基于BOPPPS模式的电力电子技术实验教学设计与实践

李慧 白雪峰

摘  要：在深入剖析现有电力电子技术实验教学存在问题的基础上，文章提出了基于BOPPPS模式的电力电子技术实验教学设计，旨在满足应用型创新人才培养发展需求;该设计以降压斩波电路实验为例，探讨如何利用BOPPPS六大要素即课堂导入、学习目标、课前测试、参与式学习、课后检测和总结等开展实验教学设计，将理论知识、实践能力和综合素质高度融合，从而激发学生的学习动能、推进“三全”育人、提升实验教学的有效性，以期为培养解决电力传动自动化及供配电领域复杂工程问题的高素质应用型技术人才提供参考。

关键词：电力电子技术;BOPPPS模式;实验教学设计;课程思政

中图分类号：TM46    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2022）14-0070-04

“电力电子技术”课程是工科类高校电气信息类专业的主干核心课程[1]，由电力学、电子学和控制理论三大学科交叉而成，广泛地用于一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统、家用电器及航天领域等[2]。作为北京信息科技大学一门本科优质课程，它在电气工程及其自动化专业教育中发挥着示范引领作用，对学生工程应用能力和工程师素质的培养也具有重要作用。为加强对电力电子技术理论知识的理解、锻炼学生的实操能力，“电力电子技术”教学普遍设有实验学时。但是，在传统的实验教学过程中，学生仅在实验台上按照实验要求进行动手操作，如在挂箱上的连线、用示波器测波形等，无法触及电力电子电路本质结构及实际元器件，更不可能运用所学的电力电子技术理论知识去设计实用电路、解决实际工程问题。

近年来，很多学者都在探索“电力电子技术”实验教学的改革方法。杨婷、杨厂利用Simulink仿真技术建立电力电子虚拟仿真实验平台，引导学生学习理论分析方法，提升学生的科研素养，启发学生的创新性思维[3]。李文磊、马常旺、史旭华等总结了“电力电子技术”课内实验操作中的问题及原因，为学生顺利完成此类实验提供了参考[4]。史敬灼、张亚楠采用教师自制电路板，让学生从了解电路原理开始，再到电路板上手焊电子元件、调试电路，提高实验内容的研究性、综合性和挑战度[5]。陈怡、南余荣引入启发创新模式，从实验内容、实验方式和教学情景3个方面做出改进，促使学生在实验中自主地运用知识去解决实际问题[6]。阎昌国、李伟、李青等以Boost电路为例讨论电路拓扑“再生”教学的问题，利用Simulink搭建了多种具有较高增益性能的Boost电路实验教学模型，培养学生创新思维，提高学习兴趣[7]。

为了突出以学生为中心的教学理念，本研究以激发学生的学习兴趣、提升理论联系实际的能力为出发点，在分析现有实验教学存在问题的基础上，提出基于BOPPPS模式的电力电子技术实验教学设计方法，以具体实例展示整个教学设计过程，为培养具有解决电力传动自动化及供配电领域复杂工程问题的高素质应用型技术人才提供参考。

一、实验教学存在的问题

目前，北京信息科技大学“电力电子技术”课内实验采用浙江求是开发的NMCL-Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台。由于实验平台强弱电的结合，出于安全性考虑，多为验证性实验。

学生操作不当或者接线错误易导致故障率高、效率低下，不能较好地满足应用型创新人才培养的教学和发展需求，具体存在以下几个问题：

1. 立德树人根本任务应落实到教育教学的全过程。专业教师已逐渐在理论教学中纵深推进课程思政，深入挖掘思政元素，但在实验教學中思政教育落实不到位，存在表面化、硬融入、两张皮等问题。

2. 现有的实验项目内容固化、陈旧，多以验证性为主，缺少综合性和创新性。如单相交流调压电路实验，只是让学生观察在阻感负载时触发角α>φ、α=φ、α<φ不同情况下输出电压和电流的波形，并不清楚控制信号的产生机理;三相桥式全控整流电路实验，也只是让学生观察不同触发角状态下负载输出电压波形，并不清楚6个晶闸管触发信号之间的相位关系如何实现的。

3. 实验台上的某些挂箱因使用频繁或操作不当，内部器件很容易烧坏，导致实验故障率较高。如在升压斩波实验过程中，学生用示波器观察波形时，通常会因为主电路和示波器的共地连接错误而跳闸等。

4. 实验设备大多采用封闭箱体、外引接线，学生仅需按照实验指导书上的步骤完成接线、用示波器观察波形、在报告上记录实验数据，往往缺乏对电力电子电路的直观认识，也缺乏独立思考意识。

5. 因受实验室空间大小、硬件资源、开放时间等因素的限制，实践教学手段远赶不上电力电子技术的创新发展，实验教学的预期效果难以达到。

总之，上述问题使得传统的实验教学模式无法适应以学生为中心的教学模式，促使高校对“电力电子技术”实验教学内容、教学手段等开展改革和创新，从而促进实验教学水平与教学质量的提升。

二、基于BOPPPS模式的实验教学设计

BOPPPS模型最早是由加拿大英属哥伦比亚大学的Douglas Kerr于1978年提出的，是一种以学生为主体、强调学生的参与和反馈的教学模式。BOPPPS教学模式含有六个环节，即课堂导入B（Bridge-in）、学习目标O（Objectives）、课前测试P（Pre-assessment）、参与式学习P（Participatory Learning）、课后检测P（Post-assessment）和总结S（Summary）。该教学模式已被全世界30多个国家的高校所采用，被全球100所大学和机构所推崇。

近年来，BOPPPS模式在我国高校课堂教学设计中得到了日益广泛的应用，但将其应用于实验教学还有待研究。本研究将以降压斩波电路实验为例，探讨如何利用BOPPPS六大要素开展实验教学设计，激发学生的学习动能、推进“三全”育人、提升实验教学的有效性。

（一）实验导入（B）

BOPPPS教学方法注重导入环节，其原则是简短、有效和有趣。导入设计需考虑学情、前导内容，并聚焦实验课主题，可以采用问题导入、图片导入或视频导入等。一般在实验之前，教师已经在理论课堂上讲授了降压直流斩波的电路结构、工作原理和波形分析，图1为降压斩波电路原理图。当开关管V导通时，二极管VD关断，电源E经过V给电感L储能，给电阻R和电动机EM提供电能，此时uo=E;当开关管V关断时，二极管VD导通，电感L将磁场能量释放给电阻R和电动机EM，此时uo=0。本次实验教学设计采用视频+问题导入，教师首先播放录制的部分实验视频及注意事项，然后提出具体问题：1.图1电路中每个器件的作用是什么？2.全控型器件V的控制信号是如何利用SG3525集成芯片产生的？由此自然引出本次实验的主题：降压斩波电路的性能研究。

（二）学习目标（O）

该阶段的目的是让学生明确通过本次实验的锻炼可以获得哪些知识、能力和素质。学习目标的设计既应考虑知识和能力目标，又要体现思政育人目标，将知识传授、技能培养与爱国情怀、社会责任感、科学素养、职业素养、创新意识、辩证思维和绿色发展理念等综合素质的培养相结合，做到知识探究、能力培养、思政与行为素养的协同发展。本次实验设计的学习目标包括三个内容：1.掌握降压斩波电路的结构及工作原理等知识;2.培养学生的发现、分析问题能力和动手实践能力;3.培养学生求真务实的学风，引导其利用实验的方式去验证理论知识，加深对理论知识的理解。

（三）课前测试（P1）

明确了本次实验的学习目标后，需要检测学生对降压斩波电路基础知识的储备情况，为顺利完成实验提供保障。教师可充分发挥新兴课堂教学方法的优势，以“互联网+高等教育”现代信息化教学技术作支撑，通过线上与线下相结合的教学方式，实现实验教学中测试及总结环节的网络化。在课前测试环节，教师可利用课堂派、雨课堂、学习通等信息化网络平台上的测试功能，选用判断题、单选题、填空题或简答题等题型，考查学生对知识点的掌握情况，动态调整教学的内容和进度，提高知识的内化率，激发学生的学习兴趣。

（四）参与式学习（P2）

实验教学过程中的参与式学习是BOPPPS模式的核心环节，主要是以学生为中心，通过动手实际操作更加深入理解知识、掌握知识。在这个阶段，教师作为实验课堂的引导者，适当引导学生独立思考并解决操作中出现的各种问题。以PWM波形发生器为例，它采用SG3525集成芯片产生PWM波形，控制图1中全控型器件V的通断，如图2（a）所示。

实验过程要求学生们用示波器观察“5”端波形、频率和幅度，并调节“脉冲宽度调节”电位器，记录其最大和最小占空比。正确地操作得到的最大和最小占空比分别为75.3%和9.4%，如图2（b）和图2（c）所示。但是，仍有小部分同学无法得到正确结果，究其原因是“6”和“7”两端的电源均为15V，所以学生就把光耦合器两侧的“地”看成“共地”，实际上光耦合器实现隔离和驱动两个作用，两侧零电位并不相同。学生通过查找问题，更加清楚了驱动电路的内部工作原理和各部分作用。

（五）课后测试（P3）

由于课内实验时间有限，大多属于验证性实验，学生真正动手参与电路设计、搭建和调试的机会较少，限制了学生动手能力和创新能力的提高，也大大削弱了实验教学效果。于是，在BOPPPS模式中的课后测试环节，教师可将Matlab/Simulink仿真技术引入“电力电子技术”实验教学中，图3为基于Matlab/Simulink的降压斩波电路仿真波形。

教师可让学生在课后利用业余时间搭建降压斩波仿真电路，得到实验对应的波形，与教学实验台上测得的波形进行对比，得到相应的结论，以电子版报告的形式上传至课堂派平台，方便教师随时批改。对于有明显差异的波形，要求学生分析查找原因，进一步对电力电子电路有一个直观的、全新的认识，提高其独立思考能力。

对于学有余力的学生，教师还可采用不同拓扑的斩波电路进行仿真，让学生观察其波形，更加深入地体会电力电子技术的魅力，体会到人类社会知识体系的构造是在前人研究的基础上更深层次的探索，总趋势是螺旋式上升、波浪式前进，理论与实践相结合的重要性，潜移默化地培养学生良好的工程素质与探索精神。

（六）总结（S）

实验总结包括实验报告的撰写和批改两个方面，前者要求学生在电子版实验报告中论述实验所涉及的理论知识，包括电路结构、工作原理及波形等，记录实验过程中波形、数据等结果，并进行处理和分析，最后对实验进行归纳和总结，或者谈谈心得体會和感悟等，并提交到课堂派平台;后者要求教师对每一位学生撰写实验报告，有针对性地评阅并提出问题所在。这种在线批改方式在师生之间形成了无缝衔接的交流模式，能及时实现信息反馈，开展个性化的培养。

三、结语

本研究针对目前应用型高校“电力电子技术”课内实验教学中存在的问题，探讨了采用BOPPPS模式实验教学设计的具体做法。BOPPPS模式在实验教学设计上，构建了“教学目标→教学行为→学习活动→教学评估→教学目标”的教学循环过程，教师通过反馈信息可有效地组织与调整实验教学目标难易程度。得益于现有丰富的教学资源与功能齐全的信息化平台，通过线上线下的充分融合，使这种先进的教学方法发挥到更好的效果。

与传统的实验教学模式相比，虽然BOPPPS模式的“电力电子技术”课内实验在时间投入上明显增加，挑战度显著提高，但是通过六个环节的相辅相成，引导学生主动学习，让学生将理论知识、实践能力和综合素质紧密融合，增强学生在这三方面的获得感。另外，教师也通过开展实验教学改革和创新，提升了教学能力和业务水平，为培养德才兼备的应用型工程技术人才贡献了自己的力量。

参考文献：

[1] 张春慧，宗哲英，王利娟，等. “电力电子技术”课程设计过程管理体系建设与研究[J]. 实验技术与管理，2020，37（03）：182- 184+192.

[2] 王兆安，刘进军. 电力电子技术（第5版）[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[3] 杨婷，杨厂. 基于Matlab的电力电子虚拟仿真实验平台研究[J]. 实验技术与管理，2018，35（07）：152-154+158.

[4] 李文磊，马常旺，史旭华，等. 电力电子技术课程实验操作中的问题及分析[J]. 浙江工商职业技术学院学报，2021，20（02）：38-43.

[5] 史敬灼，张亚楠. “电力电子技术”课程实验教学改革[J]. 电气电子教学学报，2021，43（02）：169-173.

[6] 陈怡，南余荣. 引入启发创新模式的电力电子技术实验教学改革[J]. 实验技术与管理，2017，34（02）：28-30.

[7] 阎昌国，李伟，李青，等. Boost变换器电路的“再生”教学与实验仿真[J]. 实验技术与管理，2021，38（07）：161-165.

基金项目：教育部高等教育司2021年第一批产学合作协同育人项目“基于BOPPPS的《电力电子技术》教学创新设计与实践”（项目编号：202101222002）;北京市高等教育学会20 21年立项课题“基于专业引领实战课程平台的创新创业教育模式研究”（课题编号：YB202189）。

作者简介：李慧（1976—），女，博士，北京信息科技大学自动化学院教授，研究方向为电力电子与电气传动;白雪峰（1971—），男，硕士，北京信息科技大学自动化学院高级实验师，研究方向为电力电子与电气传动。