工科课程教学如何引导学生“深思考”

史敬灼

(河南科技大学 电气工程学院， 洛阳 471023)

《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》(教高〔2019〕6号)要求“引导学生多读书、深思考、善提问、勤实践”。其中，“深思考”是处于承前启后位置的关键环节。“深思考”是“善提问”的必要前提，也是使“读书”“实践”能够内化为学生能力的必由途径。深思考的行为和能力，是提升学生学习兴趣，增强学生主动学习意识与自主动学习能力的重要基础，因而也是切实增加学生投入学习的时间、提高自主学习时间比例的主要保障[1-2]。

引导学生多读书，往往是易于做到的，因为学生从小就知道要上学要读书。但问题在于如何能够让学生坐得住、多读书，如何将读来的知识有效地内化于心，进而有可能通过实践锻炼而外化为手上的能力。这个问题，可以通过“深思考”来解决。但是，学生虽然知道要思考，但往往不知道该思考什么，这就需要教师有意识地引导学生思考，提供“使思考成为可能”的基础条件作为支撑，创造可思考的情景和事项，引导正确思路并逐步深化。作者在工科课程“电力电子技术”教学中，注意并强化对“深思考”的主动引导。针对学生不知道该思考什么这一主要症结，采取的主要引导方式是适时提出适当的问题。本文叙述了相关教学改革的具体内容。

1 打好思考的基础

为使思考成为可能，了解专业知识、课程知识的基础，则需要通过课前预习和课堂讲授来实现。学生对“电力电子技术”课程的学习是从课前预习开始的。在课前通过“雨课堂”推送到学生手机的预习课件中，设置引导性疑问和选择题两类问题，来引导学生在读书+思考中完成有效的预习。因为在预习时，学生对课程知识的理解程度有限，难免困惑，所以预习课件中的问题应该重读书、重基础、重概念解析或辨析。

例如文献[3] 3.1节单相可控整流电路的预习课件中，指出“电力电子电路中的电力电子器件工作于开、关状态，是非线性电路”之后，设问“那么，电力电子电路该如何分析？”“‘电路’知识还有没有用?”显然，前一个问题直接针对文献[3]内容设问，没有引伸或是拐弯，是可以在书上找到答案的；后一个问题则是在引导学生回顾先修课程知识，在对比中思考前一个问题不同以往的背景和设问的意义，以明确文献[3]相关内容的作用。在这一节的预习课件中，还给出了下列选择题，要求学生作答：

多选题(0.5分)：文献[3]图3-4电路，比文献[3]图3-2电路多了一个续流二极管。与文献[3]图3-2电路比较，下列关于文献[3]图3-4电路的描述中，哪些是正确的？

(1)输出电压波形不再出现负的部分

(2)负载电感的储能不再释放

(3)导通角减小

(4)输出电压平均值减小

显然，这里给出的每个选项都可以在文献[3]中找到。只要认真读书预习，就容易做出正确的选择。

在各章节的预习课件中，作者较多采用了“下列描述中，哪些是正确的？”这类设问形式，一方面引导学生在思考解答的过程中认真读书预习，另一方面也是以题目的形式来强调关键知识点和难点。

为使思考成为可能，将思考的具体方法和正确思路传授给学生，也是必需的。作者在课堂讲授过程中，采用问题导向式的授课方式[4]，引导学生在思考的过程中学习课程知识；同时，在一次次授课过程中，引导学生逐步掌握思考问题的思路和具体方法，尤其是注意面向实际，将应用需求和实际约束纳入思考范畴。

2 引导学生自主深入思考

在学生逐步具备思考的必要基础之后，具有一定挑战度的课后思考题、大作业题等，就成了引导学生自主深入思考的重要途径。

在课堂上，作者会提出一些思考题，留给学生课后思考。例如文献[3]6.2.1节交流调功电路，讲授控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，并提及该电路常用于电炉的温度控制。作者请学生们课后思考：常用于电炉的温度控制，控制周期M值是大一些好，还是小一些好？这个问题不太简单，除“电力电子技术”课程的知识外，还涉及先修的“自动控制原理”课程知识及实际应用考量。类似的思考题还有很多。这些课后思考题，旨在概念、知识点解析，希望学生通过自己的思考来透彻理解课程知识；有些思考题，同时还会贴近实际或是直接以课程知识的实际应用为题，希望通过学生的自主思考和资料查阅来促进学以致用。这些课后思考题，被学生评价为“很有意思，利于深入思考”。

通过“雨课堂”发布并限时完成的大作业题是锻炼学生深思考能力的另一个重要途径。因为可以利用几天的课余时间来完成，时间相对宽裕，题目可以被设计得更完整一些，更有益于锻炼深入思考能力。根据侧重点的不同，这些作业题可以有几种类型。一是以透彻理解某一重要知识点为目的，在文献[3]知识范畴内，围绕该知识点设计题目；二是对文献[3]语焉不详而又有必要搞清楚的事情，设计题目来拓展教学内容；三是面向实际应用，以实际应用需求或实际电力电子电路为题，填补理论教学与实际应用之间的缝隙。无论哪一类作业题目，都应留给学生足够的思考、求索空间，也必须提供必要的基础素材支撑。

上述第一类较为常见。第二类题目的典型例子是死区对SPWM输出波形的影响，文献[3]仅提到“有影响”，但无细致说明，可以为学生提供相关课外阅读材料，并要求在阅读材料的基础上，推导死区给输出SPWM波形带来的谐波成分表达式。进一步地，还可以引导学有余力的学生思考抑制死区影响的可能措施。课外阅读资料，可以节选自优秀的外文教材，可以选自学术论文，亦可以是教师专门撰写的材料。

下面给出第三类作业题的一个例子。在一个大作业题给出的系统电路图中，包含图1所示的反激式开关电源电路，要求学生写出一段话叙述该电路的原理、工作过程，并探讨电路中主要元件参数设计问题。

图1 大作业题图——反激式开关电源

该题的重点在于两个芯片。首先，这么多种光耦芯片，为何选择了6N139？显然，6N139在图示电路中用来实现的功能是：将输出电压以隔离的方式反馈至电压闭环控制器的输入端。如课程知识所述，光耦芯片用来实现数字信号的隔离传输，如何能够用来实现输出电压这一模拟信号的隔离传输？研究随题提供的6N139芯片说明书，可以发现问题的答案。6N139是一种具有“高电流传输比”的光耦芯片，其输出电流与输入电流之比的典型值为20，最小值和最大值分别为4和50。说明书给出的输出电流、输入电流关系图2表明，在输入电流为0.5 mA附近的小区域内，图示曲线的线性度较好，电流传输比数值较大且该值随输入电流、随温度的变化幅度都较小，可选输入电流0.5 mA做为图1电路中6N139芯片的工作点，来实现模拟信号的隔离传输。由此，可以确定芯片输入端电阻PCR11、输出电阻PCR12的阻值。

图2 6N139芯片输出电流与输入电流的对应关系 (引自芯片说明书)

其次，需要思考UC3844构成的控制器结构、闭环控制流程、控制器设计，随题提供的资料包括英文UC3844芯片说明书和应用文档、来自中国知网的中文学术论文。图1电路使用UC3844构成了双闭环控制的开关电源，内环为变压器一次绕组电流峰值闭环控制，外环为输出电压(+15 VD)闭环控制。通过研究随题提供的资料，不难理解控制原理和控制流程。进一步，可以画出由阻容元件PCR4、PCR6、PCR13、PCC3、PCC6和UC3844片内运放构成的电压闭环控制器原理图，并根据先修的“模拟电子技术”“自动控制理论”课程知识，进行阻容元件数值设计。

在上述解题过程中，学生在题目设置的背景或应用场合中，在思考中学习，在研究中思考，在思考中深化认识，能够完成一次较为深入的思考之旅。

3 引导学生将自主思考融入实践过程

在课程实验、课程设计等实践环节中，学生在动手过程中不断遇到的各种实际问题，更是可以成为深思考的广阔舞台。为达此目的，课程实验、课程设计均在全开放实验室进行，教学内容设计以学生学为中心，秉承新理念的实验指导书为学生提供自己动手实践与思考的基础，教师讲授及指导注重激发学生动手实践的主动性和积极性，提倡学生自主研究型的实践过程，强调启发，有意识地培养学生自主思考、分析、解决问题。

3.1 课程实验

这里，以“电力电子技术”课程实验二Buck斩波电路为例，说明实验中的思考过程。在实验过程中，学生观察到图3所示波形，图中3个波形由上至下依次为图4(a)电路U1-9脚(PWM控制信号)、图4(b)主电路二极管D1阴极电压、电感电流。图示电感电流波形出现了小于0的部分，即出现了负值电流；相应地，D1阴极电压波形也出现了与PWM控制信号波形之间的明显差异。

图3 Buck斩波电路实验波形

(a)控制电路

(b)驱动电路和主电路图4 Buck斩波电路图

课程知识表明，Buck斩波电路与其它类型的基本斩波电路一样，电流方向是一定的，不可能出现负向的电流，D1阴极电位也不会高于电源电压。这是为什么？针对这一问题，引导学生注意到实验电路所用MOSFET Q1内含反并联二极管，并让学生思考由此带来的电路工作过程改变，分析图3实验波形。进一步引导学生思考并通过实验验证：若在图4(b)主电路中增加与Q1串联的肖特基二极管来消除内部反并联二极管的影响，图3对应的实验条件下，实验波形会有怎样的变化？此后，与学生共同进行实验，观察连续改变占空比情况下的波形变化过程，引导学生进一步思考、求证以探求上述现象的本质原因。

除在实验过程中偶遇或是发现问题进而思考如何解决问题之外，还可以在实验中故意设计问题来引发思考。例如在图4(a)所示实验电路中，电阻R10、R11分别取值为10 kΩ、2 kΩ，测得U2-2脚信号波形的下降沿有明显的拖尾现象，下降缓慢、持续时间长；细致观察其前端U1-9脚信号波形，也会发现波形在低电平区域存在小幅缓降现象。不少学生注意到这一现象，并主动思考为什么、怎么办。在该电路中，导致该现象的表象原因是R10、R11阻值偏大。因为Buck斩波电路只有一路PWM控制信号，不存在多路PWM信号之间的相位关系问题，因而PWM信号相位的微小偏移、占空比的微小变化不影响电路的正常工作，故而人为设计了这样一个与课程知识紧密相关的问题，为学生提供练习深思考、勤实践的对象与环境。

3.2 课程设计

在“电力电子技术”课程设计过程中，同样会出现各种各样的问题。这些问题主要有两方面的来源，一是由于学生的电路设计、焊接等失误导致的，二是因为注意细节而产生的。后者的一个典型例子是图5、图6给出的负载电压跳变沿波形。细致观察图5波形，可以发现其下降沿有短时平台现象。调节示波器，可得图6所示细节波形。

这些波形反映了主电路中电力电子器件的开、关切换过程，与主电路结构、MOSFET及其反并联二极管的开关动态过程、死区设置、负载电流方向相关。在思考“波形为什么会是这样”的过程中，学生利用所学课程知识，细致分析自己设计的电路图，并进一步细致测取相关电压、电流的短时波形来指引思考、验证结论。通过这一过程，不仅更加透彻地理解了课程知识，更是再次经历了“深思考”之旅。

图5 课程设计实验波形

图6 课程设计实验波形(细节)

4 结语

引导学生深入思考并逐渐养成思考习惯，注重学思结合、知行统一，是提高人才培养质量的关键一环。

在本文所述引导学生思考的过程中，教师的目的是通过创造条件、制造环境，来使学生逐步具备自己深思考的意识和能力，知道想什么，知道如何想、如何求证。为此，需要始终牢记以学生为中心、以学为中心，注重把握引导的时机、引导的分寸，提供支撑，提供引领，而不喧宾夺主。