新工科背景下电力电子技术课程综合改革与实践

孙丽玲，李建文，董淑惠，田艳军

（华北电力大学（保定）电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，2017 年以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，系统部署了新工科建设工作，并提出了具体的指导意见，明确了我国工科教育需要持续培养新工科人才以支撑国家实施创新驱动的发展模式。

为了实现新工科建设的教育目标，必须将传统“以教师为中心”的满堂灌教学方式转变为“以学生为中心”的引导式教学方式，引导学生主动学习、主动实践，通过在学习和实践过程中产生疑惑和发现问题来激发学生的学习兴趣和热情。课堂教学则是课程改革的主阵地，必须面向国家需求、增加课堂信息量、提高教学内容难度、强化教学过程管理，以培养出具有独立思考、敢于批评、敢于质疑，有创新能力与创新思维的社会需要的时代新人为最终目标。

电力电子技术作为电力学、电子学和控制理论的交叉学科，综合性强且与工程实际联系紧密，大到高压直流输电工程、新能源发电、高铁列车运行与控制、航空航天，小到开关电源、家用电器等都离不开电力电子技术。电力电子技术课程作为电气工程及其自动化等本科专业的重要专业核心课程，也是教与学中有较大难度的课程。本文针对新工科背景下电力电子技术课程综合改革进行了探索与尝试。

一、理念与设计的改革

在电力电子技术课程教学活动中，以“学”为中心指导思想，以培养学生创新思维与能力为教学目标，以实际工程案例或者应用案例为每章教学内容的引入。课堂教学过程实现“学什么”“如何学”“如何思维”的程序性和策略性知识的传播；课堂教学设计采用案例分析法、问题启发式，互动教学法、类比教学法等多种教学方法，系统地将电力变换电路与前后知识联系，其他学科知识有效衔接，并结合动画与动态电路进行波形分析，提高学生兴趣，激发思考；同时在教学过程中引入课堂思政，把工程实际问题和课堂思政相结合，对学生进行潜移默化的思政教育。课程设计整体思路如图1 所示。

图1 课堂设计整体思路

（一）引入工程实际案例及启发性教学模式

工科教学面临的一个突出问题是学生在学习课程之初不知道“为什么学？”“学什么？”“怎么学？”，在教学过程中积极引入工程实际案例、将枯燥的理论教学和工程实际案例相结合无疑是激发学生兴趣的有效手段，同时在课堂教学中引导学生积极思考，逐步培养学生的创新能力和素养，例如，在讨论相控整流电路时，首先通过介绍高压直流输电技术的发展历程，使学生了解相控整流电路在实际工程中的应用情况和发展前景，激发学生的学习兴趣和热情；随后在对电路进行分析的过程中，通过知识讲授、问题导出，创新意识引导等环节让学生掌握电路的分析方法；最后再结合高压直流输电系统仿真进行创新实践，加深学生的理解。相控整流电路分析的启发性教学思维导图如图2 所示。

图2 相控整流电路分析的启发性教学思维导图

（二）制作高质量的教学课件

电力电子技术课程是以电路波形分析为主线的，传统的板书及课件不能展示波形的动态变化规律，波形变化也不能与电路中开关的动作有效对应，导致学生难以把握电力电子电路的工作原理，因此结合动画展示的教学课件更能适合课堂教学的需求。通过动画设计一步步直观展示各种元器件动作瞬间，电路参数变化和波形图，将课本上大量枯燥的文字叙述变为生动形象的图形、数据，可以有效提高学生的学习兴趣及加深对电力电子电路工作原理的分析与理解。

（三）实践互动式教学

在教学活动中，教师满堂灌的填鸭式教学方法已不再适应新形势下的教学要求，学生是课堂的主体，需要充分调动学生的积极性参与课堂活动。本课程充分利用“课堂派”智慧教学平台，进行课上、课中、课下的智慧教学，每节课根据教学内容节点设置2～3 次课堂互动，将核心知识点以答题形式进行及时回顾，注重实效、弥补不足，课堂互动参与情况如图3 所示。

图3 课堂互动参与情况

（四）融入课堂思政元素

“以学生为中心”的教育理念，是教育应以有利于学生的发展为出发点和落脚点，该思想与“课程思政”在价值上具有内在的统一性，教师需要将积极的世界观、人生观、价值观、坚定的意志，清晰的逻辑、过硬的专业素质潜移默化地贯穿进知识传授过程。为此，在电力电子技术课程中深入挖掘课程思政的德育元素，将更多的“思政点”融入课程教学环节中。例如，在相控整流电路的讨论中，通过引入高压直流输电的工程案例，介绍世界和我国高压直流输电技术的发展历史，使学生理解核心技术不能受制于人，坚定独立自主、不断创新的发展理念；再如，分析各类电力电子器件的优缺点时引入辩证法思维，考虑问题要全面，不能片面的看待、分析问题；在逆变电路分析通过宏观尺度与微观尺度的对比，使学生更好地理解PWM 控制的基本原理等。每一堂课通过点滴的思政元素达到润物无声的效果。

二、辅助教学方法与手段的改革

（一）引入仿真实验环节

电力电子技术是一门应用性较强的专业基础课程，应加强对学生实际操作能力与理论联系实际能力的培养，课堂教学要结合实际应用，扩大学生的知识面，注重培养学生的创新意识，因此实践环节必不可少。仿真实验教学可以克服传统实验室设备老旧、形式单一、内容僵化等问题，且不受时间与空间的限制，更满足新工科建设的内涵与特征。同时引入电路仿真环节后，学生由开始不会使用软件，到通过多渠道学习，最终成功搭建电路、设计参数、验证电路拓扑的功能，可以获得满足感和成就感，学习兴趣和效率都会得到很大程度的提高。

（二）实践考试改革

考试是对学生课程学习、掌握情况的综合评价，不能以一张考卷决定学生成绩，也不允许学生抱有考前突击就取得高分的侥幸心理，本课程最终的课程成绩由平时作业、实验报告、课堂小测和期末成绩组成，按照平时作业10%、实验报告10%、课堂表现及小测10%和期末成绩70%的比例分配。课堂小测是每节课都会有的教学环节，既能让教师及时掌握学生对课堂内容的掌握情况，又能让学生提高课堂注意力，及时掌握每节课讨论的重点内容。同时，期末试题紧密联系工程实际，考察学生的综合应用能力，从工程实际入手，让学生结合所学知识进行分析。

三、教学效果

抓基础，重实践，以工程应用为背景，课题组对电力电子技术课程教学内容都进行了课堂教学设计，经过一个学期的应用，学生们反响良好。课堂学生评价情况如图4 所示，学生评分高达97.39 分，满意度很高；2019-2020 学年与2020-2021 学年电力电子技术课程的学生成绩对比情况如图5 所示，从图中可以看出，高分数段学生人数显著增加。

图4 课堂学生评价

图5 2019-2020 学年与2020-2021 学年电力电子技术课程学生成绩对比

四、结束语

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，教育部积极推进新工科建设。电力电子技术是电气工程学科的一门核心专业课程，其综合改革在新工科背景下乃大势所趋，本文对此进行了探索与尝试。围绕“理念与设计”“辅助教学方法与手段”“教学效果”等方面介绍了具体的改革措施与实践，提出了“引入工程实际案例及启发性教学模式”“制作高质量的教学课件”“实践互动式教学”“融入课堂思政元素”“引入仿真实验环节”“实践考试改革”等具体方法。在实施上述改革后，学生的成绩得以提高、高分段学生占比提升、学生的课程满意度也大幅提高，这表明了电力电子技术综合改革的良好成效与必要性。