引入启发创新模式的电力电子技术实验教学改革

陈 怡, 南余荣

(浙江工业大学 信息工程学院, 浙江 杭州 310023)

引入启发创新模式的电力电子技术实验教学改革

陈 怡, 南余荣

(浙江工业大学 信息工程学院, 浙江 杭州 310023)

针对传统模式的电力电子技术实验教学引入启发创新模式,先抓住实验内容在知识更新方面滞后和实验室在新实验拓展方面不足这2个核心问题,从实验内容、实验方式、教学情景设计3个方面入手做出改进；再通过传统模式和启发创新模式互融的教学方法激发学生的学习动能,促使学生在实验中能够自主地运用知识去解决实际问题。

电力电子技术； 实验教学改革； 传统模式； 启发创新模式

对电气工程及其自动化专业和自动化专业的本科生培养而言,电力电子技术课程是一门非常重要的专业必修课[1]。以浙江工业大学为例,它不但为电力电子装置及系统、运动控制系统、开关电源设计、现代电力电子技术等后续本科专业课程和硕士学位课程提供必要的理论基础[2],而且还为毕业设计等实践环节以及全国大学生电子设计竞赛的培训提供必要的技术知识与技能支撑[3]。

电力电子技术课程具有工程实践性强的特点。该课程的实验教学和理论教学同等重要。在该课程的改革中,浙江工业大学(下称我校)提出引入启发创新模式,培养学生创新实践能力,以符合我校作为区域特色鲜明研究型大学的办学定位[4]。

1 抓住核心问题,做基础性改进

与理论教学相比,电力电子技术实验教学需要的经费更多、占用的场地大。面对教学建设经费有限和教学场地不足的困难,实施引入启发创新模式的实验教学改革需要因地制宜、量力而行。结合我校教改前的实际情况,原有的一批电力电子技术实验装置存在着可视化程度差、价格昂贵、占用空间大、可开展的实验项目十分有限等问题,虽然仍可支撑一部分经典的验证性实验项目,但是已全面落后于知识点不断更新和新实验不断拓展的教学要求。

为了解决上述2个核心问题,我校充分利用已有资源,先从实验内容、实验方式、教学情景设计3个方面入手作出改进[5],为实验教学全面引入启发创新模式奠定基础。

1.1 实验内容的改进

在不增加实验学时数的前提下,充实实验内容,实现重要理论知识点的全覆盖,合理化验证性实验,增加自主创新设计性实验学时的比重,突出新增的自主创新设计性实验，具体措施如下:

(1) 浓缩原实验内容,仅保留经典验证性实验的经典部分,为新增自主创新设计性实验创造学时空间。表1列出了我校教改前和教改中的验证性实验内容的对比情况。经过保留和浓缩,为自主创新设计性实验争取到了宝贵的8个学时。

表1 教改前和教改中的验证性实验内容对比

(2) 找出原实验内容未覆盖的重要理论知识点(特别是前沿的电力电子新技术),参照CDIO工程教育模式有针对性地开发自主创新设计性实验[6-7]。充分利用全国和浙江省大学生电子设计竞赛资源,结合理论教学内容将历年来的赛题改编成自主创新设计性实验内容。新增的自主创新设计性实验“开关电源模块并联供电系统”就源自于2011年全国大学生电子设计竞赛的赛题。

1.2 实验方式的改进

改进后的实验内容包含经典验证性和自主创新设计性2种不同类型。它们的最佳实验方式与实验室能提供的条件密切相关。在不增加教学经费和场地的前提下,被保留下来的经典验证性实验仍然以现实的方式进行,而新增的自主创新设计性实验则以仿真[8-10]的方式进行。具体措施如下:

(1) 将保留下来的经典验证性实验和新增的自主创新设计性实验安排在不同的实验场地同时进行,实行学生分批流转的实验制度,大幅度地提高实验装置、实物教具、专业仿真软件的使用率,保证每个学生获得平等的实践能力锻炼机会。同时,组建由教师和多名研究生助教组成实验指导教学小组,以应对同一时间、不同场地开展多个实验的需求。

(2) 充分考虑学生的培养计划和课程教学大纲,挑选Matlab/Simulink[8, 10-11]作为自主创新设计性实验使用的专业仿真软件,以便增强电力电子技术课程与其他课程尤其是其后续课程间的关联度。借助专业仿真软件的强大功能,营造一种“虚拟现实”的实验环境[11-12],为学生能够验证自主创新设计方案的可行性和进一步优化自主创新设计方案提供便利。

1.3 教学情景设计的改进

电力电子技术实验教学与理论教学密不可分。在教学情景上实现部分实验教学与部分理论教学的交互,可进一步强化学生对“理论联系实践”的认知。具体措施如下:

(1) 为实现教学情景交互,精选实验教学和理论教学内容。如图1所示,从理论教学内容中选取了“电力电子技术的应用”这一章节在实验室里进行,通过现场演示实物教具的辅助手段,增强向学生传授理论知识和实验技能的效果；又从实验教学内容中选取了“交流实验方案与结果”这一环节在教室里进行,通过学生集中汇报实验方案及结果和教师当场点评的互动方式,完善学生运用所学知识解决工程问题的整个实践教学过程[13-15]。

图1 含教学情景交互设计的实验教学安排

(2) 扩充实物教具,将历年来我校学生在全国和浙江省大学生电子设计竞赛的获奖作品纳入实物教具的范畴。这些获奖作品不但元器件可视,而且全部由学生自己设计和制作完成,极具教育价值和意义。图2所示的实物教具是我校2013年全国大学生电子设计竞赛一等奖作品——单相AC-DC变换电路。

图2 由学生自己设计和制作完成的实物教具

2 改进的传统模式和启发创新模式互融的教学方法与效果

通过实验内容、实验方式、教学情景设计3个方面的改进,我校的电力电子技术课程获得了验证性实验和自主创新设计性实验在学时上各占50%的有益改进,不仅丰富了实验手段和改善了实验条件,还强化了实践与理论之间的纽带。这些基础性的改进最终都由教师通过传统模式和启发创新模式互融的教学方法有效地传授给学生。

根据实验的性质,采用先进的教学方法,可达到最佳的教学效果。验证性实验依然采用传统模式的教学方法,学生跟随教师在原电力电子装置上进行实验,重点在于在教师的规范示范下学生学习如何通过实验验证已学理论的正确性。自主创新设计性实验则采用启发创新模式的教学方法,学生基于仿真软件独立地完成从方案设计到验证的整套实验过程,重点在于在教师的启发引导下学生自主地运用已学的知识去解决实际问题。为了能让学生顺利地适应自主创新设计性实验的要求,教师以实物教具演示教学作为前奏,为学生提供问题剖析、解决方案可行性论证、电路设计、实验验证的范例。学生参照范例,随后即可开展自主创新设计性实验。自主创新设计性实验中最重要的环节是师生双方就实验方案与结果展开研讨,教师着重帮助学生深入了解实验方案的优缺点和实验结果的完备程度,在教师的启发引导下学生给出合理的改进方案,并完成“圆满的收官”。

引入了启发创新模式以后,实验教学在考核机制上也发生了改变。教改中的实验总成绩由3个部分组成如图3所示:经典验证性实验占40%,自主创新设计性实验占60%。作为重点的自主创新设计性实验,其成绩又由设计与仿真报告、PPT制作、口头交流3个部分组成，各占20%。

图3 引入启发创新模式的实验总成绩组成

在经历了一个完整的引入启发创新模式的实验教学过程之后,学生对运用所学知识解决工程问题的认识和体验上了一个新台阶。同时,学生的实验报告写作水平、PPT制作水平、口头交流能力也获得了提升。

随着引入启发创新模式的电力电子技术实验教学改革的深入,越来越多的学生对电力电子技术的学习热情被激发出来。在第二课堂里,他们积极参加全国和浙江省大学生电子设计竞赛,取得的成绩也越来越喜人:2011年获全国大学生电子设计竞赛全国二等奖1项,2013年获全国大学生电子设计竞赛全国一等奖1项,2015年获全国大学生电子设计竞赛全国一等奖1项和全国二等奖2项。

3 结语

在电力电子技术课程改革过程中,我校提出为传统模式的电力电子技术实验教学引入启发创新模式。目前,引入启发创新模式的实验教学改革已取得了初步的成效,其中的成功经验还将拓展至电力电子装置与系统和专业大型实验等后续课程的实验教学改革中,进一步扩大了学生受益面。

References)

[1] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009.

[2] 陈怡,钟德刚.关于电力电子技术本科生教学的实践与设想[J].中国电力教育,2011(12):161-162.

[3] 陈怡,陈国定,南余荣,等.论电源类实验教学改革[J].实验室研究与探索,2014,33(1):169-172，193.

[4] 王明彦.“电力电子技术”实验环节开展研究性教学的探索[J].中国电力教育,2009(5):137-139.

[5] 陈万,丁卫红,邬青海,等.“电力电子技术”课程理论和实践同步教学法[J].电气电子教学学报,2014,36(6):93-95,103.

[6] 陆益民,刘运欢,黄险峰,等.基于CDIO理念的电力电子技术实验教学[J].电气电子教学学报,2014,36(3):90-92,108.

[7] 孙铁成,杨华,吕瑞丰,等.“电力电子技术”实践性教学体系的建设与实践[J].电气电子教学学报,2011,33(增刊):107-109.

[8] 林飞,杜欣.电力电子应用技术的Matlab仿真[M].北京:中国电力出版社,2009.

[9] 苏良昱,王武,葛瑜.电力电子技术仿真实验教学与创新思维拓展[J].实验技术与管理,2013,30(1):170-173.

[10] 牛天林,樊波,张强,等.Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应[J].实验室研究与探索,2015,34(2):84-87.

[11] 刘艳.基于MATLAB的《电力电子技术》虚拟实验仿真平台[J].大连大学学报,2004,25(4):71-74.

[12] 赵凯岐,兰海,杜春洋.电力电子技术双环节实验教学新方法[J].电气电子教学学报,2009,31(3):73-74，90.

[13] 刘海波.《电力电子技术》实验教学改革探索与实践[J].实验科学与技术,2012,10(4):95-97.

[14] 葛瑜,王武.电力电子技术递阶式实验教学研究[J].实验技术与管理,2011,28(5):156-159.

[15] 邓春花,李军.电力电子技术实验教学模式探索与实践[J].实验科学与技术,2015,13(5):92-95.

Experimental teaching reform with power electronic technology based on introducing guided and innovative mode

Chen Yi, Nan Yurong

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

A guided and innovative mode has been introduced into the experimental teaching reform with power electronic technology. In order to solve two core problems of the late updating of experimental contents and the weak laboratory productivity of new experiments, some improvements were made from three aspects of experimental contents, experimental modes, and teaching scene design. Based on the improvement, a guided and innovative teaching method with the traditional teaching method was applied to urge students to apply knowledge to solve real problems in the experiments on their own initiative.

power electronic technology; experimental teaching reform; traditional mode; guided and innovative mode

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.008

2016-09-23

国家自然科学基金项目(51207141)；浙江省自然科学基金项目(LY15E070005)；浙江省“控制科学与工程”重中之重学科开放基金项目；浙江省新兴特色专业建设项目(080601)

陈怡(1977—)，女，浙江杭州，博士，副教授，电气工程研究所所长，主要研究方向为电力电子技术.

E-mail：eeyzchen@zjut.edu.cn

G64.20

A

1002-4956(2017)2-0028-03