“雙師型”職教師資電力電子技術(shù)課程教學(xué)模式改革研究

曾凡琳 李吉功 李黎霞

[1]天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 天津 300000；[2]天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300000；[3]廣西南寧技師學(xué)院機(jī)電工程系 廣西·南寧 530000）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，我國科技在世界上的影響力越來越大。大國科技與經(jīng)濟(jì)的崛起，中國智能制造的飛速發(fā)展對自動化專業(yè)職教師資的培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。培養(yǎng)優(yōu)秀的自動化專業(yè)“雙師型”職教師資人才，助力國家大力發(fā)展職業(yè)教育，推動職業(yè)教育發(fā)展，是培養(yǎng)更多建設(shè)祖國的合格技術(shù)人才的關(guān)鍵，支撐中國制造，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。

“電力電子技術(shù)”是一門對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，是自動化專業(yè)一門專業(yè)核心課程。使得學(xué)生們掌握電力電子器件、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電能轉(zhuǎn)換控制方法以及電力電子技術(shù)在電力傳動、電源裝備、電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電中的應(yīng)用基礎(chǔ)知識等。作為主要解決電能轉(zhuǎn)化問題的技術(shù)課程，為適應(yīng)新時代要求，相關(guān)研究學(xué)者進(jìn)行了多種課程改革探索。王翠等人提出，電力電子技術(shù)課程的教學(xué)觀念以及人才培養(yǎng)目標(biāo)定位要隨著時代發(fā)展進(jìn)行轉(zhuǎn)變。王長全等人從課程思政融入課堂的角度提出，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是改善本門課程教學(xué)質(zhì)量，對接社會需求的關(guān)鍵。而思政元素的引入也將大力加強(qiáng)學(xué)生自身政治素養(yǎng)和道德品質(zhì)的提升?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程中電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多、知識點(diǎn)呈現(xiàn)碎片化特點(diǎn)，課堂教學(xué)效果受到限制。本門課程具有實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，在照明、交通運(yùn)輸、工業(yè)制造、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，因此，在教學(xué)過程中提升學(xué)生們的動手能力和實(shí)踐技能也是課程改革的重要方向。

本文分析了“雙師型”職教師資人才培養(yǎng)過程中遇到的課堂教學(xué)痛點(diǎn)問題：課程的學(xué)習(xí)動機(jī)難以提高；碎片化的知識難以系統(tǒng)掌握，應(yīng)用靈活性低；學(xué)習(xí)開環(huán)難以實(shí)時反饋，電路動態(tài)工作過程難以建立形象的思維印象。以服務(wù)學(xué)生為中心，針對以上問題，提出了“情感導(dǎo)入—樹形知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建—參與式反饋”的教學(xué)模式。

1 課程“痛點(diǎn)”問題分析

1.1 課程的學(xué)習(xí)動機(jī)難以提高

自動化專業(yè)學(xué)習(xí)的課程以系統(tǒng)自動控制為主，學(xué)生對系統(tǒng)能源部分的理解較為欠缺。自動控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的能量來源多為電能，電能的形式和來源對于自動系統(tǒng)的搭建至關(guān)重要。電力電子技術(shù)即電能轉(zhuǎn)化技術(shù)，如何在教學(xué)過程中，讓課程內(nèi)容和其他自動化專業(yè)內(nèi)容建立聯(lián)系，而不是獨(dú)立的知識點(diǎn)，解決學(xué)生們學(xué)習(xí)過程中對電能的誤解與迷茫，是提高學(xué)習(xí)動機(jī)急需解決的問題。

同時，“雙師型”職教師資人才，步入教學(xué)崗位后，不僅會面臨理論知識的講授要求，更需要面臨動手能力強(qiáng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)授課需求。對于自動化系統(tǒng)的整體都要熟悉掌握，電能作為其重要組成部分，電能轉(zhuǎn)化單元電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)必不可少。如何從職業(yè)需求的角度入手，讓學(xué)生們認(rèn)識到學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要性是提高學(xué)習(xí)動力的關(guān)鍵。

1.2 碎片化的知識難以系統(tǒng)掌握，應(yīng)用靈活性低

課程將介紹10余種不同的電力電子器件，40余個電能轉(zhuǎn)化電路圖，每個電路中可調(diào)參數(shù)均在3個以上，結(jié)合連續(xù)的可調(diào)控制參數(shù)，能夠繪制的電能轉(zhuǎn)化結(jié)果圖數(shù)量就更多了。這些知識學(xué)生們往往以背誦的形式進(jìn)行掌握，在答疑時有學(xué)生反映，該課程需要背誦記憶的東西過多，難以建立聯(lián)系。沒有形成有效的知識體系，會增加課程學(xué)習(xí)難度，知識點(diǎn)掌握難度，也會給課程結(jié)束后知識的靈活應(yīng)用帶來障礙。

自動化專業(yè)學(xué)生在后續(xù)課程以及參加的課外競賽類活動中會遇到實(shí)作類項(xiàng)目“各類智能控制系統(tǒng)”開發(fā)的過程，在開發(fā)過程中如果無法與電力電子技術(shù)課程所學(xué)內(nèi)容建立聯(lián)系，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時將不敢對電能形式提出新要求，使得系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)時創(chuàng)新性受到制約，無法做到靈活用電。

1.3 學(xué)習(xí)開環(huán)難以實(shí)時反饋，電路動態(tài)工作過程難以建立形象的思維印象

電路中可調(diào)參數(shù)包括負(fù)載、電源、電力電子器件等，這些參數(shù)在調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)都是連續(xù)可調(diào)的，而課堂上只能選取幾個特殊的固定參數(shù)進(jìn)行講解。學(xué)生難以掌握規(guī)律，且對這些電路的具體工作過程，尤其是電路的動態(tài)調(diào)節(jié)過程，難以建立形象的思維印象。學(xué)習(xí)的過程中，很難實(shí)時獲取相關(guān)真實(shí)電路，并使用示波器隨時觀察電路動態(tài)工作過程，實(shí)驗(yàn)課真實(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中也不敢對感興趣的參數(shù)隨意更改。這就使得學(xué)生的學(xué)習(xí)過程很大一部分時間是出于開環(huán)無反饋狀態(tài)，只能靠死記硬背書本上的固定圖形，嘗試?yán)斫怆娐返膭討B(tài)工作過程，電路分析過程常常處于開環(huán)狀態(tài)，大大阻礙了學(xué)生們對電能轉(zhuǎn)化控制的深入理解，無法滿足學(xué)生復(fù)雜化、互動化的學(xué)習(xí)需求。

2 “情感導(dǎo)入—樹形知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建—參與式反饋”教學(xué)模式

2.1 以培養(yǎng)“一體化”職教師資為目標(biāo)，創(chuàng)新課程各章節(jié)導(dǎo)入模式

為了解決學(xué)生們課程學(xué)習(xí)動機(jī)不足的問題，對課程內(nèi)容的導(dǎo)入形式進(jìn)行創(chuàng)新。

首先是課程內(nèi)容導(dǎo)入的講解時間點(diǎn)改進(jìn)。除了在開學(xué)初的“緒論”中進(jìn)行課程意義的講解外，每章內(nèi)容都進(jìn)行課程意義為核心的導(dǎo)入講解，解決學(xué)生“為什么學(xué)習(xí)這門課”的疑問，提高學(xué)習(xí)動力。充分利用隨著課程內(nèi)容的進(jìn)行學(xué)生們逐步提高的課程意義理解能力，逐級深入講解電能轉(zhuǎn)化的研究意義，讓學(xué)習(xí)動力提高貫穿整個課程的學(xué)習(xí)過程，使得同學(xué)們掌握課程知識的同時，越來越愿意學(xué)習(xí)課程知識，越來越清楚該課程對后續(xù)課程學(xué)習(xí)以及職業(yè)發(fā)展的重要意義。

其次是課程內(nèi)容導(dǎo)入方式的創(chuàng)新。中國智能制造的飛速發(fā)展，大國的崛起，伴隨著越來越高的能源需求；各級各類的自動化裝置設(shè)備對電能的應(yīng)用提出了越來越高的要求；日益嚴(yán)重的能源與環(huán)境問題，促使電力電子技術(shù)課程改革創(chuàng)新。針對新形勢下的自動化職教師資需求，使得學(xué)生們將來步入工作崗位，培養(yǎng)能夠工作在一線的祖國建設(shè)者，針對教學(xué)大綱中規(guī)定的8個章節(jié)內(nèi)容，分別設(shè)計(jì)課程導(dǎo)入形式如表1所示。以行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及動態(tài)為切入點(diǎn)，導(dǎo)入用電需求。我國為能源大國、制造大國，講好課程知識中的中國貢獻(xiàn)，引入課程思政建設(shè)，培養(yǎng)愛國主義情懷，讓學(xué)生們懷著建設(shè)祖國的偉大理想，開啟電能轉(zhuǎn)化知識的學(xué)習(xí)之路。

表1：以章節(jié)為單位的課程內(nèi)容導(dǎo)入方案

2.2 以培養(yǎng)應(yīng)用型高級專門人才為目標(biāo)，創(chuàng)新知識體系構(gòu)建方法

為了解決碎片化的知識難以系統(tǒng)掌握，學(xué)生們不知如何應(yīng)用所學(xué)知識的問題，對課程知識體系的構(gòu)建方法進(jìn)行創(chuàng)新。

以行業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向，以易記憶理解的“樹形結(jié)構(gòu)”構(gòu)建課程知識體系，如圖1所示。讓學(xué)生建立完善而穩(wěn)固的電力電子相關(guān)知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)應(yīng)用創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生成為建設(shè)祖國的中堅(jiān)力量。樹形結(jié)構(gòu)的根結(jié)點(diǎn)為“電能變換與控制需求”，課程要求的知識點(diǎn)從該根節(jié)點(diǎn)衍生。從該根結(jié)點(diǎn)出發(fā)，衍生出四個一代子結(jié)點(diǎn)，分別為“直流電轉(zhuǎn)交流電”、“交流電轉(zhuǎn)直流電”、“直流電轉(zhuǎn)直流電”、“交流電轉(zhuǎn)交流電”四大類電能轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)。從一代子結(jié)點(diǎn)繼續(xù)衍生，發(fā)展連接課程知識點(diǎn)，形成四大類電能轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需的電力電子器件，為二代子節(jié)點(diǎn)。從二代子結(jié)點(diǎn)繼續(xù)衍生，生成具體電力電子技術(shù)電路作為三代子結(jié)點(diǎn)。根結(jié)點(diǎn)和各代子結(jié)點(diǎn)都有連接其他結(jié)點(diǎn)的路徑，形成從需求出發(fā)連接電路結(jié)構(gòu)、電子器件、具體電路等的知識邏輯路徑。碎片化的知識點(diǎn)，被整體的樹形結(jié)構(gòu)相連，形成了可以自由衍生分代理解的結(jié)構(gòu)，易于學(xué)生理解掌握。

圖1：樹形結(jié)構(gòu)構(gòu)建電力電子技術(shù)課程知識體系圖

2.3 結(jié)合“動手動腦，全面發(fā)展”的理念，創(chuàng)新電能應(yīng)用知識反饋

為了解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中反饋不及時不準(zhǔn)確的問題，幫助學(xué)生對電路動態(tài)工作過程建立形象的思維印象。在傳統(tǒng)課程中加入新科技元素，推廣使用自主研發(fā)的“電能轉(zhuǎn)化功能電路輔助設(shè)計(jì)分析仿真平臺”。該仿真平臺涵蓋了教學(xué)大綱要求的8個章節(jié)中10個教學(xué)難點(diǎn)和30個教學(xué)重點(diǎn)，連接電力電子實(shí)驗(yàn)裝置對應(yīng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以實(shí)時進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化電路仿真實(shí)驗(yàn)。

軟件平臺嵌入了同步教學(xué)內(nèi)容的示例電路以及默認(rèn)相關(guān)參數(shù)，以按鈕、復(fù)選框等形式作為主要操作入口，上手快，入門門檻低，學(xué)生們學(xué)習(xí)初期就可以順利使用。此外，開放自主設(shè)計(jì)平臺功能，隨著學(xué)生對課堂知識的掌握，可以自由更改電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、相關(guān)參數(shù)，適應(yīng)各個階段各個水平的學(xué)生進(jìn)行使用。同時采用實(shí)時多維仿真曲線展示的形式，對學(xué)生們的嘗試進(jìn)行實(shí)時反饋，并清晰描述電路動態(tài)工作過程。

借助仿真平臺和實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)以致用，讓課堂上學(xué)到的理論知識“活起來”，大幅提升了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的可控型、可觀性、靈活性。

3 總結(jié)

“情感導(dǎo)入—樹形知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建—參與式反饋”的教學(xué)模式，可以對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的真實(shí)問題進(jìn)行有針對性的改善，提升學(xué)生學(xué)習(xí)知識的獲得感。

樹形知識結(jié)構(gòu)體系的框架，適用于結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜、知識點(diǎn)多的工科類課程。根結(jié)點(diǎn)為相關(guān)課程技術(shù)需求，從需求出發(fā)，以問題為導(dǎo)向，一個問題的解決分出一個樹枝，配合融入了情感導(dǎo)入的問題引入，學(xué)生會印象深刻。進(jìn)一步，在這個樹枝上再衍生子問題，而課程內(nèi)容的知識點(diǎn)則分布在這些次級樹枝上。這種分支結(jié)構(gòu)會讓學(xué)生們學(xué)到的知識不零散，記憶形式也是以樹形的分支架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，減緩了課后的碎片化知識遺忘，更不會造成整個課程結(jié)構(gòu)不清楚的情況。

仿真平臺的使用帶來的參與式反饋，可以在電類專業(yè)學(xué)生范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，適用人群廣。自主研發(fā)的軟件仿真平臺經(jīng)過測試，初步服務(wù)于電類專業(yè)大二學(xué)生的課程學(xué)習(xí)，用以支持理論課程的實(shí)驗(yàn)仿真，并作為每個典型功能電路的驗(yàn)證環(huán)節(jié)輔助教學(xué)工作的開展。經(jīng)使用者反饋，可以使用該平臺對課程中的講解的典型電能轉(zhuǎn)化電路進(jìn)行仿真，且具有操作簡單方便，圖形化分析結(jié)果清晰等特點(diǎn)。對于提升課程教學(xué)內(nèi)容的可控性、可觀性、靈活性有很大的幫助，并有助于解決復(fù)雜知識講授過程中的師生交互性的提升。