基于OBE的“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革

李曉英， 王興貴， 楊維滿

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

0　引言

不同于課程導(dǎo)向教育CBE(Course-based Educatio)，成果導(dǎo)向教育OBE(Outcome-Based Education)作為一種“以學(xué)生發(fā)展為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教育理念，把焦點放在學(xué)生“學(xué)到了什么”，而不是學(xué)校、教師“教了什么”，這一理念在許多國家高等教育工程專業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，且已貫穿于工程教育認證標準的始終。

OBE教學(xué)理念，是以“學(xué)”為導(dǎo)向、教學(xué)相長的全新教學(xué)模式，是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實施和評價教育的結(jié)構(gòu)模式。強調(diào)教學(xué)的目的是要著力培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的獨立性、主動性和創(chuàng)造性，在教學(xué)過程中充分發(fā)掘?qū)W生的個人價值與潛力，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對未來、適應(yīng)未來的能力。

“電力電子技術(shù)”課程是我國高等學(xué)校自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程使學(xué)生熟悉各種電力電子器件的特性和使用方法；掌握電力電子基本電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計計算方法及實驗技能；熟悉各種電力電子裝置的應(yīng)用范圍及技術(shù)經(jīng)濟指標。

該課程具有很強的理論性和工程實踐性，在以往的課程導(dǎo)向教育模式下，很難在工程教育專業(yè)認證背景下，更好地適應(yīng)國家及經(jīng)濟社會發(fā)展需要以及應(yīng)對經(jīng)濟全球化的挑戰(zhàn)，所以該課程教學(xué)模式與教學(xué)方法的改革勢在必行。

本文結(jié)合工科類院校電氣、自動化專業(yè)培養(yǎng)目標的要求，針對學(xué)生的特點，提出了基于OBE的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革方案，從教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)評價等角度進行變革與優(yōu)化，為工程教育專業(yè)認證背景下的該課程改革提供一個新思路。

1　課程教學(xué)目標設(shè)定

根據(jù)OBE教學(xué)理念，教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果。在OBE理念指導(dǎo)下，遵循美國著名心理學(xué)家、教育家布盧姆的目標分類理論，從知識、能力、情感態(tài)度等三個方面對“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)目標進行設(shè)定[2]。

1.1　知識目標

電力電子學(xué)是一個異?；钴S的學(xué)科，新器件、新技術(shù)、新電路拓撲不斷涌現(xiàn)，新的應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)擴展；與此同時，“電力電子技術(shù)”課程作為一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，強調(diào)基本理論、基本技能與基本分析方法的培養(yǎng)。因此，我們必須突破以前為單一的知識需求而設(shè)置的課程體系，轉(zhuǎn)而構(gòu)建以學(xué)生的職業(yè)需求為導(dǎo)向、以創(chuàng)新和實踐能力為主線的知識體系。

通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)達到如下知識目標：

熟悉并掌握晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)、電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)和絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)等電力電子器件的工作原理、開關(guān)特性和電氣參數(shù)；熟悉并掌握單相、三相整流電路和有源逆變電路的基本原理、波形分析以及各種性質(zhì)的負載對電路工作性能的影響；掌握直流斬波電路的工作原理、電路結(jié)構(gòu)、換相方法及參數(shù)計算；掌握交流調(diào)壓電路的電路結(jié)構(gòu)、換相方法、波形分析和參數(shù)計算，了解交-交變頻電路的基本原理；掌握逆變電路，特別是PWM型逆變電路的工作原理、控制方法、波形分析；了解軟開關(guān)技術(shù)的基本概念；了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展方向[3]。

應(yīng)用OBE教學(xué)理念，學(xué)生必須摒棄機械地、被動地接受知識，孤立地存儲信息的淺層學(xué)習(xí)方式，而采用更有助于學(xué)習(xí)者理解、保持和應(yīng)用所學(xué)教學(xué)設(shè)計知識的深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)“基本技術(shù)知識——核心工程基礎(chǔ)知識——高級工程知識”逐層遞進。

1.2　能力目標

成果導(dǎo)向教育的最終落腳點在于能力的養(yǎng)成，強調(diào)以能力作為課程的基礎(chǔ)，而非學(xué)術(shù)知識體系，視學(xué)生的具體情況來組織教學(xué)活動、安排教學(xué)活動，聚焦學(xué)生未來學(xué)習(xí)成果，利用核心能力實現(xiàn)課程有效實施。

布盧姆將認知過程分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造6個層次。傳統(tǒng)課堂的目標是培養(yǎng)前三個低層次的能力，而OBE提倡的則是學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、問題求解能力、團隊協(xié)作能力和批判性思維能力。

將OBE能力培養(yǎng)目標落實到“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生電力電子系統(tǒng)分析與調(diào)試能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力綜合查閱文獻的能力，培養(yǎng)學(xué)生電力電子器件和基本變流電路的應(yīng)用能力。

1.3　情感、態(tài)度與職業(yè)素養(yǎng)目標

不同于傳統(tǒng)的課程導(dǎo)向教育，成果導(dǎo)向教育的最終目的是實現(xiàn)人的全面發(fā)展，促進人與社會的和諧統(tǒng)一。因而，課程的教學(xué)目標不僅包括認知與能力目標，更重要的是實現(xiàn)情感、態(tài)度與職業(yè)素養(yǎng)目標。

教師必須以職業(yè)需求為導(dǎo)向，以創(chuàng)新和實踐能力為主線，構(gòu)建學(xué)生的知識能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，注重工程素養(yǎng)的發(fā)展與自我價值的實現(xiàn)。

我們要善于結(jié)合“電力電子技術(shù)”課程的內(nèi)容體系，挖掘該課程鮮明的時代氣息，展示航空特種電源、綠色照明、高速列車等應(yīng)用領(lǐng)域中與電力電子相關(guān)的最新關(guān)鍵技術(shù)，讓學(xué)生感受到電力電子就在他們身邊，從而對本學(xué)科產(chǎn)生濃厚的興趣。

通過設(shè)置課程綜合實驗、課程設(shè)計、微工程項目等多種多樣的實踐環(huán)節(jié)，逐步訓(xùn)練學(xué)生解決開放式問題所必須的嚴謹、全面、創(chuàng)新、發(fā)展的工程素質(zhì)[4]。

2　教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建與優(yōu)化

OBE教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建與組織、教學(xué)案例的設(shè)計、課程資源的開發(fā)等都要圍繞著學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出來進行。

根據(jù)前述的知識、能力、態(tài)度等教學(xué)目標，將“電力電子技術(shù)”的課程內(nèi)容從理論教學(xué)、實踐教學(xué)、工程應(yīng)用三個層次進行梳理與組織，并相應(yīng)地劃分為三個獨立模塊：理論教學(xué)模塊、實踐教學(xué)模塊與工程應(yīng)用模塊。

2.1　理論教學(xué)模塊

理論教學(xué)模塊中涵蓋的知識主要還是通過課堂講授的方式傳遞給學(xué)生。為了避免“滿堂灌”，需要對教學(xué)內(nèi)容進行篩選與重組。打破教材章節(jié)的限制，從構(gòu)成“電力電子技術(shù)”的三大基本框架入手，重新組織理論教學(xué)模塊的內(nèi)容，如圖1所示。

圖1　理論教學(xué)模塊的構(gòu)建

整個課程內(nèi)容歸納總結(jié)為電力電子器件、電力電子變換電路與控制技術(shù)三個基本組成部分。其中，電力電子器件是基礎(chǔ)，電力電子變換電路是主體，控制技術(shù)是實現(xiàn)手段。

在理論教學(xué)模塊的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生將零散的知識點組織成一張有機的知識網(wǎng)絡(luò)圖，不僅利于學(xué)生把握電力電子技術(shù)的知識脈絡(luò)，也使得各部分內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系變得清晰明了。

2.2　實踐教學(xué)模塊

實踐教學(xué)模塊是在理論教學(xué)模塊完成的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，目的是讓學(xué)生通過該模塊基礎(chǔ)實驗、計算機仿真、綜合課程設(shè)計等環(huán)節(jié)理解、消化、應(yīng)用理論知識。具體內(nèi)容如圖2所示。

對于基礎(chǔ)實驗環(huán)節(jié)，其設(shè)置的目的主要是幫助學(xué)生鞏固、加深對基本原理、公式以及變換電路關(guān)鍵波形的理解；此外，培養(yǎng)學(xué)生從事工程實驗的基本素質(zhì)。與OBE的教學(xué)目標相呼應(yīng)，增加了設(shè)計性實驗的比重，鼓勵學(xué)生根據(jù)功能與性能指標自行設(shè)計實驗方案，并最終制作實際硬件電路。

設(shè)置計算機仿真實驗的目的是訓(xùn)練學(xué)生對仿真軟件的熟練應(yīng)用，通過仿真實驗進一步深入理解變換電路的控制技術(shù)及其實現(xiàn)方法。

圖2　實踐教學(xué)模塊的構(gòu)建

課程設(shè)計是實現(xiàn)OBE教育目標必不可少的實踐環(huán)節(jié)，通過一個工程系統(tǒng)的完整設(shè)計過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用該課程以及相關(guān)基礎(chǔ)課程知識的能力，建立工程設(shè)計思想，養(yǎng)成團隊協(xié)作精神[5]。

2.3　工程應(yīng)用模塊

電力電子技術(shù)在電能的產(chǎn)生、傳輸、存儲、變換、控制的各個環(huán)節(jié)都有很多典型應(yīng)用，而這些領(lǐng)域往往是我們電氣專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)去向。

學(xué)生有必要了解工程領(lǐng)域中利用電力電子技術(shù)實現(xiàn)電能變換、控制的思路與方法。因此，在理論教學(xué)與實踐教學(xué)模塊完成之后，增加工程應(yīng)用模塊，如圖3所示。

圖3　工程應(yīng)用模塊的構(gòu)建

工程應(yīng)用模塊以工程科學(xué)概念和原理為基礎(chǔ)，以面向?qū)嶋H工程技術(shù)問題或難題為驅(qū)動點，通過“建立假說-實驗設(shè)計-數(shù)據(jù)分析-驗證結(jié)論”等步驟來完成從項目構(gòu)思、項目設(shè)計、項目制造到項目完成整個過程。通常與學(xué)校開展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽結(jié)合起來，鼓勵學(xué)生根據(jù)實際需求自選課題，3到4名同學(xué)組成一個實踐小組，分工配合，完成從方案設(shè)計、仿真驗證、電路設(shè)計、電路板制作直到系統(tǒng)調(diào)試的全過程。

設(shè)置工程應(yīng)用模塊旨在訓(xùn)練學(xué)生不僅要用其學(xué)到的知識從事現(xiàn)階段的工程應(yīng)用工作，而且隨著工程技術(shù)的發(fā)展，有能力在盡可能短的時間內(nèi)學(xué)到新的知識，掌握新的工程技巧，甚至直接成為推動工程技術(shù)發(fā)展的主體。

3　教學(xué)模式與教學(xué)方法的改進

傳統(tǒng)的CBE教育以教師為中心開展教學(xué)活動，而OBE則主張以學(xué)生為中心。如何從“以教師為中心”過渡到“以學(xué)生為中心”，關(guān)鍵在于教學(xué)模式與教學(xué)方法的改革。

(1)課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢互補?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程內(nèi)容的特點之一就是電路拓撲多。針對每一類變換電路，在有限的課堂學(xué)時內(nèi)僅對最基本、最典型的電路拓撲進行深入細致講解，其余拓撲的工作原理、波形分析、定量計算等均發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上，學(xué)生自學(xué)并完成網(wǎng)上測驗。根據(jù)測驗結(jié)果，教師可以對學(xué)習(xí)中遇到困難的學(xué)生進行針對性的幫助與指導(dǎo)，做到個性化施教。

(2)通過基于問題的探究式學(xué)習(xí)、基于案例的討論式學(xué)習(xí)和基于項目的參與式學(xué)習(xí)等多種教學(xué)方法，形成師生互動與同學(xué)合作，將學(xué)習(xí)知識與研究問題相結(jié)合，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。

(3)硬件實驗與仿真實驗相得益彰。在實踐教學(xué)與項目應(yīng)用教學(xué)中，采用理論仿真和硬件實驗相結(jié)合的模式給學(xué)生提供積極探索和實踐的空間，以解決實踐教學(xué)和理論教學(xué)相脫節(jié)的問題，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的工程實踐能力。

4　學(xué)習(xí)效果考核與評價機制

學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)研究與改革成功與否的關(guān)鍵，因此建立合理、有效的考核與評價機制，對于及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果，促進教學(xué)的改進與提高具有積極的作用。

在考核與評價機制的教學(xué)改革中，要逐步摒棄以往注重結(jié)果、形式單一的考核評價機制，代之以注重過程、多角度、開放式的OBE評價機制，通過全面考評及時掌握學(xué)生在該課程層面的知識能力水平，形成信息反饋表，指出學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的優(yōu)勢與不足，幫助學(xué)生查漏補缺、持續(xù)改進。

教師在制定“電力電子技術(shù)”課程考核與評價辦法時需要遵照以下三個基本原則：

(1)個性化評價。制定評定等級應(yīng)當(dāng)考慮學(xué)生的個體差異，側(cè)重于每個學(xué)生自身取得的進步，而不是用一把尺子衡量所有學(xué)生。注重自我比較，而不追求學(xué)生之間的比較，評價結(jié)果強調(diào)是否已經(jīng)達到了自我參照標準。

(2)過程化評價。實時進行評定，從而準確掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，對教學(xué)活動以及進度進行及時修正。評價結(jié)果及時反饋給學(xué)生，做好充分的溝通，讓學(xué)生明確在該課程的學(xué)習(xí)中哪里出了問題，以便改善學(xué)習(xí)效果。

(3)協(xié)作化評價。豐富考核與評價形式，增加需要團隊協(xié)作的教學(xué)活動以及相應(yīng)的考核與評價，如小組報告、討論、實驗項目等。根據(jù)學(xué)生在協(xié)作活動中的表現(xiàn)給出評價，對學(xué)生實際“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”進行形成性評估與總結(jié)性評估。

5　結(jié)語

本文結(jié)合高校工程教育專業(yè)認證的要求，從課程層面上闡述了成果導(dǎo)向教育教學(xué)理念的實施與應(yīng)用。通過“電力電子技術(shù)”課程在教學(xué)目標、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)評價等方面的探索性改革，期望幫助學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)階段，積累知識、培養(yǎng)能力、訓(xùn)練工程素養(yǎng)，同時獲得學(xué)業(yè)上的成就感。

參考文獻:

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