线上线下混合式教学模式探索与应用——以“电力电子技术”课程应用为例

许 胜

（泰州学院，江苏 泰州225300）

0 引言

当前，我国正处于由高等教育大国向高等教育强国迈进的关键时期，重视我国高等教育，实现内涵式发展，提升本科教学质量成为了共识。然而，大学教学长期存在着“以教师为中心”的传统注入式教学方式，学生被动接受，教学效果普遍不好。因此，推进我国教育理念、教学内容、教育教学模式与方法的深刻变革，“淘汰水课，打造金课”成为了我国高等教育改革的焦点［1］。

以MOOC（Massive Open Online Course）为代表的在线开放课程，为传统教育模式改革带来了好的契机［2］。当然，单独依靠MOOC等在线教学，存在教学模式单一、教学质量难以掌控等问题。因此，充分结合传统课堂教学和网络化在线学习优势的线上线下混合式教学，近年来成为了不少高校教学模式改革的重点，并取得了较好的效果［3］。然而，混合式教学在实施过程中也存在诸如混合方式单一、混合程度不高等一些普遍性问题，网络学习和课堂教学结合程度较低，不能充分贯彻以学生为主体的教育思想，学生学习的主动性、积极性与创造性没有得到充分的体现［4］。

因此，本文开展线上线下混合式教学模式研究，旨在探索传统课堂教学和网络化线上学习优势的充分融合机制，克服现有线上和线下教学元素简单叠加问题，从而充分调动学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性，并且发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，提高教学质量。文章首先构建了基于“SPOC+翻转课堂”的混合式教学方案，并以“电力电子技术”课程应用为例，结合电力电子技术课程知识点多、理论性和实践强的特点，开展了“电力电子技术”课程混合式教学实践。

1 混合式课程教学模式方案设计

SPOC是面向特定人群的集管理、网络媒体教学环境、网络媒体教学工具于一身线上课程教学手段［5］。因此，选用SPOC作为混合式课程教学中线上教学手段，可以根据我校电气工程及其自动化专业的地方应用型本科人才培养目标，有针对性的合理规划教学活动。

为了突出“以学生为中心”的混合式课程教学主旨，本文基于SPOC的混合式课程教学模式具体实施方案如图1所示。

图1 基于SPOC的混合式课程教学模式实施方案

根据图1，混合式课程教学模式实施方案共包括线上SPOC自主学习、线下课堂训练与提升以及课程管理与引导等三个主要模块。

1.1 线上SPOC自主学习

1）学习目标制定

在混合式教学中，学生线上学习质量是整个课程教学质量的重点。因此，根据课程教学大纲并结合学生整体知识能力水平，针对每个课程知识点制定了详实的学习目标，加强对学生自主学习的指导，提升线上学习质量。学习目标和任务每次课前在SPOC公告栏公布，学生可以根据学习目标和任务有效地开展自主学习。

2）资料学习

学生根据学习目标，充分利用SPOC在线视频和课件资料开展自主学习。为了建设符合我校课程要求和学生特点的教学资源，任课教师需要对SPOC源课程内容进行重组和二次创建。

3）交流互动

交流互动是提高学生学习效果和兴趣的有效措施。SPOC开设了课堂交流区和教师答疑区两个交流板块。其中，课堂交流区为学生自主学习提供了交流讨论平台。学生可以就课程学习内容、作业、测试内容相互交流。另外，课程任课教师根据本次学习内容拟定几个讨论议题，供学生讨论交流，引导学生紧密围绕学习目标，把握学习重点和难点。另外，学生自主学习过程中出现的疑问可以在教师答疑区提出，由任课教师解答。交流互动环节可以增进师生间、学生间的交流与协作，增强学生对线上学习内容的深入理解。

4）测试自评

学生完成学习任务后，通过SPOC课堂测试、单元测试等开展学习效果的实时在线检测和评价。根据测试结果，可以查漏补缺，反复开展在线学习，直至基本达成学习目标要求。

1.2 线下课堂训练与提升

课堂教学切忌重复SPOC线上教学资源的内容。否则，就违背了混合式课程教学的目的，势必大大降低混合式课程教学的效果。因此，线下课堂教学更多应该是对学生自主学习效果的监测和综合能力的提升。

1）目标测试

基于学习目标的课堂测试是决定混合式课程教学效果的关键环节。课堂目标测试是线上学习和课堂学习的有机衔接，一方面，便于任课教师对学生在线学习效果以及重点难点问题的掌控；另一方面，是监督提升学生在线自主学习质量的重要手段。因此，课堂目标测试必须作为课程考核的重要组成部分。

2）难点解答

综合SPOC线上学习情况（交流讨论、答疑和测试），提炼知识难点，进行重点讲解分析。当然，此过程应以启发式、引导式的模式开展，比如分组讨论等。

3）提升训练

基于本次课程基本学习目标达成，通过综合应用、问题分析等更高层次的提升训练，开拓学生分析问题、解决问题的综合能力和创新能力。

1.3 课程管理与引导

在混合式课程教学中，教师应该充当辅助角色，而让学生成为主角。教师的主要精力应该放在教学资源的建设、课堂学习引导和管理上。

因此，课程管理应贯穿混合式课程教学的全过程，重在对学生课程学习的组织、引导、启发和监管，目的在于充分调动学生学习的积极性和主动性，提升学生课程学习的质量和效率。其中，课程考核是关键性的环节。课程考核包括过程考核和期末考试两个部分，并且，过程考核成绩应该占整个课程成绩的60%～70%，以提高课程教学的整体效果。

2 混合式教学应用典型案例

根据上述混合式教学方案，我校电气工程系开展了电力电子技术课程的混合式教学实践，并得了较好的教学效果。本文以降压斩波电路（Buck电路）为例系统阐述混合式课程教学的应用设计。Buck电路是直流-直流变换电路最基本的电路形式，因此，对该知识点熟练掌握可以为本章节其他知识点的学习奠定基础。图2为Buck变换电路的基本电路图。

图2 Buck变换电路的基本电路

2.1 线上组织引导

表1为Buck电路的线上学习组织引导内容。通过表1的学习引导，学生开展线上自主学习时目标明确，能够准确把握Buck电路的重点和难点，避免学习的盲目性，增强学习效率。

表1 线上学习组织引导内容

2.2 线下课堂训练与提升

Buck变换电路的线下课堂学习计划安排如表2所示。

表2 课堂学习计划（总课时：90 min）

1）目标检测

Buck电路的课堂目标检测内容根据学习目标制定，主要测试要点如表3所示。通过课堂测试，检测学生Buck变换电路学习目标的达成程度。同时，也是对学生在线自主学习的参与度和学习效率的间接监测，以便教师及时准确的把握学生线上学习情况。

表3 课堂测试要点

2）难点解答

式中x=(x1,x2,…xI)T∈RI是一个I维的变量，由表征优化对象的参数所构成。j=1,2…J是优化对象所能取值的区间，fj(x)是关于x的函数，表示在优化对象在j点取值时计算性能与设计指标的差异，其具体的表达式如下式所示：

通过综合分析学生线上学习情况，归纳出大部分学生在Buck电路自主学习过程中存在的主要难点问题：一个开关周期中电感L上的能量流动、电压、电流的大小及方向变化及其相互关系。该难点问题已经分解到课堂目标测试试题中，通过课堂测试练习、讨论，并对该部分内容的分析解答，学生能够较好的理解并掌握该难点内容，整体效果较好。

3）提升训练

课堂提升训练的目的是在基本学习目标的基础上，通过综合性、应用型设计类题目的训练，进一步强化学生对Buck变换电路的理解，提高学生分析问题和解决问题的综合能力。

训练案例：基于Buck变换电路的蓄电池充电系统设计，等效电路如图3所示。为了简化问题，充电过程中假定蓄电池组两端电压不变，则蓄电池组可由电压Ee和电阻R（电路损耗）串联等效。

图3 基于Buck电路的直流电机拖动等效电路

设计要求：①蓄电池采用恒流充电模式，并采用脉冲宽度调制方式（PWM）控制开关V通断；②设计LC低通滤波器，改善输出电压质量；③电流开环控制（占空比α直接给定）和闭环控制两种模式设计和比较分析；④基于Matlab构建系统仿真平台，实验验证。

主要电路参数参照表4。

表4 基于Buck电路的蓄电池充电系统参数

1）开环控制设计

设计目标：蓄电池平均充电电流40 A。

根据图3所示Buck电路，可获得V控制占空比α：

参照图3，将α=0.535作为给定，观测负载电流仿真波形（令电容C开路），如图4所示。

图4 开环控制下Buck电路输出电压电流波形

分析图3，讨论两个问题：

第一，输出电压平均值Uo相比较于预期值107 V较低；输出电流平均值Io相比较于预期值40 A较低。为什么？

第二，输出电压电流存在高频谐波分量。

针对上述两个问题，组织学生开展分析讨论，并形成讨论意见：

第一个问题的主要成因是实际电路中开关V、续流二极管VD存在等效内阻抗造成的电压损失。具体解决方案是采用闭环控制。

第二个问题是PWM开关电路固有特性，主要谐波成分是开关频率附近的高频谐波。可以通过LC低通滤波器解决。

2）LC低通滤波器设计

设计目标：抑制Buck电路输出开关谐波。

LC低通滤波器参数设计遵循原则［6］：控制输出电压脉动量小于一定数值，则电容C的取值为：

根据式2，设定ΔUd%=1%，并取αmax=0.8，计算有Cmin=50μF。实际取值C=500μF，根据低通滤波器截止频率校验：

可见，滤波器截止频率远低于开关频率fs，满足滤波要求。图5为增加了LC滤波器的系统开环控制仿真波形图。

图5 LC滤波后Buck电路输出电压电流波形

比较图4和图5，可见LC滤波器有效提高了Buck变换电路输出电压电流的质量。

通过此环节的训练，学生系统掌握了LC滤波器的基本原理和设计方法，尤其针对直流斩波电路的电压电流高频谐波的抑制。

3）闭环控制设计

设计目标：稳定蓄电池充电电流，指令充电电流初始值设置为40 A；t=0.3 s时刻，指令充电电流阶跃指50 A。

采用PI控制器，对蓄电池电流闭环控制，参照图3。仿真波形如图6所示。由图可见，Buck变换电路的输出电压和电流能够按照预期值准确输出，克服了开环控制中由于器件损耗等因素造成的误差，并且具有较快的响应速度。

图6 PI闭环控制下的Buck电路输出电压电流波形

通过上述基于Buck变换的蓄电池充电系统设计与应用训练，学生不仅熟练掌握了Buck变换电路的基本原理及其应用、PWM脉冲生成等基本控制方法以及LC低通滤波器的设计及应用，还掌握了基于PI调节器的闭环控制的具体工程应用及其特性。通过该环节综合案例的训练，进一步增强了学生对Buck电路的理解和认识，有效提升了学生分析问题和解决问题的能力。

3 结语

本文开展了基于SPOC的线上线下混合式教学模式研究，构建了基于“SPOC+翻转课堂”的混合式教学方案。根据我校电气工程及其自动化专业的应用型人才培养目标，本文以“电力电子技术”课程应用为例，结合该课程知识点多、理论性和实践强的特点，开展了“电力电子技术”课程混合式教学实践。实践效果表明，该混合式教学模式充分调动了学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性，并且发挥了教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，有效提高了“电力电子技术”课程教学效果。