“电力电子技术”课堂教学中融入“课程思政”的方法实践

2021-10-23马铭遥赖纪东黄海宏

电气电子教学学报 2021年5期

马铭遥，赖纪东，黄海宏，张兴

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009）

0 引言

专业课程是课程思政建设的基本载体。在2020年5月28日发布的《高等学校课程思政建设指导纲要》（以下简称《纲要》）中明确指出并具体要求：要紧紧抓住教师队伍“主力军”、课程建设“主战场”和课堂教学“主渠道”，让所有高校，所有教师，所有课程都承担好育人责任，守好一段渠，种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，将显性教育和隐性教育相统一，形成协同效应，构建全员全程全方位育人大格局［1～5］。全面推进课程思政建设，就是要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，这是人才培养的应有之义，更是必备内容。“电力电子技术”作为电气与自动化本科专业的基础专业课程，具有鲜明的学科特色，其本身的发展历程就体现了新兴学科发展的创新规律、思想价值与精神内涵。深入挖掘这些元素，更能够让学生认识和领会推动科学进步的普适性规律，理解和掌握工程创新的价值性与可实现性［6～7］。

1 “电力电子技术”课程的学情分析

在能源枯竭和环境恶化的双重压力下，全球能源发展格局正在发生重大而深刻的变化。多年来我国的新能源发电已取得举世瞩目的成就。而新能源发电并网、柔性直流输电、交流传动等等重大应用场景的技术实现都离不开电力电子技术的支撑。电力电子技术是使用功率电力电子器件进行电力控制和精准变换的电子技术。它是支撑我国电力能源、航空航天、国防军工等国家重大需求的关键基础性技术之一。其面向行业和学科前沿，是兼具知识基础性和工程应用性的具有重大发展潜力的新型学科。

而“电力电子技术”课程，面向大学三年级电气工程及其自动化、智能电网信息工程、自动化等专业本科生，重点讲述电力电子器件的特性和选取方法以及电力电子四种典型功率变换的拓扑结构、电路分析和参数计算方法，使学生具备变流装置的基本调试能力以及电力电子电路的特性分析和计算能力。通过课程的学习，培养学生的实践探索精神以及科学创新精神。

基于“电力电子技术”的应用背景，我们在授课时要主动将前沿科研方向、科研成果反哺本科教学，实现科教深度融合，培养学生科学思维、批判性思维和创新能力。而思维的塑造和能力的培养与学生价值观、世界观、人生观的引领息息相关，因此将思政教育融入和贯穿到专业课程的教授中是非常必要，且刻不容缓。

2 思政元素与课程教学设计的有机融合

提升课程育人质量，须围绕立德树人这一根本任务。并遵循思想政治工作规律、教书育人规律和学生成长规律，不断创新教学内容，才能激活其蕴含的思政元素。认真梳理专业课程所蕴含的思想政治教育元素和所承载的思想政治教育功能，赋予课程价值引领的重任，实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一。因此，提升课程育人质量，需要在“融入”上下功夫，即通过创新教学内容，将丰富的思想政治教育元素润物无声地融入到课程之中。

2.1 思政元素与教学内容的融合

工科课程专业知识本身就具有明显的价值倾向，尤其是很多交叉学科及新兴学科课程。一方面专业知识点反应了科技发展历史上某些重要的新发明和新创造。授课中如果能够厘清科技历史发展脉络，讲述当时技术探索的过程，结合知识点的理论内容，更容易让学生深刻理解知识原理的意义和其产生的必然性。另一方面专业知识点反应了当下某些重大技术应用的基础性原理。授课中如果能够结合技术应用的工程需求，以需求为牵引，启发学生逐步改进，最终获得最优化的效果，更容易让学生理解组成元素的真正价值和意义。这些专业知识点内容其实都具有明显的时代性，只要将知识原理与价值意蕴有机结合，使教学内容与主流价值观同向同行，有效回应学生的普遍关切，都会取得非常好的育人效果。

2.2 思政元素与导学方法的结合

大部分工科课程的知识点和知识点之间具有一定的逻辑关系。这种逻辑关系可以辅助学生从整体或全局上学习和理解知识的内在构造和价值。授课中要注重把握这些逻辑的明线和暗线，以逻辑构成为牵引，引导学生体验聚焦与发散的有机结合，局部与全局的不同认知，顺序与逆序的不同结果等等。将导学方法与认知过程有机结合，使教学内容与认知规律同频共振，着力培养学生的拓展能力与创新精神。

2.3 思政元素与教学教具的组合

很多工科课程的教学案例与现实生产和生活息息相关。采用虚拟情境、现实产品、现场视频等等教学手段，可以辅助学生更加深刻的体会学科价值。而真实案例背后的学科故事，既立体又丰富，课程讲授中娓娓道来，用真实的故事明晰道理，用道理获得认同，更易于引发学生的情感共鸣。更易于激发学生在时代洪流中，注重厚植情怀，持续创新思维，不断拓展视野。

3 “电力电子技术”课程思政的实践案例

“电力电子技术”课程的主要教学内容和课程思政融入如表1所示。“电力电子技术”课程思政的创新教学设计，从以下几方面开展了教学探索工作。

表1 “电力电子技术”课程的主要教学内容与课程目标

3.1 “电力电子技术”课程思政教学内容的设计

思政元素与课程内容的融入要恰到好处，才能够做到润物无声。思政元素的融入可以在课前、课中、课后的各个环节中开展。例如在课前，在安排小组讨论或者预习环节时，就可以推送一些相关的现场应用场景、技术现状、重要的演讲等等的视频资源供学生们先行学习，课上再汇集学生们的问题，开展教学相关环节。课中适合针对相关知识点介绍专业发展历史主线，引导学生关注未来技术发展的方向；介绍具体成果背后的人物故事，鼓励学生勇于抓住时代的机遇，坚韧不拔打破国外封锁；介绍我院电力电子科技创新的相关技术应用，鼓励学生凝练精华不断创新，树立工业报国的远大志向。课后环节可以推送一些可以拓展视野的视频、电影或者文献，挖掘学生学与思、思以用的潜能。多种形式相互结合，形成思想政治教育与知识体系教育的有机统一。

（接续表1）

3.2 “电力电子技术”课程思政导学方法的设计

“电力电子技术”课程的讲授内容，涉及非常多的电路拓扑类型，如果简单的让学生进行记忆和学习，很难取得非常好的教学效果。这些电路拓扑结构之间其实存在一定的关联性，为了便于学生理解和掌握拓扑推导之间的辩证关系，我们引入古代先贤老子其《道德经》中的经典内容：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”其推演思路如图1所示。将电力电子半桥“I”型集成功率模块作为基本单元，通过输入输出端口的电源和适当负载接入就可以构成电流可逆的二象限DCDC直流变换拓扑，继续并联就可以获得最为广泛的单相全桥变换拓扑。通过增加相数可以获得三相桥式逆变器拓扑，或多相桥式交流电机驱动拓扑；通过用晶闸管功率器件替换全控功率器件以及负载调整，可以获得相控整流电流拓扑；通过封锁全控功率器件的驱动信号，可以获得不控整流电路拓扑等等。

图1 知识点的有机串联与拓扑推演

通过引入中国古代先贤的辩证法思想，用古代经典哲学串联本课程所有拓扑结构的推演与拓展，自然融入思政元素，厚植家国情怀。

3.3 “电力电子技术”课程思政教学教具的选取

针对“电力电子技术”课程中的直流-直流变换章节，其涉及的内容与现实生活中手机充电器、充电宝、电脑适配器等等学生们日常使用频率非常高的消费类电子产品的基本工作原理一致。在授课中，我们以真实的手机充电器或电脑适配器作为课堂教具，让学生认识电能变换的工程设计需求。并拆卸教具让学生认真观察内部的元器件结构，真切感受各类功率元器件的体积和重量的相对大小。直观感受电感、电容、变压器等元器件的体积和重量在整体电路中占主导成份。例如在讲授BUCK电路特性分析时，可以推导得出输出电压纹波的表达式如下所示：

公式表明当输出纹波要求一定的前提下，如果想要减小电路的体积和重量，最优化的方法就是提高开关频率fs。若开关频率显著提高，传统的硅材料功率器件就难以满足工程需求，需要采用近几年才开始商业化应用的宽禁带半导体材料构成的新型碳化硅或者氮化镓功率器件。我们以小米GaN氮化镓65 W充电器实物为例，其尺寸为30.8×30.8×56.3 mm，功率密度高达1.21 W/cm3，重量82 g。与传统充电器的对比如表2所示。通过这样的实物展示和对比教学，让同学深刻认识科技快速发展和应用创新的巨大魅力。激发学生主动创新意识和关注科技最新发展的热情。