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谈项目教学法在开关电源技术教学中的运用

2013-08-15

长春教育学院学报 2013年9期
关键词:项目组课外电源

王 磊

高频开关电源技术是高等院校中电气工程及自动化的专业方向之一,高频开关电源原理与设计是此方向的专业主干课程之一,起到承上启下的作用。高频开关电源技术是一门内容丰富、涉及知识面宽、信息量大的交叉学科课程,在专业的课程体系中具有承上启下的作用。从课程设置的上下衔接来说,工科自动化专业计算机控制系统课程主要在自动控制原理、现代控制理论、模拟电子、数字电子等理论课的基础上进行深化;在微机原理、单片机原理等课程的基础上进行工程应用的实践。要上好这门课,对教师要求较高。除了相关课程的理论基础外,还要有一定的实践经验,授课时要树立理论为先、实践第一的思想,坚持理论联系实际。由于与众多课程的知识相交叉,难度较大,目前高等院校关于此课程的教材较少,而且教材的针对性不够,知识结构不太合理,学生反映难以应用于实践,在理论上抽象和难于理解。为解决上述问题,作者尝试在教学中引入项目教学法。

一、应用项目教学法的必要性

项目教学法在21世纪初引入我国教育领域,主要应用于职业教育。该教学法有针对性地培养学生的某项实践技能,与传统教学相比收到了更好的教学效果。但项目教学法的应用研究在国内高校教育特别是本科教育中较少。

目前,我国的高校毕业生面临很大的就业压力,一方面是因为普通高校不断扩招,使大学毕业生骤增;另一方面由于高校侧重培养科学型人才,学生的社会能力、实践能力和协作能力欠缺,用人单位不愿接收。就专业而言,开关电源产业非常巨大,而且由于其发展主要取决于半导体等其他行业的突破,已被定义为劳动密集型产业,其生产已多数转移到中国,掌握电源技术后有很多的就业机会。针对于此,笔者提出以把教学、实验与工作和科学研究时采用的体制和设计过程接轨,辅以对学生课外兴趣小组的管理,以保证多数的学生学到扎实的技术,一部分具有进一步深造的理论基础。为此本文在教学实践的基础上,结合项目教学法,提出了从教学组织、实验管理到课外兴趣小组的电源技术课程体系安排,希望与同行共勉。

项目教学法是源于建构主义学习理论的一种教学方法,是师生以实施一个完整的项目工作的形式进行的教学活动。用项目教学法的思想统领教学工作,共分为三部分,分别是教学、实验和课外项目组。教学和实验两部分对所有学生实施,形成有机整体,按学习内容阶段性构成四个项目;课外项目组是对学有余力的同学组织课外小组。

二、课堂教学内容的组织

课堂教学是教学的重点和其他教学活动的出发点。首先要对课堂内容进行有机的组织,对教学内容按照掌握的需要划分层次,引导学生在有限的时间内学到实用的技术。教学内容组织的原则是根据课程定位,兼顾基础性、实用性,注重基本理论和工程应用价值,舍去艰深的理论,最小/最简单电源系统,完成最基本的功能,再求进一步教学。教学与实验相依托,主要确保多数学生不掉队。选定的课程四部分核心内容为:(1)基本器件,半导体二极管、功率MOS管的特性和选型;磁性器件电感、变压器的构造、设计原理;(2)基本变换器,升压、降压、升降压等八种非隔离基本变换器,正激、反激、半桥、全桥、推挽等常见隔离变换器;(3)整流器,单相/三相不控/全控全波整流电路结构、典型波形及运行原理;(4)逆变器和UPS的构成,单相/三相逆变电路的结构、典型波形及运行原理,UPS的运行原理。(1)、(2)部分是重点和难点,理解之后可以对(3)、(4)部分进行自学教学。相关的内容要精讲多练。同时可以适当介绍电源技术的学术发展动态和目前面临的问题,激发学生探索的兴趣。

教学中要着重抓好入门环节,万事开头难,要以作业的形式敦促学生在一部分内容开始前自学。入门环节是强制学生对课程进行全面预习和把握,具体是要求学生在每部分课程开始前准备一篇综述性的研究报告。主要涉及电源技术的起源、历史、关键性技术、研究热点和发展趋势等。经过这个环节,能够消除学生在学习该课程时的盲目性,激发他们继续学习的兴趣。

教学过程中,教给学生学习的方法比传授知识更重要。教师主要注意以下问题。第一,在讨论式教学中以提问题开始,引导学生独立思考,以解决问题结束。注意立足实际提出问题,避免为问题而提问。第二,从动手实践中找到乐趣。“兴趣是最好的老师”,有了兴趣和乐趣,就能够事半功倍。第三,学会综合。电源技术的问题,很多可以从网上找到解答,但多数解答都是不全的,需要一定的甄别能力。本课程的特点之一就是综合,包括多门课程的知识综合,理论与实践的综合等。所以要在课程学习中注重培养学生的综合能力和解决问题的能力。

三、实验教学的设计和管理

传统的以课堂讲授为主、实验为辅的教学模式对这门课不太适合,因为这门课的实践性很强,如果学生学了这门课不会设计和动手制作简单的电源就是教学的失败。与一般的验证型实验不同,新的实验教学的设计是所有的元器件都在相应的柜子里,要学生自己按照电路图找齐,在万能板上焊接。这个过程和实际工作中的动手过程差别不大。在实验室开放的时候,学生可以自己到实验室来按自己设计的电路焊接。

实验教学必须与理论教学并行,针对课堂上每部分内容都有对应的实验用来加深印象,如基本器件部分的半导体二极管、功率MOS管。学生自己在网上按型号找说明书,找出说明书中的应用典型电路,以及器件的重要参数值,如导通电阻耐压、耐电流。学会元器件的识别与检测,掌握穿孔元件安装和焊接技能,学会万用表、电子毫伏表和示波器使用方法,并摘取说明器件典型特性的实验波形和学到的知识相对照,形成完整的测试报告。

通过由元件到电路的过程,同学们不仅强化了课堂内容的理解,而且亲身实践了实际产品设计的全过程。除了基础实验,我们按照从浅入深设计了四个综合实验:(1)主电路的制作。给出对升压电路详细的主电路设计要求,要学生完成对主电路的设计,包括对开关管、输出整流管的选型、电感的设计。通过两轮的论证、讲评,确定最终方案后开始制作。(2)控制电路的制作。给出对升压电路详细的控制电路设计要求,要学生完成对控制电路的设计,包括控制芯片的选择、固定开关频率脉冲发生电路、过压、过流保护电路和反馈闭环电路。通过两轮的论证、讲评,确定最终方案后开始制作。(3)升压电路制作调试。将前面两部分电路联接在一起进行调试,首先对闭环部分,通过示波器观测各点的波形,看系统目前存在的问题的类型;按照闭环调试的方法改变环路参数。(4)40W反激电源的制作。这个电源的完整设计制作工作量是比较大的,包含了前面三堂实验课的内容,而且增加了变压器设计这一项,同样需要论证、讲评后才让学生开始制作。

上述实验较为复杂,学生如果能够掌握,走上工作岗位就能够适应实际工作。要求在监督下至少能够完成前三个,如果难以完成可以重复别人的实验方案多做一次,一定要确保独立过关。

四、课外项目组的实施和管理

课外项目组可以以申请创新研发团队的名义组织学有余力的学生进入课外项目组。项目的来源要结合手中的横向、纵向项目,包括教材编写、实际产品,如逆变器的设计制作。为增加与自己研究相关的硬件积累也可以立项,制作系列电源。

课外项目组的实施以学生为中心,老师抽时间指导。选择勤奋、有责任心和上进心的学生作为领导,对老师直接负责。学生按其能力和专长形成三个梯队,能力稍低的负责找元件、焊接,稍强的学生负责调试、测试、修理,最好的则负责画PCB板、设计。

学生中一部分进入核心项目组,一部分仅是为毕业设计和将来找工作积累经验。进入项目组主要依据其能力、勤奋程度、主观意愿等。对项目制定时间计划,要求按进度完成。学生的进一步技术培训包括电路仿真技术和数字控制在电源控制中的应用。

项目教学法要取得最佳教学效果,需要学生的配合,学生的薪酬会给他们更多的动力,让项目得以更好完成,学生的责任心也会更强。学校相应的硬件条件也很重要,实验室全开放,项目组应注入一定资金,这样学生自由实验不受资源和时间的限制。项目组要形成完善的管理体系,对教师投入的精力要求较多,体系建成后的维护也非常重要。

[1]陆治国.实用电源技术手册-开关电源分册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2007

[2]丘东元,段振涛等.高频开关电源教学实验平台的设计[J].电气电子教学学报,2011,(4)

[3]张丹.实践引导下项目教学法在电子专业教学中的应用探讨[D].上海:华东师范大学,2008

[4]李红妹.“教学做”一体化的直流稳压电源教学研究[J].职业教育研究,2012,(8)

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