项目驱动的电力电子实验教学研究与探索

冯学玲， 姚鸿泰， 张 蓉， 夏冬辉， 王学华， 尹 仕

（华中科技大学 电气与电子工程学院，强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）

0 引言

2016 年起，我校电气与电子工程学院以“电气化+”的学科交叉融合创新发展战略为指导，借鉴世界一流大学工程教育理念基础，提出“科学主导、实践驱动”的工程教育理念及实施路径，旨在培养面向未来的学术拔尖人才和业界领军人才［1］。因此实践教学不再是理论教学的附属品，转而成为教学改革的主要驱动力，通过“做中学”不断提升学生的自主学习能力，使学生学习过程从“外驱”变为“内驱”，最大程度激发学生的学习兴趣和创造能力。

电力电子学——电力电子变换和控制技术，是高等工科院校电气信息类电气工程及其自动化等专业学生必修的一门专业基础课程［2］，是电气工程专业其他课程的综合应用，亦是一门实践性很强的技术基础课程［3］。电力电子技术横跨电力、电子和控制3 个领域，几乎所有与电力、电子有关的高科技领域都涉及电力电子变换和控制技术，是专业人员从事相关工作必须掌握的基础知识。

电力电子变换技术通过控制半导体电力开关器件的通断状态实现电源功率和能量转换，在电力系统、电能质量控制、智能电网以及电力碳中和领域得到了广泛的应用和发展。在“科学主导、实践驱动”的工程教育理念下，我校开设了40 学时的信号与控制综合实验课程，聚焦电力电子系统建模、控制、研发的全周期。摒弃传统以实验挂箱接、拆线实验的模式［4］，以实际工程为背景，基于项目驱动教学方式设计了面向“电气化+”、新能源以及碳中和目标的电力电子变换项目：光伏发电系统中的能量变换与控制研究、电动汽车车载电源系统综合设计与研究。两个项目将电流电压信号实时检测、处理分析以及闭环控制等融入电力电子变换器的设计和研发过程中，贯穿整个课程教学；引导学生基于实际工程项目开展电力电子电路设计、仿真分析、制作与调试等任务，使学生能够完成从电路原理认知到设计调试等一整套电力电子开发学习过程，进一步提升学生知识建构、认知能力和意识养成等工程实践能力［5］。

1 项目驱动式教学设计思路

1.1 项目驱动教学

项目驱动式教学，首先应用于德、英等国大学教育并取得了显著教学效果，是一种以建构主义教学理论为基础、以工程项目作为课程引擎，教师引导学生主动完成项目的教学［6］。项目驱动式教学法的主要特点是“以项目为主线、教师为主导、学生为主体”，改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式［6］，教学目标明确，教学过程中学生的参与度显著提高，从而能够最大程度地激发学生主动探索和学习的动力。

课程组提供光伏发电系统中的能量变换与控制研究、电动汽车车载电源系统综合设计与研究两个综合实验项目，前者偏向于新能源发电并网；后者偏向于终端装备研制。学生可根据个人未来职业规划自主选择并重新编班，以便课程组教学实施。

1.2 教学设计思路

“信号与控制综合实验”课程采用综合设计模型［7-8］。该模式基于课程情境因素，制定有意义的学习目标、设计教育型评估与反馈、实施主动式教学活动，并将三者（下称三要素）的一致性进行综合和调整，为学生创造丰富的学习经历，如图1 所示。

图1 基于项目驱动式教学的课程设计思路

因此，课程组将通过设计基于“知识、能力、素养”的6 类有意义的学习分类目标，并采用基于真实性任务完成情况的前瞻性评估（真实性任务评估）和高质量的反馈来调动学生学习的积极性与主动性；采用新途径来帮助学生更好地获取信息和观点；基于综合的、有挑战性的、背景丰富的项目驱动形式来丰富学生实践经历，进而产生更多智力上的兴奋和动机；引导学生对学习过程进行深度反思性写作，以上均能最大限度地丰富学生经历而产生意义。

2 教学设计与实施

2.1 教学目标

具体而言，课程通过基于项目的科学实践探究过程（建模-分析-设计-研究）将有意义学习目标［9］与工程教育“知识、技能和素养‘三位一体’”的人才培养目标紧密结合［10］。在课程结束后，学生能达成如下目标：

（1）基础知识目标（建模—分析）。能描述和表达实际电力电子电路系统的数学模型，如开关模型的线性化、电压数字反馈、调制器模型等，并能验证模型的有效性。

（2）学以致用目标（分析—设计）。能运用软件工具设计控制指标和频域闭环控制器，能运用仿真工具证明并思考设计的合理性、有效性和实践意义。

（3）触类旁通目标（设计—研究）。能结合不同项目的要求，联系和整合出一套完整的电力电子电路开发流程，能综合运用信号与系统、检测与控制方面的理论知识解决实际生活工程问题。

（4）人性维度目标。在团队合作中能根据个人所长进行分工合作、管理和协调资源，反思自己和他人学习的进步，如系统知识的梳理、焊接技术、软硬件调试技能以及工程沟通能力等。

（5）人文关爱目标。对高频开关电源模块化、高效化、数字化、绿色化［11］等产生认知和兴趣，促进个人定位和职业规划发展。

（6）学会学习。建立电力电子学实践探究认知框架，总结方法技巧，成为自主学习者；明确该不该做、可不可做、值不值做、以及会不会做［9］。

2.2 教学结构

基于项目驱动式的电力电子实验教学课程，采用如图2 所示的课程教学结构，含课前准备、课中实践、课后反思3 个阶段，并融入了工程项目开发全周期的构思、设计、实施、运作（Conceive，Design，Implement，Operate，CDIO）［12］工程教育理念。

图2 基于项目驱动式的电力电子实验教学结构

（1）课前（构思—设计）。课程组教师构思课程和项目并研究项目可行性，然后设计并发放问卷，通过问卷，一方面可以了解学情；另一方面可以有针对性地遴选出一批优秀的学生作为课程助教。老师和助教共同开发样机、搭建脚手架、整合课程资源（如配备材料、撰写项目开发文档、编写实验指导书）并引导学生预习。

（2）课中（设计—实施—运作）。教师介绍课程导言，明确课程目标和评价标准，并分解项目任务和进行重难点讲解；学生以小组合作模式自主设计、探究实施进程、展示并进行多任务多进程循环运作；教师和学生助教进行有效及时的答疑和反馈。

（3）课后（反思—再设计—再构思）。学生提交课程报告，包括电路设计和参数选型、模型建构和闭环控制、模块测试和系统调试、问题假设与解决、团队合作与分工、个人深度反思与总结（倘若重新再做一次，该如何避坑、如何提升）等；教师做出课程评价，分析教学目标达成度，并对课程和项目进行再构思再设计，完成迭代。

2.3 任务分解与课堂教学

信号与控制综合实验课程为40 学时，共10 节课，前8 节课为直流电源系统，后2 节课为交流电源系统探究。本文以实验项目“电动汽车车载电源系统综合设计实验”为例，对任务分解情况进行介绍。该电源系统采用DC-DC 移相全桥电路拓扑，电路结构如图3所示。

图3 “电动汽车车载电源系统”电路原理示意

该电源系统可分解为主电路设计选型、辅助电路焊接调试、系统搭建、开环调试、建模、闭环控制调试、项目指标测试、项目验收答辩8 个任务环节。根据项目实施进程，课程除设置基本任务外，还设置了进阶和高阶任务，以满足不同学生的学习需求。具体任务信息如表1 所示。

表1 电动汽车车载电源系统项目任务一览表

（1）基本任务。要求学生完成率100%，为保证学生都能达到基本任务，课程组从3 方面教学引导。①整理丰富的项目参考资料和文献、制作环节的微视频等，作为课前预习、课后自主学习的线上资源，同时将重要文献和资料装订成册以便课堂随时查阅；②引导学生制作项目进度自查表和团队画布，帮助学生自主规划项目进度和节点；③在关键节点予以检查、验收、提出建议等，以敦促学生把控进度，不掉队、不摆烂。

在整个基本任务实施期间，教师的教学原则是：不教授具体操作步骤，全局引导和把控，允许学生在恰当范围内设计的多样性，给予学生充分的试错空间，引导学生发现和解决问题并设计优化。为保证学生能够顺利地完成基本任务，在重点环节给予适当的引导和提醒。比如，在设计参数时，引导学生重点考虑占空比丢失［2］对开关频率、高频变压器匝比、谐振电感的影响；在设计绕制谐振电感和变压器时，引导学生查阅文献［13］获取磁芯验算原则并自主设计；在模型仿真时，引导学生根据文献［14］所述软件特点和适用性结合自己经验或偏好来选择软件工具；而焊接环节时，提醒学生重视虚焊或短接带来电路调试的一系列问题。整个教学过程中，学生通过不断发现问题、解决问题将对电路原理和测试技巧有更深入地领悟，收获有意义的学习经历。

（2）进阶和高阶任务。课程组提供详实的资料和平台，鼓励学有余力的学生自主探究，遇到疑难问题可同老师助教一起探讨，实现“分层教学［15］”。

2.4 考核与评估

教学评价基于真实任务的过程监督、项目验收、答辩以及总结报告等考核点，分别对实验设计、实验研究、书面表达、团队合作以及个人反思学习评分，并与前文学习目标对应，具体详见表2。

表2 信号分析处理综合实验课程考核评分表

表2 中，考核点“项目验收”评分与前文表1 的“验收分数”一栏保持一致，占课程总成绩50%；“答辩及报告”占比40%，个人深度反思性对话占比10%。根据表2 中的“评价描述”进行等级评定。

3 教学效果

3.1 学生作品

利用实验室的测试平台，学生完成了“电动汽车车载电源系统”测试及关键波形记录，如图4 所示，以及实测性能指标如：电压调整率、负载调整率、效率、纹波系数等指标［2］结果如表3 所示。

表3 车载电源实测性能指标

图4 电动汽车车载电源测试系统及关键波形

与表1 任务相比，实测各项指标均满足基本要求，说明学生闭环参数调节设计合理，但高阶任务如效率还有待提升，可以考虑通过提高开关频率、增大绕线电感截面等方面来降低损耗，提升效率。

3.2 学生评价与效果

在整理学生对课程深度反思性对话时，出现频次最多的3 个关键词是：任务目标清晰、体验不错、助教给力。为了检验项目驱动教学模式在电力电子实验教学的实际效果，课程结束后，以问卷形式收集了学生对课程的评价，结果如表4 所示。

表4 课后问卷调查占比

问卷调查结果显示：85%及以上的同学明确课程教学目标、赞同教学形式、能完成进阶任务、对考核评价办法满意、且觉得收获很大，不过也仍有极少数同学持不赞同、不在乎的态度。在今后的教学过程中，课程组将进一步关注学生探究过程中出现的淡漠者，引导他们能更好参与到教学活动中来。

结合学校关于学生实验课堂评教［16］的结果来看，学生对该课程老师的评教满意度评分均高于全校平均水平，如面对问题“你是否愿意将该老师的这门课推荐给其他同学来上吗？”，所有同学都给了肯定的答案。

4 结语

本文将项目驱动式教学应用于电力电子实验课程，从6 类有意义的教学目标出发，设置了基于“构思—设计—实施—运作—反思—再设计—再构思”的教学结构。以项目“电动汽车车载电源系统”为例，介绍了课堂任务与分解、教学设计与引导以及考核与评价。该模式的实施得到了好的教学效果，学生通过“做中学，学中做”，塑造了解决复杂工程问题的工程师思维。该模式能够有效支撑新工科背景下以学生为中心的实践教育理念，还可进一步推广到其他工科专业实践类课程。