基于OBE的“电力电子技术”教学改革

2018-04-12李晓英王兴贵杨维满

电气电子教学学报 2018年1期

李晓英，王兴贵，杨维满

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050)

0　引言

不同于课程导向教育CBE(Course-based Educatio)，成果导向教育OBE(Outcome-Based Education)作为一种“以学生发展为中心，以产出为导向”的教育理念，把焦点放在学生“学到了什么”，而不是学校、教师“教了什么”，这一理念在许多国家高等教育工程专业领域得到了应用，且已贯穿于工程教育认证标准的始终。

OBE教学理念，是以“学”为导向、教学相长的全新教学模式，是以预期学习产出为中心来组织、实施和评价教育的结构模式。强调教学的目的是要着力培养学生学习的独立性、主动性和创造性，在教学过程中充分发掘学生的个人价值与潜力，培养学生应对未来、适应未来的能力。

“电力电子技术”课程是我国高等学校自动化、电气工程及其自动化专业一门重要的专业基础课。该课程使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握电力电子基本电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标。

该课程具有很强的理论性和工程实践性，在以往的课程导向教育模式下，很难在工程教育专业认证背景下，更好地适应国家及经济社会发展需要以及应对经济全球化的挑战，所以该课程教学模式与教学方法的改革势在必行。

本文结合工科类院校电气、自动化专业培养目标的要求，针对学生的特点，提出了基于OBE的“电力电子技术”课程教学改革方案，从教学目标、教学内容、教学设计、教学评价等角度进行变革与优化，为工程教育专业认证背景下的该课程改革提供一个新思路。

1　课程教学目标设定

根据OBE教学理念，教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果。在OBE理念指导下，遵循美国著名心理学家、教育家布卢姆的目标分类理论，从知识、能力、情感态度等三个方面对“电力电子技术”课程的教学目标进行设定[2]。

1.1　知识目标

电力电子学是一个异常活跃的学科，新器件、新技术、新电路拓扑不断涌现，新的应用领域持续扩展；与此同时，“电力电子技术”课程作为一门重要的技术基础课，强调基本理论、基本技能与基本分析方法的培养。因此，我们必须突破以前为单一的知识需求而设置的课程体系，转而构建以学生的职业需求为导向、以创新和实践能力为主线的知识体系。

通过这门课程的学习，学生应达到如下知识目标：

熟悉并掌握晶闸管、门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)、电力场效应晶体管(Power MOSFET)和绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)等电力电子器件的工作原理、开关特性和电气参数；熟悉并掌握单相、三相整流电路和有源逆变电路的基本原理、波形分析以及各种性质的负载对电路工作性能的影响；掌握直流斩波电路的工作原理、电路结构、换相方法及参数计算；掌握交流调压电路的电路结构、换相方法、波形分析和参数计算，了解交-交变频电路的基本原理；掌握逆变电路，特别是PWM型逆变电路的工作原理、控制方法、波形分析；了解软开关技术的基本概念；了解电力电子技术的应用及其发展方向[3]。

应用OBE教学理念，学生必须摒弃机械地、被动地接受知识，孤立地存储信息的浅层学习方式，而采用更有助于学习者理解、保持和应用所学教学设计知识的深度学习，实现“基本技术知识——核心工程基础知识——高级工程知识”逐层递进。

1.2　能力目标

成果导向教育的最终落脚点在于能力的养成，强调以能力作为课程的基础，而非学术知识体系，视学生的具体情况来组织教学活动、安排教学活动，聚焦学生未来学习成果，利用核心能力实现课程有效实施。

布卢姆将认知过程分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造6个层次。传统课堂的目标是培养前三个低层次的能力，而OBE提倡的则是学生的创新思维能力、问题求解能力、团队协作能力和批判性思维能力。

将OBE能力培养目标落实到“电力电子技术”课程的教学中，培养学生电力电子系统分析与调试能力，培养学生的工程设计能力综合查阅文献的能力，培养学生电力电子器件和基本变流电路的应用能力。

1.3　情感、态度与职业素养目标

不同于传统的课程导向教育，成果导向教育的最终目的是实现人的全面发展，促进人与社会的和谐统一。因而，课程的教学目标不仅包括认知与能力目标，更重要的是实现情感、态度与职业素养目标。

教师必须以职业需求为导向，以创新和实践能力为主线，构建学生的知识能力和素质结构体系，注重工程素养的发展与自我价值的实现。

我们要善于结合“电力电子技术”课程的内容体系，挖掘该课程鲜明的时代气息，展示航空特种电源、绿色照明、高速列车等应用领域中与电力电子相关的最新关键技术，让学生感受到电力电子就在他们身边，从而对本学科产生浓厚的兴趣。

通过设置课程综合实验、课程设计、微工程项目等多种多样的实践环节，逐步训练学生解决开放式问题所必须的严谨、全面、创新、发展的工程素质[4]。

2　教学内容的构建与优化

OBE教学中，教学内容的构建与组织、教学案例的设计、课程资源的开发等都要围绕着学生的预期学习产出来进行。

根据前述的知识、能力、态度等教学目标，将“电力电子技术”的课程内容从理论教学、实践教学、工程应用三个层次进行梳理与组织，并相应地划分为三个独立模块：理论教学模块、实践教学模块与工程应用模块。

2.1　理论教学模块

理论教学模块中涵盖的知识主要还是通过课堂讲授的方式传递给学生。为了避免“满堂灌”，需要对教学内容进行筛选与重组。打破教材章节的限制，从构成“电力电子技术”的三大基本框架入手，重新组织理论教学模块的内容，如图1所示。

图1　理论教学模块的构建

整个课程内容归纳总结为电力电子器件、电力电子变换电路与控制技术三个基本组成部分。其中，电力电子器件是基础，电力电子变换电路是主体，控制技术是实现手段。

在理论教学模块的基础上，引导学生将零散的知识点组织成一张有机的知识网络图，不仅利于学生把握电力电子技术的知识脉络，也使得各部分内容之间的逻辑关系变得清晰明了。

2.2　实践教学模块

实践教学模块是在理论教学模块完成的基础上构建的，目的是让学生通过该模块基础实验、计算机仿真、综合课程设计等环节理解、消化、应用理论知识。具体内容如图2所示。

对于基础实验环节，其设置的目的主要是帮助学生巩固、加深对基本原理、公式以及变换电路关键波形的理解；此外，培养学生从事工程实验的基本素质。与OBE的教学目标相呼应，增加了设计性实验的比重，鼓励学生根据功能与性能指标自行设计实验方案，并最终制作实际硬件电路。

设置计算机仿真实验的目的是训练学生对仿真软件的熟练应用，通过仿真实验进一步深入理解变换电路的控制技术及其实现方法。

图2　实践教学模块的构建

课程设计是实现OBE教育目标必不可少的实践环节，通过一个工程系统的完整设计过程，培养学生综合应用该课程以及相关基础课程知识的能力，建立工程设计思想，养成团队协作精神[5]。

2.3　工程应用模块

电力电子技术在电能的产生、传输、存储、变换、控制的各个环节都有很多典型应用，而这些领域往往是我们电气专业学生毕业后的就业去向。

学生有必要了解工程领域中利用电力电子技术实现电能变换、控制的思路与方法。因此，在理论教学与实践教学模块完成之后，增加工程应用模块，如图3所示。

图3　工程应用模块的构建

工程应用模块以工程科学概念和原理为基础，以面向实际工程技术问题或难题为驱动点，通过“建立假说-实验设计-数据分析-验证结论”等步骤来完成从项目构思、项目设计、项目制造到项目完成整个过程。通常与学校开展的创新创业大赛结合起来，鼓励学生根据实际需求自选课题，3到4名同学组成一个实践小组，分工配合，完成从方案设计、仿真验证、电路设计、电路板制作直到系统调试的全过程。

设置工程应用模块旨在训练学生不仅要用其学到的知识从事现阶段的工程应用工作，而且随着工程技术的发展，有能力在尽可能短的时间内学到新的知识，掌握新的工程技巧，甚至直接成为推动工程技术发展的主体。

3　教学模式与教学方法的改进

传统的CBE教育以教师为中心开展教学活动，而OBE则主张以学生为中心。如何从“以教师为中心”过渡到“以学生为中心”，关键在于教学模式与教学方法的改革。

(1)课堂教学与网络教学优势互补。“电力电子技术”课程内容的特点之一就是电路拓扑多。针对每一类变换电路，在有限的课堂学时内仅对最基本、最典型的电路拓扑进行深入细致讲解，其余拓扑的工作原理、波形分析、定量计算等均发布在网络学习平台上，学生自学并完成网上测验。根据测验结果，教师可以对学习中遇到困难的学生进行针对性的帮助与指导，做到个性化施教。

(2)通过基于问题的探究式学习、基于案例的讨论式学习和基于项目的参与式学习等多种教学方法，形成师生互动与同学合作，将学习知识与研究问题相结合，鼓励学生自主学习，引导学生掌握科学方法，培养学生解决实际工程问题的能力。

(3)硬件实验与仿真实验相得益彰。在实践教学与项目应用教学中，采用理论仿真和硬件实验相结合的模式给学生提供积极探索和实践的空间，以解决实践教学和理论教学相脱节的问题，提高学生发现问题、解决问题的工程实践能力。