前的传统教学方法，多模式融合的教学模式呈现了较好的教学效果，学生的学习兴趣明显提高，不及格人数相对减少，课程通过率相对提高。如图2 所示，该班级单个项目总评成绩集中在80-89 分，班级平均分在83 分，中高分数段的人数较多，课程通过率达到100%。

图2 2021-2022 学年某班级“反激开关电源”项目总评成绩柱状图

4 结语

针对“电力是子技术”课程理论与应用紧密结合、工程实践性强的特点，课程组构建了基于线上线下混合式教学与理虚实一体化教学的“导、教、学、做、创、评”一体的多模式融合课程教学模式。教学实践表明，以具体工程为导向的多模式融合教学改革，在提升教学质量的同时，使学生的创新能力、动手实践能力以及工程应用能力也得到了进一步提高，为学生后续课程的学习以及今后从事相关的科研技术工作打下了扎实的基础，符合新工科建设背景下培养应用型创新人才和工程技术人才的要求。