非电类专业电力电子技术主动式教学及智慧课堂建设实践

钱强 张犁

（河海大学能源与电气学院 江苏·南京 211106）

0 引言

学科融合、多学科交叉的新工科背景对非电类专业的工科生提出了更高的要求，各学校一般会开设具有较短学时的电力电子技术基础课程[1]。然而，受课程内容同本科生主要专业关联程度较弱、课程系统性较强、基础知识面覆盖广、年轻授课教师水平等因素的影响，提升非电类专业电力电子技术课程教学质量成为了不小的挑战[2]。

首先，本课程涵盖模拟电子、数字电子电路、电路理论基础等相关基础内容，知识点繁杂且系统性强，不利于学生在较短的教学时间下完整地掌握相关理论知识（以河海大学能源与电气学院新能源专业为例，授课学时仅为32学时）。此外，考虑到本课程一般隶属于非电类工科生的专业选修课，客观上学生对该课程的兴趣与重视程度也有所不足，这会在一定程度上影响了学生对相关知识的掌握[3]。

其次，在传统的课堂中以教师授课为主的被动式教学情景下，学生参与程度普遍不高，课上学生频繁使用手机、开小差、逃课、睡觉以及课后学生未及时复习、抄作业等现象使得教学秩序的管理与维护也较为困难，也不利于教师有效地提升班级整体学习水平[4]。因此，有必要在非电类专业电力电子技术课堂中改变现有的以教师授课为主的形式，提高学生的参与程度。

最后，非电类专业电力电子技术课程内容相对而言比较容易且较为基础，该授课任务一般由教学经验相对匮乏的青年教师（一般为电气专业毕业的专任教师）来承担，如何在有限的授课学时内保证本课程的教学质量也对年轻教师提出了一定的要求。

可见，提高电力电子技术课程教学质量对非电类专业本科生及授课教师而言难度较大。根据美国视听教学理论家埃德加·戴尔所提出的“经验之塔”理论可知，“听讲”“阅读”“示范”等个人学习或被动学习方式往往获得较差的学习效果，“小组讨论”式效果较优，而“实际演练”或“向其他人教授/对所学内容的立即运用”的学习方式可以取得最佳的学习效果[5]。目前，国内有关高校虽然已有部分进行了科学实践，但是受不同类课程和学生质量的制约，学生的主动参与程度仍有待加强，教学质量及成效有待在创新教学方式下进一步加以提升。此外，随着网络媒体的利用和推广，若能将新的教学手段或工具放置到“经验之塔”中的适当位置，且避免网络工具在教学中的盲目使用以及多媒体课件完全取代教师职能的现象，即可更好地辅助年轻老师的教学，并加深学生对电力电子技术课程的认知[6]。

为提升学生学习兴趣及教学效果，本文对非电类专业电力电子技术的教学方法进行初步探讨，从提高本科生主动参与课堂、自主完成课后学习的角度，将“预习+摸底”“实践”式教学方法的有机结合，取得了一定的教学效果。

1 “预习+摸底”式教学准备

1.1 以吸引学生兴趣为目标设计预习材料

爱因斯坦曾说“兴趣是最好的老师”，这句话强调了兴趣在学习新知中的重要角色，强调了学习者自身感受的关键作用，但这句话是从学习者的角度来说的。然而，教育从来都是教和学两个部分的良好互动，良好且合适的引导更为重要。由于预习材料可以梳理本科生对新课内容前后逻辑关系的理解，那么设计合适的预习材料对提升相关专业的本科生的学习主动性及学习质量就显得尤为必要。

电力电子技术课程是一门与实际生活关联紧密的课程，教师可将课程各章节内容同自身的研究方向有机结合，在预习材料中提出与学生生活密切相关的问题以吸引学生，引导学生对新知内容的思考。

在绪论这部分内容中，可结合学生日常生活，向同学们介绍本课程的学习可以带来哪些比较有意义的收获，以及根据本课程的知识可以解释日常生活的科学现象，更甚带来对当前国家科技竞争的自我理解，激发为国家之崛起而读书的信念。例如，手机充电器或便携式笔记本电脑电源适配器上铭牌所表示的物理意义，是否仅限在大陆内使用？为什么适配器会越做越小？无线蓝牙耳机等智能穿戴中应用的无线充电功能的基本原理是什么？我国铁路是如何实现电气化的以及高铁是如何供电的？那么，我们可以在预习材料中加入纪录片《大国重器》，以辅助学生了解我国掌握高铁技术的辛酸历程以及当前在功率半导体等先进制造业上的卡脖子问题，提升学生学习本门课程的主观能动性。

在各章授课内容中，一方面需要尽可能同上述问题相呼应，另一方面还可进一步提出和各章节紧密相连的问题。例如，在涉及直直变换器基本电路结构学习时，可以向学生们介绍锂电池和USB的标称电压，引导学生思考日常生活中广泛使用的充电宝在充电和放电时的工作状态，进而抛出降压和升压式的直直变换器的概念；在交流电路相关章节的学习时，利用早年爱迪生和特斯拉的直流交流之争的历史事件激起同学们的学习兴趣，向学生介绍关于交流和直流的区别；在介绍谐波等相关概念时，可以从人的听觉范围及声音频率的叠加入手给学生建立感性认识。

1.2 凭借“摸底”式问答了解学生的准备工作

由于目前学生普遍存在课前不预习的情况，教师应在每次授课前，除需提前几天制作含有下节课主要知识点介绍的预习材料，还需在其中涉及相关知识点的简单问答，尤其是新知内容同其他课程间的相互逻辑关系，以便督促并了解学生的准备工作，为教师开展新课教学提供一定的借鉴和参考。下面以本课程中的具体教学实践为例做具体的阐述。

比如，在对“电压型逆变电路”课程内容中输出电压特点进行讲解时，可以在预习材料中要求学生预习高等数学中周期函数的傅里叶级数展开以及本课程中有关谐波概念的定义，并提出诸如奇函数傅里叶级数展开有哪些特点、各次谐波幅值有什么样的数学关系的疑问？当学生完成简单的“摸底”式问答后，学生一方面对高等数学中有关知识在电力电子技术课程中的应用有了更为清晰的理解，另一方面也加深了本课程中谐波等相关概念的认知，有效地实现了对前述章节教学内容的回顾，提高了学生对知识的掌握以及灵活运用能力。此外，教师可以根据学生的回答情况对新课内容教学进行更深入的规划，若学生预习情况较为理想，则可方便的开展本节内容单相半桥、全桥逆变输出电压频谱分析的讲解，教学重点可仅放在不同逆变电路输出波形差异上，而不是量化分析波形中所含的具体谐波成分。课上还可进一步引导学生针对三相全桥逆变电路的相电压和线电压频谱进行自主分析，鼓励学生通过相互讨论并结合已有知识进行定性分析。事实上，学生能普遍运用高数知识来求解，课堂上学生自主参与学习程度也较高，教师也仅需对相关结论进行梳理，汇总不同逆变电路的工作特点，为学生厘清新课内容的主干结构。

总体而言，“摸底”式问答对教师掌握学生预习基本情况具有重要作用，有利于教师在课堂上进一步开展合适的工作，如引导学生在预习的基础上对关键新课内容进行深入的归纳与总结，并尝试解决本节课内容所提出的新问题。

因此，尽管电力电子技术课程涉及的知识点繁杂，但授课教师通过“预习+摸底”式的前期教学准备工作，易于让学生提起自身的学习兴趣，实现前后知识点的贯穿，而不是对本课程中相关知识点的强行记忆。

1.3 基于雨课堂的智慧课堂建设

正所谓“以其所知，喻其不知，使其知之”。教学的全部精髓即在于实时了解学生知道了什么，并根据此进行针对性教学，而往日以教师授课为主的课堂形式较为沉闷，需要迫切变成以学生为中心的、非常有趣味性的课堂。然而，对于非电类专业的电力电子课程而言，教师和学生间的联系较为疏远，关于学习方法及问题沟通机制略显贫瘠，不利于获得良好的教学效果。因此，需要将现代教育技术轻松融入课堂，让传统的教学活动变的时尚灵动起来。

对于年轻教师而言，诸如学生以小组形式走上讲台、虚拟仿真等新型教学方法以及辅助手段应当多加以积极尝试。需要指出的是，清华大学所推出的雨课堂智慧教学工具将PowerPoint，慕课以及手机微信有机融合，使得教师可较为便捷地实现对学生课前、课上的有效管理。比如，课前教师可便捷地向学生推送预习材料及“摸底”问题，在课上可实现实时的教学反馈，还可采用弹幕的方式提升学生参与课堂的主观能动性。采用雨课堂来辅助教学，可以给教学插上智慧的翅膀，使教师教学更为精准。

雨课堂改变了传统的以教师授课为主的教学模式，让学生、教师和管理者知道教室里真正发生了什么。它有助于实现数据驱动的教学，帮助教师在提升教学艺术的同时，实现科学教学和教学科学，综合性地改善了“教”和“学”的效果。

2 “实践”式教学方法

提高学生对电力电子课程的兴趣可以改善学生的学习动力，促进教学效果的提升。为了更好地掌握学生的学习情况，还需根据“经验之塔”，让学生通过“实际演练”或“向其他人教授/对所学内容的立即运用”的学习方式，以进一步实现理解课本知识、获得最佳的学习效果的目的。

电力电子技术本质上是一门工程应用的课程，在教学过程中，年轻教师可根据该课程内容与个人研究方向的联系，在课程开始向同学介绍本门课程在同学们日常生活中的典型应用。比如，笔记本电脑电源适配器上的参数的物理意义、是否可以在不同国家旅游时正常使用？20000mAh的移动电源可以为智能手机循环充电多少次、充放电是如何实现的？

在后续教学过程中，教师应鼓励学生在课后时间中利用所学知识进行科学实践，采用基于小组协作的方法完成具体的软件仿真或实物设计，在具体的实践过程中发现并尝试解决所存在的实际问题，最后可以通过PPT形式进行小组汇报，同班级同学进行问题的沟通与反思，从而有效地规划了本科生的课余时间，进一步巩固学生对课程内容的理解。

笔者在“直流直—流基本变换电路”一节课程授课前，让学生以分组形式协作完成一道题为充电宝在充放电时基本工作原理是什么的实践题目，尝试用本章知识设计简单的具有充放电功能的电路，并掌握充电宝的基本技术参数，分析充电宝容量与对手机充电次数间关系。

本科生按小组制定好组内成员工作内容，利用课后时间查找相关资料，搭建仿真模型，使用手机和充电宝进行实验测试，并在组内就遇到的问题开展讨论。各小组学生一般可以掌握充电宝的基本技术参数的物理意义及标称容量和实际容量的关系；充电宝内部锂电池和充电接口直流电压等级；掌握降压和升压式直直变换电路的基本结构；学会使用电力电子专业仿真软件；等等。经过一定时间的学习和实践，非电类专业本科生对相关实际问题可以形成一定的见识和理解，教师也可以在学生汇报完毕后进行实时评述，指出可以改善和优化的方向，为有兴趣的本科生继续探索。

可见，“实践”式教学方法以和学生密切相关的日常生活现象为切入点，可以提高学生主动参与课后学习的能动性及自主学习的能力。值得注意的是，该“实践”式教学手段也是对电力电子课程实验教学的延展，在进一步加强本科生对于课本上理论知识的灵活运用并显著提高学生动手能力，为现有配套的实验课程中存在的学生人数较多、硬件条件有限、实验学时短、实验内容陈旧等问题的解决提供了辅助作用，让学生切实地投入本课程的学习并提自主思考的能力。

3 结语

非电类专业的电力电子技术课程存在有限授课学时、基础知识面覆盖广、系统性较强的教学挑战，加之年轻教师教学经验欠缺和学生主观参与程度较低，教学效果不甚理想。本文以提升学生学习兴趣及其参与课程教学的程度为目标，分别提出采用基于雨课堂智慧方案的“预习+摸底”式和基于小组协作的“实践”式教学方法来进行科学教学，两种教学方法的有机结合有效提升了学生主动参与课堂的程度，可较为便捷地实现对学生课前、课上的有效管理及学生学习效果的实时反馈，加强了学生对课本知识的实践，进一步巩固了学生对课程内容的理解，提升了学生参与课堂的主观能动性和学习效果。