翻转课堂在电气测量实验中的教学实例分析

刘宏达， 李志鹏

(哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001)

翻转课堂在电气测量实验中的教学实例分析

刘宏达， 李志鹏

(哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001)

随着高校人才培养目标的变化，教育模式的更迭和新型教育模式的涌现已成为了必然的趋势。同时，高校对实验内容在综合性和设计性方面的要求也越来越高。“翻转课堂”作为一种新的教育模式，近年来受到越来越多教育工作者的关注。针对我校“一种针对光伏逆变器的虚拟测试装置设计”的科研融入类设计型实验，将翻转课堂引入本科实验教学中，并详细介绍了各阶段的具体工作内容。通过实践，验证了该模式在高校实验中的可行性，翻转课堂的应用，可以有效地解决这类实验教学中“实验课时少与内容多”的矛盾，并能在一定程度上提高学生自主学习、发现问题、解决问题的能力，为新型人才的培养打下基础。

翻转课堂； 实验教学； 人才培养； 电气实验； 教学案例

0 引 言

为适应科学发展和社会需求的变化，高校的人才培养方向在不断地调整。如今，不少高校已经将培养研究型人才作为人才培养的新目标，即要求学生具备一定的研究能力。

实验课程的合理设置是培养新型人才的重要一环[1]。当今高校实验一般可分为验证型和设计型两类：验证型实验的目的主要是通过实验操作，验证某一定理或理论结果；设计型实验则是基于某一训练目的，通过教学指导，使学生通过理论和技能知识的体会和运用，完成探究性的实践内容。为了让学生进一步和实际科研相接轨，有些学校还会将部分科研成果或专业热点内容引入到设计类实验中。这类专业性和综合性强的设计型实验有利于学生通过系统化的学习，锻炼其开展简单研究工作的能力，有利于摆脱“教-学”注入式教育方式[2-3]，但实施教学所需的学时较长，且效果不易把控。这成了科研融入类设计型实验具体实施时的障碍之一。

翻转课堂(Flipped Class/Inverted Classroom)是将传统的课堂教学结构翻转过来，调整教学活动中课堂内外的时间安排，让学生在课前完成知识的学习，在课堂上完成知识的吸收与掌握的一种教学模式[4]。在翻转课堂模式下，学生在课前通过自主学习的方式，完成知识的初步学习；课堂上，通过师生交流和教师引领，使学生对知识有更深层次的理解和扩展[5-6]。通过这样的调整，一方面可以大大减少基础内容的教学用时，缩短教学周期，从而可以将有限的课堂时间用于师生的沟通和互动，有利于教师及时发现学生在学习过程中存在的问题[7]，同时，在交流过程中，教师有充足的时间能够采取个性化教学，有利于实现人才的培养。

本文以电气工程专业科研融入类设计型本科实验——“一种针对光伏逆变器的虚拟测试装置设计”为对象，介绍了将翻转课堂模式应用于该实验课程的具体实施方式。

1 实验课程概述

1.1测试实验设立的背景及意义

高水平的实验课程不仅要能加强学生对理论课知识的理解和掌握，还应与现实接轨，即实验内容与当前科技发展和应用相联系，从而真正做到“知识落地”[8]。

随着近年来节能环保热潮的推进，光伏发电在我国已进入快速发展阶段[9]，其应用领域也日益扩大，如光伏交通、光伏农业、光伏车棚等。由图1可见，光伏逆变器是光伏发电系统实现直流到交流电能转换的核心[10]。对其进行测试和监控，既能评价逆变器自身的效能，又能评价光伏系统总体的效率和运行特性。所以，实验中将测试对象选为光伏逆变器。

图1 光伏发电系统的构成框图

在测试手段上，考虑到近年来虚拟测试装置(虚拟仪器)呈现高速发展的趋势及其灵活性好、成本低、运算能力强、易扩展等优点[11-12]，实验中，要求学生基于虚拟仪器技术构建相关的测试装置。

该实验可全面训练学生电量检测、虚拟仪器技术、新能源发电等多方面的专业技能，还能有效结合实际，与当前新兴产业的应用挂钩，做到与时俱进。

1.2实验内容介绍

实验要求学生以国内某厂出品的单相PWM数控式风/光发电专用逆变电源为测试对象，测试由其构建的光伏系统特性。学生需要基于LabVIEW平台，设计虚拟仪器程序，并通过设计转换和调理电路，完成对光伏逆变器性能指标的测量。

虚拟测试装置从“量”和“质”两方面对光伏逆变器的工作性能进行测量，通过测量光伏逆变器的转换效率衡量其输出电能的“数量”，通过测量逆变器输出交流电能的电压、频率、谐波等参数评价其输出电能的“质量”。概括来说，该虚拟测试装置需要测量的参数有：交流电压幅值、交流电压有效值、交流电流幅值、交流电流有效值、有功功率，无功功率、视在功率、功率因数、THD、电压偏差、频率偏差、直流电压、直流电流、转换效率等。结合实际情况，虚拟测试装置的整体结构框图如图2所示。

图2 虚拟测试装置的结构框图

由图2可见，该实验内容可以分为两大部分——硬件部分和软件部分。硬件部分要求学生通过设计和连接检测电路，实现对实际模拟电压、电流信号的转换和调理，将大电压、大电流信号转换为可被数据采集卡收集的小电压信号；软件部分要求学生通过搭建相关软件部分程序，实现对采集到的各参数的运算、处理，最终得出逆变器的功率参数、电能质量分析结果，并对重要数据进行记录。

1.3实验课时安排

为保证实验的顺利进行，需要进行的工作有：检测与转换电路设计的相关知识讲解，LabVIEW平台的使用和基本设计讲解，指导学生进行电路的安装、调试和改进，指导学生完成软件部分程序的搭建和修改，引领学生对整体运行结果进行分析等。

如采取传统的教学方式，需要3～4周的时间才能完成，在教学安排和实施上存在很大难度。采用翻转课堂模式，将理论知识部分的讲解工作置于课下完成，同时引导学生课下完成硬件电路设计和软件程序设计工作，课上则集中对学生提出的问题和学生未发现的重要现象进行讲解，这样可以在保证教学质量的同时，大大缩短实验占用的课时数量。具体教学工作流程如图3所示。

图3 实验教学工作流程图

考虑实际情况，实验以4～6人为一组分组进行，课堂授课时间安排在学期初连续4周的双休日，这样一方面能够保证学生有充足的时间理解消化视频教学内容和每次课堂教学内容，另一方面也能有效地缩短了课时占有量。同时，在第2～4周开放实验室，学生自由地在实验室进行操作。

2 教学工作内容安排与实施

合理的教学内容安排是实验顺利进行的前提和保障。制定的各周具体工作内容如图4所示。

图4 各周工作流程图

2.1课前视频教学

优秀的教学视频是翻转课堂教育模式的重要工具，也是教学过程顺利进行的保证[13]。高品质的教学视频在内容上应当条理清晰、重点突出，在形式上应满足画质清晰、文件大小适中等要求。教学视频也可先将需要讲解的内容制作成PPT，然后使用录屏软件将讲解过程录制成视频。根据工作计划，分为4部分制作教学视频。

(1) 介绍实验的背景及研究意义，提出实验的整体设计思路，并对硬件检测电路设计的理论知识进行讲解。① 通过对实验背景及相关发展现状的介绍，激发学生兴趣，让学生认识到本次实验的意义和必要性，使学生产生主动学习的欲望；② 为避免学生出现没有头绪、无从下手的现象，在视频教学中帮助学生提出了整体的设计方案，即分硬件和软件两部分进行设计；③ 回顾硬件检测电路设计部分的理论知识，将硬件检测电路分为转换电路和信号调理电路两部分，其中转换电路的功能是将大信号转换为小信号，信号调理电路的功能是将小信号调理为可被数据采集卡直接接入的模拟信号，调理电路又可细分为隔离、滤波、放大、限压等环节。这一部分涉及到模拟电子技术、电力电子技术、检测与转换技术中的部分理论知识，因其涉及内容较多，在视频制作中需要注意突出重点。

(2) 对LabVIEW虚拟仪器开发平台的讲解。LabVIEW软件是当前进行虚拟仪器开发必备的重要工具，且软件部分是整个虚拟测试装置的核心，因此，对LabVIEW讲解尤为重要。LabVIEW软件内部具有丰富的数据运算函数，可以实现对数据的计算、处理[14]。同时，随着软件开发人员的研究，大量的复杂程序已经被编译为固定的函数模块，用户使用时，只需对模块内的参数进行相应的修改即可实现调用，因此在教学过程中，不仅要对基础的数据运算函数进行介绍，还应对在电气测量实验中常用的相关函数进行重点讲解(见图5)。

图5 LabVIEW教学视频截图

上述两部分教学视频主要目的是对实验过程中使用到的理论知识进行了详细的讲解，使学生可以此为基础，展开对虚拟测试装置硬件部分、软件部分的设计工作。随后的教学视频则集中讲解实验过程中，学生可能会用到的实用技巧以及需要注意的事项，以帮助学生熟练掌握这些技巧、大幅提高他们的实验效率。

(3) LabVIEW软件实用技巧的讲解。在LabVIEW软件的使用过程中，有很多实用的功能，通过使用这些功能可以有效的简化程序，避免失误。比如，局部变量(见图6)和子VI调用。程序搭建过程中，可以将多次使用的某一参数通过设置其属性，建立局部变量，建立的局部变量与数据源的数值相同，且能够随数据源的变化实时变动，通过使用局部变量可以大大减少程序接线数量，避免出现因端子误接导致的程序错误。在软件部分程序的设计过程中，通常会出现一部分相对独立的程序，因此，可以将这部分程序设置为子VI，定义好的子VI程序可以简化为一个函数图标，使用时只需调用即可。通过子VI的定义和调用，使主程序条理更加清晰，结构更加明朗。

图6 实用技巧教学视频截图

(4) 对实验过程中的注意事项及实验技巧讲解。本实验涉及硬件电路设计和软件程序设计两部分，其中软件部分的设计相对安全，不易出现问题，而硬件电路部分的设计要充分考虑各环节的衔接，避免因操作不当或设计不合理导致的器件损坏等事故。考虑到大部分学生硬件电路设计经验不足，对调试步骤和调试方法不熟悉，故在这部分视频针对此类问题进行了集中讲解。例如在硬件电路设计的第一步——确定所测物理量的数值范围，通常的方法有：① 查看商品铭牌数；② 询问厂家；③ 在保证设备使用安全的前提下，采用实验室现有仪器进行初步测量。一些同学可能因为不熟悉这种设计流程，而忽略了这关键的一步，导致后续设计不合理。

完成视频的录制后，通过云盘工具，将视频上传分享给学生，要求学生在课堂教学之前，完成教学视频的观看和学习，并在每次课堂教学前，统计同学们遇到的问题，方便课堂上集中解惑答疑。

2.2课堂合作交流

翻转课堂将理论知识的学习转移到课下，课堂教学工作应相应进行调整，以配合课下视频教学和学生的工作进度。课堂教学内容主要包括下列4方面：

(1) 答疑。是课堂教学的一个重要环节，其目的有二。① 对同学观看教学视频后提出问题的进行解答。在视频教学的过程中，可能存在知识点讲解不透彻，或学生理解能力不同而出现的问题。在每次上课前，对此类问题进行统计，课上进行集中解答，同时，教师要对这部分问题作好记录，以便对教学视频进行修改和完善。② 对学生在实验过程中的问题进行解答。在实验过程中，学生不可避免地遇到一些问题，对于此类问题，教师应该指导学生发现问题根源并自主解决。例如，某同学在硬件电路设计环节，在连接无误、器件无损的情况下，发现检测电路不能输出正常信号。教师引导学生先分区块检查各部分电路是否正常，即先缩小问题存在的区域。经过原理电路检验和各元件输出信号检验两层检验，发现其转换电路中使用的限流电阻型号不符合要求——应当使用功率为1W的电阻元件，学生选用的是0.25 W的。上述案例中，学生在电气元件选择中，因为疏忽了器件实际功率的约束问题而出现故障。此时，教师可针对此类共性问题，对全体学生进行相关知识的统一扩展和讲解。

(2) 发现学生在实验过程中的问题。这是课堂教学中的另一重要环节。学生在实验过程中难免会存在一些错误及不当之处。通常，学生自身意识不到此类问题的存在，导致学生学习效率降低或者影响实验效果。这时就需要教师及时发现并引导学生进行改正。以本实验来说，学生易出现的问题有两个。① 学生在软件学习时走弯路，导致学习效率降低。LabVIEW软件属于一种易学难精的软件，有关LabVIEW的图书有很多，内容也很繁杂，有些学生在学习过程中不知如何选择，盲目地从头到尾地去学。通过教导学生有选择地学(在书中挑选出自己需要使用的部分知识并重点研究)和灌输软件自带的帮助是最好的教程指导(LabVIEW的“帮助”文件对软件各部分功能的介绍十分详细，且大多重要函数都有使用实例介绍，充分利用Help文件可很大程度上方便学生的学习)的方式，逐步将学生带入面向工程的学习方式中来。② 学生在实验过程中，缺乏结果定量检验的意识。很多学生在设备能够显示测量结果后，就认为已经完成了实验，而没有考虑对测量结果的准确性进行分析。导致出现该问题的缘由是：在本科教学中，缺少对他们相关意识的培养。发现此问题后，引导学生探索其实验步骤是否存在缺失，并指导他们增加了对测量结果检验的环节——通过与传统测量装置测量结果的对比和分析，来比较测量结果、分析虚拟测试方案的准确程度。

(3) 引导学生快速进入新一阶段的工作。同样也是教师课堂教学的一个重要职能。万事开头难，学生在刚进行一个新阶段的工作时，常会出现无从下手的情况。此时，需要教师提供给学生切入点，以引导学生沿着正确的方向进行后续的设计工作。如硬件部分的切入点是得到各物理量的大致数值范围，据此才能进行电路设计；软件部分的切入点是实现对采集信号的整理与显示，以此为基础才能进行后续功能块程序的搭建(见图8)。

(4) 成果验收与师生共评。这是课堂教学的最后一个环节。在完成实验后，教师验收各组同学的最终设计成果，查看学生设计的虚拟测试装置的运行状况，并给出相应评价。评价的标准应该包含以下几个方面：是否完成设计内容、是否满足设计要求、设计成果能否连续稳定工作、设计运行结果是否准确等。

图7 实验环境

图8 学生的软件设计

2.3课后反思评价

验收结束后，教师组织学生进行课后反思工作，其主要包括两部分工作内容：成果汇总及反思评价。

学生将本组实验成果进行提交，由老师进行整理后，将各组工作成果进行分享，使每位同学都能看到其余同学的设计成果，方便同学之间相互学习、相互促进。

教师组织同学对本组工作成果进行评价与反思，评价本组成果的优劣之处，反思本次实验过程中可以改进的方面，并最终提交评价报告。通过整理学生提交的报告，教师可发现诸多意义深刻的建议。下面给出两组同学的话语。A组：本次实验设计的虚拟测试装置只针对于实验室现有的光伏逆变器，其可测量的功率和电压等级是固定的，不适用于其他等级装置或系统的测量，未来可以通过设计接口电路，实现多等级的转换，从而扩大装置的适用范围。B组：实验中虽然实现了对重要数据的记录，但在互联网技术高速发展的今天，数据共享也十分重要，其实可以通过设计软件部分的相关程序，实现对装置运行中重要数据的网络共享访问。

学生通过观看其他组的设计和对本组工作的反思，可以进一步丰富其设计视野，锻炼其知识探究能力和合作学习能力。

3 结 语

教育信息化的发展要以教育理念创新为先导，以优质教育资源和信息化学习环境建设为基础，以学习方式和教育模式创新为核心。教育工作者应充分利用信息技术，使其为教育工作服务。“翻转课堂”作为一场教学的革命，是教育信息化的完美体现。

本文详细介绍了基于翻转课堂的本科电气测量实验课程实施方案。并通过实践，验证了实施方案的可行性。在新的教学过程中，学生在多层次的合作交流中积累了更多的知识，体会了新的学习模式，掌握了更多的学习方法。学生通过教学视频进行理论知识学习，课堂时间则进行更有意义的交流和探讨；最终使学生能在要求的时间内完成既定的任务，这也成功地解决了高校科研类设计型实验占用课时多的问题，为高校实验课程的实施提供了一种新的思路。实践表明：对于综合性和科研色彩较浓的新型设计型实验，采用翻转课堂教学模式可有效地解决传统教学模式的课时问题，能够实现实验课程的进一步完善，更有利于实现新型人才的培养。

[1] 秦钢年,黄大明,卢福宁,等. 构建适应创新型人才培养的实验教学体系[J]. 实验室研究与探索,2012(1):101-104.

[2] 刘宏达,兰 海,马忠丽,等. 培养大学生综合素质,改革电气工程专业实验教学模式[J]. 实验技术与管理,2011(3):127-131.

[3] 陆国栋,李 飞,赵津婷,等. 探究型实验的思路、模式与路径——基于浙江大学的探索与实践[J]. 高等工程教育研究,2015(3):86-93.

[4] 董 奇. “翻转课堂”是解放学生学习力的革命[J]. 中国教育学刊, 2014(10):106.

[5] 田爱丽, 吴志宏. 翻转课堂的特征及其有效实施——以理科教学为例[J].中国教育学刊, 2014(8):29-33.

[6] 陈明选, 陈 舒. 围绕理解的翻转课堂设计及其实施[J]. 高等教育研究, 2014(12):63-67.

[7] 赵俊芳,崔 莹. 翻转课堂的内在意蕴及高校教学改革的未来走向[J]. 中国高教研究,2016(6):105-110.

[8] 刘宏达, 马忠丽, 路 勇,等. 将科研成果引入本科教学实践环节的探索[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(7):14-19.

[9] 滕 达,傅晓晴. 我国光伏产业现状综述[J]. 电源技术,2012(8):1242-1244.

[10] 蹇 芳,李志勇. 光伏逆变器技术现状与发展[J]. 大功率变流技术,2014(3):5-9.

[11] 伍星华,王 旭. 国内虚拟仪器技术的应用研究现状及展望[J]. 现代科学仪器,2011(4):112-116.

[12] 王 超,李 可,杜奔新. 虚拟仪器技术在实验室的应用研究[J]. 实验技术与管理,2013(12):105-107.

[13] 林青松. 基于翻转课堂的“现代教育技术”实验课程设计[J].实验室研究与探索,2014(1): 194-198.

[14] 孙秋野, 柳 昂, 王云爽. LabVIEW 8.5快速入门与提高[M].西安:西安交通大学出版社,2009：76-80.

ACaseStudyoftheExperimentTeachingofElectricMeasurementBasedonFlippedClassroom

LIUHongda，LIZhipeng

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001， China)

With the change of the goal of college personnel training, the emergence of the new education mode and the alternation of the education mode have become an inevitable trend. At the same time, universities require the experiment content to be more comprehensive and self-designed. “Flipped classroom” as a new educational model has attracted more and more attention of educators in recent years. In this paper, the flipped classroom is applied to experimental teaching in undergraduate course with the project of “Designing a Virtual Instrument for Photovoltaic Inverter”. The specific content of the work in various stages are stated in this paper. Practice results show that the feasibility and variability of this model in the experiment teaching of colleges and universities and the application of flipped classroom in college experiment teaching can effectively solve the contradiction of “less class hours but more contents”, and can improve the students’ abilities of autonomous learning, founding the problem and solving the problem, so that these lay a foundation for the training of new talents.

flipped classroom; experimental teaching; talents cultivation; electrical experiments; teaching cases

G 642

A

1006-7167(2017)09-0184-05

2016-09-19

黑龙江省高等教育改革项目(JG2013010177，JG2013010202)；哈尔滨工程大学教育改革项目(SYJG20130412)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(HEUCF1604061)

刘宏达(1976-),男，山东蓬莱人,博士,副教授,主要研究方向：实验室科教结合建设。Tel.:15765581561；E-mail: liuhd405@163.com