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面向工程教育专业认证背景下的《电力电子技术》课程教学模式改革与思考

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   摘  要:在工程教育专业认证背景下,以哈尔滨理工大学电气与电子工程学院本科的专业基础课《电力电子技术》为例,分析了教学及实践中存在的主要问题,提出了面向工程教育专业认证背景下的《电力电子技术》课程改革目标和主要措施,更好的启发学生思维,激发学生学习兴趣,提高应用能力。这些措施对培养高素质、创新型人才起到了教学改善。
  关键词:工程教育;电力电子技术;专业认证;教学模式改革
  中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2019)12-0135-03
   Abstract: In the background of engineering education professional certification, we take "Power Electronics Technology" as an example. The main problems in teaching and practice are analyzed. This paper puts forward the goal and main measures of the curriculum reform of the course under the background of engineering education professional certification to inspire thinking, stimulate interests, improve application capabilities of the students. These measures are beneficial to the cultivation of high quality and the innovative talents.
  Keywords: Engineering education; power electronics technology; professional certification; teaching model reform
   2016年6月,我国成为《华盛顿协议》第18个正式签约成员,这是我国教育业正式启动工程教育专业认证的重要里程碑[1]。工程教育专业认证的三个核心理念是:成果导向、以学生为中心、持续改进[2]。如何合理有效的开展专业建设与教学改革,保障和提高人才培养质量,引导和促进学科专业建设,是工程教育专业认证的主要目标和考核指标。在部分高校, 工程教育专业认证成为本科教质量的一种体现[3,4]。哈尔滨理工大学是在黑龙江省高等教育强省建设规划中被确定为重点建设的十所高水平大学之一,是黑龙江省人民政府与国家国防科技工业局共建高校,2018年入选黑龙江省国内“双一流”大学建设高校。电力电子技术课程的知识容量多,层次跨度很大,课程中的理论抽象,且课程研究对象的应用具有很高的实用性和创新性。因此, 本门课程教学改革和实践的研究重点应该着重在高效、合理、正确地适应我国工程教育专业认证目标点上,同时着重提高大学生的实践能力、创新能力和学习能力[5]。
  一、《电力电子技术》课程教学现状及存在的主要问题
  (一)教学方法单一、听课效果差
  电力电子技术课程需要电路、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理等前期课程为基础,课程新概念多、涉及知识面广,教学内容中还包含大量的公式推导,波形分析等,造成了教师的教学难度大,学生掌握效果差的状况[6]。学生在听课的时候疲于记笔记,并以考试成绩为目标,参与交流、讨论的机会较少, 抑制了其自主学习能力的培养。教师授课时也均以完成教学内容为目标,重点不够突出,教学环节较单一。这种教学方法体现不出以学生为中心的工程教育专业认证的教学指导思想。尤其是对于基础薄弱的学生更难以跟上教学节奏, 课堂也成为了“填鸭式”的灌输知识、复制知识的过程,使其失去对该门课程的学习兴趣。因此教学方法的改革势在必行。
  (二)教材内容老化,与实际脱节严重
  目前电力电子技术课程的教材内容主要以电力电子器件介绍、电能变流技术、PWM技术和软开关控制技术为学习主线。晶闸管技术是目前电力电子器件章节中的重点,而现在以IGBT和MOSFET等为代表的全控型器件也均介绍了简单的原理知识[7],对于目前主流的电力电子变频技术、开关电源技术、电力电子器件应用及仿真技术涉及很少。另外,课程中对于变流电路和功率集成电路的知识点涉及较少[8],当前的教材内容无法反映电力电子行业最新的学术动态、新成就、新经验、新问题,甚至教材中还存在着少数错误。这对学生更好的理解教学内容, 提高实践能力造成了困扰。以成果为导向的教辅材料改革势在必行。
  (三)实验及实践环节薄弱,教学内容过少
  电力电子技术课中的实践环节是学习本门课程知识的重要环节,是理论联系实际,消化理解教学知识的重要手段,也是对课堂教学的一种补充。当前,电力电子技术课程的实验及实践教学环节投入不足。实验设备陈旧,设备数量不足,只能5名同学一个小组,共同操作一台实验设备,没有起到实践教学的目的,更談不上活学活用和充分消化理解书本知识。由于电力电子技术常用于大功率场合,考虑到安全性的因素,在实验和实践的过程中往往让学生原理高、强电压信号,多以验证性实验和演示性实验为主,由老师操作,学生自行观察记录和学习,自主进行设计、实验、调试电路的机会不多。实践环节缺少理论与实际相结合的实用性训练,在掌握书本知识的基础上,实际动手设计和应用电力电子技术、理解工程应用概念等方面的教学环节非常欠缺。因此, 学生操作能力、创新能力得不到锻炼,更谈不上高度调动学生的学习积极性。教学中的实验和实训环节亟待改革与创新。
  二、电力电子技术的课程改革目标
  立足于工程教育专业认证的成果导向、以学生为中心、持续改进的基本理念, 应该推动电力电子技术专业基础课的主要教学内容,并开展教学方式和教学模式的创新改革,同时,通过教学内容和课程体系的不断优化和改进,突出教育工程认证对人才培养目标和培养要求[9]。通过对教学方式和学生学习方式的转变,重点强调课堂上的理论知识和技能的培养为辅,培养主动积极地学习态度和培养解决实际工程问题的能力为主,加强实训环节,增加理论与实际相结合的实用性训练的教学环节。通过实训教学环节,让学生们获取知识从被动到主动,深刻理解到“学而不思则罔,思而不学则殆”,形成正确的学习价值观,从而提高教学质量及学习兴趣[10],与工程教育认证的目标相吻合。   三、电力电子技术的课程改革主要措施
  (一)教学思路改革
  在工程教育专业认证的背景下,要深化开展教学思路的改革,本着以学生为中心的指导思想,从教学手段、教学观念、信息化教学平台等几方面做起。
  正确的处理和理解好教师和学生之间在教学中的主次关系。传统的教学理念都是以教师为中心,采用“灌输”的方式,学生被动地处于接收知识的地位。以学生为中心,就要将教学过程中学生作为主体,教师起到引导作用。教师将书本的知识加以归纳和筛选,重点讲主要内容,培养学生学习电力电子技术的能力,而不是关注于某一个知识点,让学生积极主动的参与到教学中来,并得到创造性、理解性的学习知识途径。
  同时,教师要正确理解传授知识和培养能力的关系,平衡知识和动手能力的权重,要让学生明白书本上的重点知识是基础,掌握了基本知识和基本理论,才获具有深入学习的能力,实践的手段是强化和加深理解书本知识的一种手段,也是理论联系实际和步入社会后综合素养的基础。
  鼓励并带领学生们参加电力电子设计竞赛、大学生电子设计大赛、大学生创新创业项目等,为学生打造好科研创新平台建设,真正给学生一个能动手、能发挥、能创新的科研实践平台,让书本上所学的理论知识得到充分理解和吸收,在毕业时能够达成个人理想造福社会。这样的成果导向才是工程教育认证的理想目标。
  (二)教学内容改革
  我们培养的学生是要直接面向社会的, 教育要和时代接轨, 从教室的角度来说,自然也要不断深造,与时俱进。高校教师要从自身做起, 不断学习, 通过开展科研项目、深入开展科研研究、撰写科研论文、开展企业调研、学术交流等途径不断更新知识储备。并将这些理念、知识、理解在授课的过程中传输给学生,让学生们最快速的获取知识和吸收理解知识。工程教育认证的教学内容应以教学大纲为基础,并以教材为参考,以任课教师为主体来制定,并且在教学的过程中,结合学生的实际情况不断改进。
  信息化时代的飞速发展导致大学生课程科目、数量和内容急剧增加。但是课时数有限,要想把大量的课程知识均传送给学生,必须认真规划改进教学内容,改进教学大纲,改进课程体系。任课教师的教案内容的难易程度应该适中,力求锻炼学生们的学习能力。比如,在讲解PWM控制技术中的单极性和双极性调制法时可以引入电动汽车电机控制器或者雷达天线控制的案例,再对比相控整流和不可控整流电路,讨论如何有效减少无功和谐波对电网的污染等实际工程问题。要避免学生在上课的时候一味地被“灌输”知识,老师说什么笔记上就记录什么,要调动学生的学习积极性,从教学课堂上的客人变成主人。比如说,采用小组间讨论或辩论,设定小团队协作的小课题等等方法,教师尽可能的扮演组织者,让学生们独立思考问题、陈述观点。教师可以采用PPT和板书相结合的教学方法,弥补单独使用板书或者多媒体带来的不足之处,还能吸引学生们的学习积极性,提高授课质量和教学效果。
  (三)实验及实践环节改革
  实践环节是电力电子技术课中的重要环节,针对当前电力电子技术实验实践课的现状,提出了几种改革办法:
  1. 设计换位式实验教学方法
  采用换位式实验教学方法,在课下针对特别感兴趣的同学进行重点培训。让这些入手快基础牢的同学现行学习和操作,等到上实验课的时候,就可以由任课教师做总指导、这几位同学做辅助指导的方式开展实验教学的方法。这样在锻炼学生的语言表达能力的同时又培养了独立思考、主动学习主动探索知识的目的,调动学习积极性的同时又提高了实验教学的质量。
  2. 增加电力电子技术实训教学环节
  从工程应用的角度出发,结合教学大纲,开展理论与实际相结合的实用性训练教学环节。首先,由任课老师拟定几个电力电子工程训练实际工程项目,每4-5人组成一个小组,并任命一名组长。每个小组选定一个实训题目,开展为期两周时间的电力电子实训环节。实训内容涉及电力电子器件、变流技术、PWM控制技术等电力电子技术典型应用,例如:PWM直流电机调速系统设计、直流降压斩波电路设计、智能风扇温度控制系统设计等。学生在两周内开展电路设计与仿真、线路板绘制与焊接调试,单片机C语言编写等工作来完成所选课题的要求。在实训结束时采取答辩的形式例如硬件演示、仿真演示、软件程序讲解等进行实训环节考核。
  3. 设计信息化多媒体教学方法
  使用Protel、Proteus、Matlab-Simulink等电路仿真软件,通过在仿真系统上开展简单的电路模型设计,然后调整器件及信号的输入与输出参数。这些工作作为开展实际硬件电路的先验条件。例如在直流斩波电路的主电路中,计算好电容、电感、Mosfet和负载的参数之后,利用Proteus仿真软件进行波形仿真,根据输入与输出参数和波形改善元器件参数和控制信号。这种改革方式有助于学习理解书本知识,还能减少因设计考虑不周带来的器件损坏、人为操作故障等现象的发生。
  4. 开展线下课堂和线上网课教学改革
  电力电子技术课程新概念很多、涉及知识广,教学内容中还包含大量的公式推导,波形分析等,往往很多学生仅仅在课堂(线下)上无法完全消化理解,等课后复习时又忘记了老师是如何讲的。鉴于此,电力电子教研组录制了每节课的线上视频,上传到学校专用网站中。学生们可以通过个人账户和授权密码在网络上再次收看(线上)。这种通过线下和线上的O2O教学改革方法有助于同学们深入理解课堂重点内容和电力电子的各个知识点。在某种程度上来说,也减轻了老师为同学们答疑时的大量重复性工作量。
  通过对近两届本科生电力电子技术的教学改革,获得了很不错的教学效果。从课程达成度指标角度来说,未开展教学改革的2015级、2016级本科生电力电子技术课程达成度为0.738、0.722,而开展了教学改革的2017级和2018级的达成度提高到了0.792、0.809。此外学生的学习积极性更高、学习兴趣更浓厚,参加大学生电子设计大赛、电力电子设计竞赛、大创竞赛等各种科研项目的人数显著增多。说明工程教育专业认证背景下《电力电子技术》课程的教学模式改革取得了显著成果。
  四、结束语
  通过在工程教育专业认证背景下的《电力电子技术》课程教学模式改革,促进教师对本门课程的教学理念,提高本门课的教学质量和教学效果,更好的启发学生思维,激发学生学习兴趣,将“成果为导向、学生为中心、持续改进”的教学理念深入到教学和实践中去。始终秉着工程教育专业认证的核心理念,以电力电子技术课程的考核成果和教学目标为导向,教学方法和手段都以学生为中心,注重培養创新精神、工作能力和学习能力,并根据实际需求不断改进,使电力电子技术课程教学改革沿着正确的方向不断向前推进。
  参考文献:
  [1]郭攀锋,粟世玮,赵胜会.工程教育专业认证背景下电子技术基础课程教学改革[J].新课程研究(中旬刊),2017(10):93-95.
  [2]秦怀宇,陈欢.工程教育认证背景下数字电子技术教学模式改革[J].电子测试,2013(18):210-211.
  [3]吴昌东,陈永强,江桦.基于工程教育专业认证的电子技术实验教学改革实践[J].实验技术与管理,2018,35(02):169-173.
  [4]吴丽珍,杨新华,李晓英.以工程教育认证为导向的电子技术基础课程教学改革与实践[J].教育教学论坛,2018(08):170-171.
  [5]王倩.基于IEET工程认证的《电力电子技术》教学改革的研究与探索[J].科技资讯,2016,14(12):91-92.
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  [8]王春凤,李旭春,薛文轩.电力电子技术实验教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索,2011,30(9):127-129.
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