“开关电源原理与设计”课程教学改革

张莹文， 刘亚琳， 王贤立， 门三义， 陈 菲

(洛阳师范学院 物理与电子信息学院，河南 洛阳 471934)

0 引言

“开关电源原理与设计”属于电气工程及其自动化专业的创新创业平台，是电力电子与电力传动方向的专业核心课程。凡是在使用电源的装置和设备中，开关电源都有用武之地，从民用电器到工业设备及军事装备等各个领域，开关电源的应用无处不在[1～3]。

“开关电源原理与设计”课程不但涉及到繁复的系统理论推导分析，而且工程实践性很强。我院在本课程开设过程中积极探索，勇于创新，从理论到实践全面开展教学改革研究。

1 课程教学问题分析

随着社会进步，应用型高校数量逐渐增多，如何提升应用型高校的人才培养质量成为一个关键问题[5]。作为电气工程及其自动化专业的方向限选课，“开关电源原理与设计”课程在培养电力电子与电力传动方向的人才中起着重要作用。

人才培养应以职业需求为导向[4]，但在“开关电源原理与设计”课程的传统教学模式中，存在着诸多问题。教师上课时只是进行纯理论讲解和一大堆公式的推演，满堂灌痕迹严重，课堂教学效果不好，学生参与度低，易走神，课后学生顶多做做习题，甚至没有习题，这就造成一种“平时玩乐课堂，期末临时抱佛脚”的局面。教育部部长陈宝生曾表示，中国教育“玩命的中学、快乐的大学”的现象应该扭转[6]。

归结起来为：教学手段陈旧、实践实训教学环节缺失、教学质量考核方式死板，是这门课程教学中存在的问题。

2 课程教学改革关键要素及实施

基于上述分析，我院的“开关电源原理与设计”课程的教学改革主要体现在教学方式、实践实训和教学质量考核三个方面。在教学方式上加入雨课堂，激发学生学习兴趣；在理论学习基础上增设实践实训课程，分为两方面，一是基于Saber平台的开关电源仿真，二是增设数字化控制的研究型实验，通过实践实训课程加深学生对开关电源理论知识的理解，并提升分析解决问题能力。教学质量考核方面，在传统期末考试基础上增加制作实物的课程设计环节，提升学生内化知识和应用知识的能力，并利用雨课堂提升考核时过程性评价的比重。

2.1 雨课堂

雨课堂是清华大学推出的基于互联网与大数据的智慧教学工具，其软件界面全部基于微信和PPT，具有5大功能要点，目前已在各高校大力推广[7,8]。

“开关电源原理与设计”课程在教学过程中采用雨课堂，使学习过程新鲜有趣，图1是“开关电源原理与设计”课程的雨课堂教学手机界面。使用雨课堂具体如下，课前通过雨课堂推送相关知识点的小视频、学科前沿资料等，并向学生提出思考问题，促使学生提前预习，这样课堂时间朝着课外延伸。课堂上进行知识点讲解，并利用雨课堂与学生互动，如学生发弹幕、雨课堂问题抢答、PPT“不懂”反馈等，充分调动学生的课堂热情，大大提升学生课堂参与度。课后发布习题和小测试，便于学生巩固复习，掌握重点内容，同时可以根据小测试统计学生对知识的掌握情况，以便及时调整授课内容和授课进度。

图1 “开关电源原理与设计”课程的雨课堂手机界面

另外，在整个雨课堂的教学过程中会自动采集每个学生的所有学习行为，并对数据进行量化。雨课堂量化的数据结果可以作为教学质量考核的一部分，从而提升期末考核的过程性评价比重。

2.2 实践实训课程

纯理论学习枯燥无味，教学效果欠佳，而需要动手操作的实践实训则能激发学生的好奇心和兴趣，实践实训课程是整个教学体系的一个重要组成部分，对培养大学生理论联系实际能力、创新创造能力发挥着巨大作用，为他们今后从事技术工作、科研工作等奠定基础[10]。

“开关电源原理与设计”课程则开设了独立的36课时的实践实训课程，包括仿真和研究型实验，从而增强学生动手能力和实践能力，培养其分析问题和解决问题的能力。

1) 基于Saber的开关电源仿真

Saber是Synopsys公司的一款可用于多技术、多领域的系统仿真软件，相较于Matlab和Pspice更适用于开关电源仿真[11]。

以单端反激变换器为例，具体仿真如下：

首先基于Saber Sketch界面搭建原理图，并进行电路元器件的参数计算和设置，最后运行和调试仿真模型。图2是在Saber Sketch 界面搭建的原理图，其中变压器原边、开关管和直流400V电源组成反激变换器主电路一次侧，变换器二次侧包括变压器次边、整流二极管、稳压滤波电容和负载电阻，而并在变压器原边的二极管D1、电容C1和电阻R1三个元器件则组成了Snubber吸收电路。

图2 Saber Sketch 界面原理图搭建

然后，在Cosmos Scope界面查看仿真结果波形并进行数据分析。图3是基于Cosmos Scope界面的仿真结果，分别为反激变换器输出电压Vo、输入电压Vin、开关管驱动信号波形Vgs和两端压降Vds。

(a) 输出电压Vo、输入电压Vin

通过Saber平台对全桥变换器进行仿真，一方面加深对其工作原理的认识，同时还便于探讨和分析当改变开关管占空比和变压器变比等参数时反激换器的状态变化，比如如何减小输出电压的纹波等，另一方面在仿真中拓宽学生专业知识面，比如认识这里的Snubber电路，分析比较加入Snubber电路时和未加入时反激变换器的工作状态异同等，从而提升学生对问题的分析和解决能力。

2) 数字化控制研究型实验

传统的实验课程通常采用“三定式”实验教学，即按照规定好的实验路线和步骤，使用规定的仪器仪表，在规定的时间内完成实验，这极大地限制了学生的思维能力和创造能力[10]。

一门好的“金课”应体现出学科前沿性[9],“开关电源原理与设计”课程则开设了数字化控制的研究型实验。在实验过程中，紧跟最前沿的数字化控制技术，采用DSP控制芯片TMS320F28335，基于CCS编程平台编写控制程序，并在开关电源变换器运行过程中通过CCS平台对实验过程进行实时监测和分析。同时在实现数字化控制的过程中，学生能够通过CCS平台更改控制程序来调节不同的研究参数，观察并记录相应的实验现象，从而达到对开关电源进行分析和研究的目的。

图4是以全桥变换器为例的CCS编程界面，里面包括主程序、AD采样计算程序和中断程序等，学生在编程过程中还巩固复习了DSP的相关知识，并提高其逻辑组织的分析能力。

图4 CCS编程界面

图5是开关电源数字化控制实验箱，其中白色盒子为隔离型仿真器，是软硬件实现通信的桥梁。相较于传统实验仪器，该实验箱的设计采用模块化和组合式, 在结构上紧凑, 并且随着功能的扩展可以增加相应的单元模块，使用时方便灵活。

图5 开关电源数字化控制实验箱

相较于常见的传统验证性实验，“开关电源原理与设计”课程的研究型实验采用了数字化控制，具有灵活性高、可配置性高等优势，并且可以实时监测实验数据，便于学生进行分析和研究，极大地打破了验证性实验的局限性。

2.3 教学质量考核

传统考核方式较为死板，一般就包括平时点名、作业和期末考试三部分，而且通常期末所占比重过高，过程性评价难以体现。改革后的“开关电源原理与设计”课程的考核除具有以上环节，另外加入制作实物的课程设计环节，即在学期末，每位学生选择某一拓扑的开关电源变换器进行设计，包括电路分析计算、绘制PCB板，元器件的焊接，系统调试等，并在最后提交一份课程设计报告，这整个过程需要把理论知识、动手能力和分析解决问题能力有机结合起来，培养了学生的创造力。

“开关电源原理与设计”课程的实物制作课程设计环节的加入，基于雨课堂的教学过程性数据的添加，以及实践实训环节的增设，都提升了“开关电源原理与设计”课程的过程性评价在质量考核中的比重。最终教学质量考核比例分配如图6所示，其中雨课堂数据包括平时出勤、作业情况、平时小测试和课堂表现情况等，从中可以看出期末考试仅占35%，这打破了学生全凭期末考试及格拿学分的尴尬局面，提升了过程性评价权重，对学生能力起到综合考察的作用。

图6 教学质量考核权重分配

3 结语

基于电力电子技术的开关电源是电源技术的核心，“开关电源原理与设计”课程在培养电源技术人才中担任关键角色。在“开关电源原理与设计”课程的教学改革过程中，采用了雨课堂教学手段提高了学生的课堂参与度，使课堂外延，扩宽了理论知识的传授面；分别从仿真和研究型实验两方面增设了独立的实践实训课程，加深了对知识的理解，提升了学生动手实践能力和知识运用能力；并在教学质量考核过程中加入制作实物的课程设计环节，综合了理论知识和实践经验，达到学以致用、研究创新的目的。图7是“开关电源原理与设计”课程的体系架构，以理论知识为根基，构建起承上启下的实践实训课程，最后顶端是制作实物的课程设计，自上而下形成稳固的金字塔。

图7 课程的体系架构

“开关电源原理与设计”课程的教学改革已进行了一年半，2016、2017级电气工程及其自动化专业的学生分别于2018-2019-1、2019-2020-1学期完成本课程的学习、实践和课程设计，一步步提升了学生学习兴趣、动手实践能力和分析研究问题能力，基本达到学习的预期效果，同时培养了学生的创新创业能力，使学生勇于克服困难，增强学生的社会责任感。

随着工程专业认证的开展[12]，互联网技术的发展，专业课程的教学改革势在必行。后续会加入微课、线上线下混合等教学方式，继续推进开关电源原理与设计课程的教学改革，争取把开关电源原理与设计建设成特色专业课程。