線上線下混合式教學(xué)模式探索與應(yīng)用
——以“電力電子技術(shù)”課程應(yīng)用為例

許 勝

（泰州學(xué)院，江蘇 泰州225300）

0 引言

當(dāng)前，我國正處于由高等教育大國向高等教育強國邁進的關(guān)鍵時期，重視我國高等教育，實現(xiàn)內(nèi)涵式發(fā)展，提升本科教學(xué)質(zhì)量成為了共識。然而，大學(xué)教學(xué)長期存在著“以教師為中心”的傳統(tǒng)注入式教學(xué)方式，學(xué)生被動接受，教學(xué)效果普遍不好。因此，推進我國教育理念、教學(xué)內(nèi)容、教育教學(xué)模式與方法的深刻變革，“淘汰水課，打造金課”成為了我國高等教育改革的焦點［1］。

以MOOC（Massive Open Online Course）為代表的在線開放課程，為傳統(tǒng)教育模式改革帶來了好的契機［2］。當(dāng)然，單獨依靠MOOC等在線教學(xué)，存在教學(xué)模式單一、教學(xué)質(zhì)量難以掌控等問題。因此，充分結(jié)合傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化在線學(xué)習(xí)優(yōu)勢的線上線下混合式教學(xué)，近年來成為了不少高校教學(xué)模式改革的重點，并取得了較好的效果［3］。然而，混合式教學(xué)在實施過程中也存在諸如混合方式單一、混合程度不高等一些普遍性問題，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)結(jié)合程度較低，不能充分貫徹以學(xué)生為主體的教育思想，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性與創(chuàng)造性沒有得到充分的體現(xiàn)［4］。

因此，本文開展線上線下混合式教學(xué)模式研究，旨在探索傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化線上學(xué)習(xí)優(yōu)勢的充分融合機制，克服現(xiàn)有線上和線下教學(xué)元素簡單疊加問題，從而充分調(diào)動學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性，并且發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，提高教學(xué)質(zhì)量。文章首先構(gòu)建了基于“SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合式教學(xué)方案，并以“電力電子技術(shù)”課程應(yīng)用為例，結(jié)合電力電子技術(shù)課程知識點多、理論性和實踐強的特點，開展了“電力電子技術(shù)”課程混合式教學(xué)實踐。

1 混合式課程教學(xué)模式方案設(shè)計

SPOC是面向特定人群的集管理、網(wǎng)絡(luò)媒體教學(xué)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)媒體教學(xué)工具于一身線上課程教學(xué)手段［5］。因此，選用SPOC作為混合式課程教學(xué)中線上教學(xué)手段，可以根據(jù)我校電氣工程及其自動化專業(yè)的地方應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標，有針對性的合理規(guī)劃教學(xué)活動。

為了突出“以學(xué)生為中心”的混合式課程教學(xué)主旨，本文基于SPOC的混合式課程教學(xué)模式具體實施方案如圖1所示。

圖1 基于SPOC的混合式課程教學(xué)模式實施方案

根據(jù)圖1，混合式課程教學(xué)模式實施方案共包括線上SPOC自主學(xué)習(xí)、線下課堂訓(xùn)練與提升以及課程管理與引導(dǎo)等三個主要模塊。

1.1 線上SPOC自主學(xué)習(xí)

1）學(xué)習(xí)目標制定

在混合式教學(xué)中，學(xué)生線上學(xué)習(xí)質(zhì)量是整個課程教學(xué)質(zhì)量的重點。因此，根據(jù)課程教學(xué)大綱并結(jié)合學(xué)生整體知識能力水平，針對每個課程知識點制定了詳實的學(xué)習(xí)目標，加強對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的指導(dǎo)，提升線上學(xué)習(xí)質(zhì)量。學(xué)習(xí)目標和任務(wù)每次課前在SPOC公告欄公布，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)目標和任務(wù)有效地開展自主學(xué)習(xí)。

2）資料學(xué)習(xí)

學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)目標，充分利用SPOC在線視頻和課件資料開展自主學(xué)習(xí)。為了建設(shè)符合我校課程要求和學(xué)生特點的教學(xué)資源，任課教師需要對SPOC源課程內(nèi)容進行重組和二次創(chuàng)建。

3）交流互動

交流互動是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果和興趣的有效措施。SPOC開設(shè)了課堂交流區(qū)和教師答疑區(qū)兩個交流板塊。其中，課堂交流區(qū)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了交流討論平臺。學(xué)生可以就課程學(xué)習(xí)內(nèi)容、作業(yè)、測試內(nèi)容相互交流。另外，課程任課教師根據(jù)本次學(xué)習(xí)內(nèi)容擬定幾個討論議題，供學(xué)生討論交流，引導(dǎo)學(xué)生緊密圍繞學(xué)習(xí)目標，把握學(xué)習(xí)重點和難點。另外，學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的疑問可以在教師答疑區(qū)提出，由任課教師解答。交流互動環(huán)節(jié)可以增進師生間、學(xué)生間的交流與協(xié)作，增強學(xué)生對線上學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入理解。

4）測試自評

學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)后，通過SPOC課堂測試、單元測試等開展學(xué)習(xí)效果的實時在線檢測和評價。根據(jù)測試結(jié)果，可以查漏補缺，反復(fù)開展在線學(xué)習(xí)，直至基本達成學(xué)習(xí)目標要求。

1.2 線下課堂訓(xùn)練與提升

課堂教學(xué)切忌重復(fù)SPOC線上教學(xué)資源的內(nèi)容。否則，就違背了混合式課程教學(xué)的目的，勢必大大降低混合式課程教學(xué)的效果。因此，線下課堂教學(xué)更多應(yīng)該是對學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果的監(jiān)測和綜合能力的提升。

1）目標測試

基于學(xué)習(xí)目標的課堂測試是決定混合式課程教學(xué)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。課堂目標測試是線上學(xué)習(xí)和課堂學(xué)習(xí)的有機銜接，一方面，便于任課教師對學(xué)生在線學(xué)習(xí)效果以及重點難點問題的掌控；另一方面，是監(jiān)督提升學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)質(zhì)量的重要手段。因此，課堂目標測試必須作為課程考核的重要組成部分。

2）難點解答

綜合SPOC線上學(xué)習(xí)情況（交流討論、答疑和測試），提煉知識難點，進行重點講解分析。當(dāng)然，此過程應(yīng)以啟發(fā)式、引導(dǎo)式的模式開展，比如分組討論等。

3）提升訓(xùn)練

基于本次課程基本學(xué)習(xí)目標達成，通過綜合應(yīng)用、問題分析等更高層次的提升訓(xùn)練，開拓學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力和創(chuàng)新能力。

1.3 課程管理與引導(dǎo)

在混合式課程教學(xué)中，教師應(yīng)該充當(dāng)輔助角色，而讓學(xué)生成為主角。教師的主要精力應(yīng)該放在教學(xué)資源的建設(shè)、課堂學(xué)習(xí)引導(dǎo)和管理上。

因此，課程管理應(yīng)貫穿混合式課程教學(xué)的全過程，重在對學(xué)生課程學(xué)習(xí)的組織、引導(dǎo)、啟發(fā)和監(jiān)管，目的在于充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提升學(xué)生課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率。其中，課程考核是關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。課程考核包括過程考核和期末考試兩個部分，并且，過程考核成績應(yīng)該占整個課程成績的60%～70%，以提高課程教學(xué)的整體效果。

2 混合式教學(xué)應(yīng)用典型案例

根據(jù)上述混合式教學(xué)方案，我校電氣工程系開展了電力電子技術(shù)課程的混合式教學(xué)實踐，并得了較好的教學(xué)效果。本文以降壓斬波電路（Buck電路）為例系統(tǒng)闡述混合式課程教學(xué)的應(yīng)用設(shè)計。Buck電路是直流-直流變換電路最基本的電路形式，因此，對該知識點熟練掌握可以為本章節(jié)其他知識點的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。圖2為Buck變換電路的基本電路圖。

圖2 Buck變換電路的基本電路

2.1 線上組織引導(dǎo)

表1為Buck電路的線上學(xué)習(xí)組織引導(dǎo)內(nèi)容。通過表1的學(xué)習(xí)引導(dǎo)，學(xué)生開展線上自主學(xué)習(xí)時目標明確，能夠準確把握Buck電路的重點和難點，避免學(xué)習(xí)的盲目性，增強學(xué)習(xí)效率。

表1 線上學(xué)習(xí)組織引導(dǎo)內(nèi)容

2.2 線下課堂訓(xùn)練與提升

Buck變換電路的線下課堂學(xué)習(xí)計劃安排如表2所示。

表2 課堂學(xué)習(xí)計劃（總課時：90 min）

1）目標檢測

Buck電路的課堂目標檢測內(nèi)容根據(jù)學(xué)習(xí)目標制定，主要測試要點如表3所示。通過課堂測試，檢測學(xué)生Buck變換電路學(xué)習(xí)目標的達成程度。同時，也是對學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)的參與度和學(xué)習(xí)效率的間接監(jiān)測，以便教師及時準確的把握學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況。

表3 課堂測試要點

2）難點解答

式中x=(x1,x2,…xI)T∈RI是一個I維的變量，由表征優(yōu)化對象的參數(shù)所構(gòu)成。j=1,2…J是優(yōu)化對象所能取值的區(qū)間，fj(x)是關(guān)于x的函數(shù)，表示在優(yōu)化對象在j點取值時計算性能與設(shè)計指標的差異，其具體的表達式如下式所示：

通過綜合分析學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況，歸納出大部分學(xué)生在Buck電路自主學(xué)習(xí)過程中存在的主要難點問題：一個開關(guān)周期中電感L上的能量流動、電壓、電流的大小及方向變化及其相互關(guān)系。該難點問題已經(jīng)分解到課堂目標測試試題中，通過課堂測試練習(xí)、討論，并對該部分內(nèi)容的分析解答，學(xué)生能夠較好的理解并掌握該難點內(nèi)容，整體效果較好。

3）提升訓(xùn)練

課堂提升訓(xùn)練的目的是在基本學(xué)習(xí)目標的基礎(chǔ)上，通過綜合性、應(yīng)用型設(shè)計類題目的訓(xùn)練，進一步強化學(xué)生對Buck變換電路的理解，提高學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力。

訓(xùn)練案例：基于Buck變換電路的蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計，等效電路如圖3所示。為了簡化問題，充電過程中假定蓄電池組兩端電壓不變，則蓄電池組可由電壓Ee和電阻R（電路損耗）串聯(lián)等效。

圖3 基于Buck電路的直流電機拖動等效電路

設(shè)計要求：①蓄電池采用恒流充電模式，并采用脈沖寬度調(diào)制方式（PWM）控制開關(guān)V通斷；②設(shè)計LC低通濾波器，改善輸出電壓質(zhì)量；③電流開環(huán)控制（占空比α直接給定）和閉環(huán)控制兩種模式設(shè)計和比較分析；④基于Matlab構(gòu)建系統(tǒng)仿真平臺，實驗驗證。

主要電路參數(shù)參照表4。

表4 基于Buck電路的蓄電池充電系統(tǒng)參數(shù)

1）開環(huán)控制設(shè)計

設(shè)計目標：蓄電池平均充電電流40 A。

根據(jù)圖3所示Buck電路，可獲得V控制占空比α：

參照圖3，將α=0.535作為給定，觀測負載電流仿真波形（令電容C開路），如圖4所示。

圖4 開環(huán)控制下Buck電路輸出電壓電流波形

分析圖3，討論兩個問題：

第一，輸出電壓平均值Uo相比較于預(yù)期值107 V較低；輸出電流平均值Io相比較于預(yù)期值40 A較低。為什么？

第二，輸出電壓電流存在高頻諧波分量。

針對上述兩個問題，組織學(xué)生開展分析討論，并形成討論意見：

第一個問題的主要成因是實際電路中開關(guān)V、續(xù)流二極管VD存在等效內(nèi)阻抗造成的電壓損失。具體解決方案是采用閉環(huán)控制。

第二個問題是PWM開關(guān)電路固有特性，主要諧波成分是開關(guān)頻率附近的高頻諧波。可以通過LC低通濾波器解決。

2）LC低通濾波器設(shè)計

設(shè)計目標：抑制Buck電路輸出開關(guān)諧波。

LC低通濾波器參數(shù)設(shè)計遵循原則［6］：控制輸出電壓脈動量小于一定數(shù)值，則電容C的取值為：

根據(jù)式2，設(shè)定ΔUd%=1%，并取αmax=0.8，計算有Cmin=50μF。實際取值C=500μF，根據(jù)低通濾波器截止頻率校驗：

可見，濾波器截止頻率遠低于開關(guān)頻率fs，滿足濾波要求。圖5為增加了LC濾波器的系統(tǒng)開環(huán)控制仿真波形圖。

圖5 LC濾波后Buck電路輸出電壓電流波形

比較圖4和圖5，可見LC濾波器有效提高了Buck變換電路輸出電壓電流的質(zhì)量。

通過此環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生系統(tǒng)掌握了LC濾波器的基本原理和設(shè)計方法，尤其針對直流斬波電路的電壓電流高頻諧波的抑制。

3）閉環(huán)控制設(shè)計

設(shè)計目標：穩(wěn)定蓄電池充電電流，指令充電電流初始值設(shè)置為40 A；t=0.3 s時刻，指令充電電流階躍指50 A。

采用PI控制器，對蓄電池電流閉環(huán)控制，參照圖3。仿真波形如圖6所示。由圖可見，Buck變換電路的輸出電壓和電流能夠按照預(yù)期值準確輸出，克服了開環(huán)控制中由于器件損耗等因素造成的誤差，并且具有較快的響應(yīng)速度。

圖6 PI閉環(huán)控制下的Buck電路輸出電壓電流波形

通過上述基于Buck變換的蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用訓(xùn)練，學(xué)生不僅熟練掌握了Buck變換電路的基本原理及其應(yīng)用、PWM脈沖生成等基本控制方法以及LC低通濾波器的設(shè)計及應(yīng)用，還掌握了基于PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制的具體工程應(yīng)用及其特性。通過該環(huán)節(jié)綜合案例的訓(xùn)練，進一步增強了學(xué)生對Buck電路的理解和認識，有效提升了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3 結(jié)語

本文開展了基于SPOC的線上線下混合式教學(xué)模式研究，構(gòu)建了基于“SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合式教學(xué)方案。根據(jù)我校電氣工程及其自動化專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標，本文以“電力電子技術(shù)”課程應(yīng)用為例，結(jié)合該課程知識點多、理論性和實踐強的特點，開展了“電力電子技術(shù)”課程混合式教學(xué)實踐。實踐效果表明，該混合式教學(xué)模式充分調(diào)動了學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性，并且發(fā)揮了教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，有效提高了“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)效果。