工科課程教學(xué)如何引導(dǎo)學(xué)生“深思考”

史敬灼

(河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 洛陽 471023)

《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》(教高〔2019〕6號(hào))要求“引導(dǎo)學(xué)生多讀書、深思考、善提問、勤實(shí)踐”。其中，“深思考”是處于承前啟后位置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！吧钏伎肌笔恰吧铺釂枴钡谋匾疤幔彩鞘埂白x書”“實(shí)踐”能夠內(nèi)化為學(xué)生能力的必由途徑。深思考的行為和能力，是提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)與自主動(dòng)學(xué)習(xí)能力的重要基礎(chǔ)，因而也是切實(shí)增加學(xué)生投入學(xué)習(xí)的時(shí)間、提高自主學(xué)習(xí)時(shí)間比例的主要保障[1-2]。

引導(dǎo)學(xué)生多讀書，往往是易于做到的，因?yàn)閷W(xué)生從小就知道要上學(xué)要讀書。但問題在于如何能夠讓學(xué)生坐得住、多讀書，如何將讀來的知識(shí)有效地內(nèi)化于心，進(jìn)而有可能通過實(shí)踐鍛煉而外化為手上的能力。這個(gè)問題，可以通過“深思考”來解決。但是，學(xué)生雖然知道要思考，但往往不知道該思考什么，這就需要教師有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生思考，提供“使思考成為可能”的基礎(chǔ)條件作為支撐，創(chuàng)造可思考的情景和事項(xiàng)，引導(dǎo)正確思路并逐步深化。作者在工科課程“電力電子技術(shù)”教學(xué)中，注意并強(qiáng)化對(duì)“深思考”的主動(dòng)引導(dǎo)。針對(duì)學(xué)生不知道該思考什么這一主要癥結(jié)，采取的主要引導(dǎo)方式是適時(shí)提出適當(dāng)?shù)膯栴}。本文敘述了相關(guān)教學(xué)改革的具體內(nèi)容。

1 打好思考的基礎(chǔ)

為使思考成為可能，了解專業(yè)知識(shí)、課程知識(shí)的基礎(chǔ)，則需要通過課前預(yù)習(xí)和課堂講授來實(shí)現(xiàn)。學(xué)生對(duì)“電力電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)是從課前預(yù)習(xí)開始的。在課前通過“雨課堂”推送到學(xué)生手機(jī)的預(yù)習(xí)課件中，設(shè)置引導(dǎo)性疑問和選擇題兩類問題，來引導(dǎo)學(xué)生在讀書+思考中完成有效的預(yù)習(xí)。因?yàn)樵陬A(yù)習(xí)時(shí)，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解程度有限，難免困惑，所以預(yù)習(xí)課件中的問題應(yīng)該重讀書、重基礎(chǔ)、重概念解析或辨析。

例如文獻(xiàn)[3] 3.1節(jié)單相可控整流電路的預(yù)習(xí)課件中，指出“電力電子電路中的電力電子器件工作于開、關(guān)狀態(tài)，是非線性電路”之后，設(shè)問“那么，電力電子電路該如何分析？”“‘電路’知識(shí)還有沒有用?”顯然，前一個(gè)問題直接針對(duì)文獻(xiàn)[3]內(nèi)容設(shè)問，沒有引伸或是拐彎，是可以在書上找到答案的；后一個(gè)問題則是在引導(dǎo)學(xué)生回顧先修課程知識(shí)，在對(duì)比中思考前一個(gè)問題不同以往的背景和設(shè)問的意義，以明確文獻(xiàn)[3]相關(guān)內(nèi)容的作用。在這一節(jié)的預(yù)習(xí)課件中，還給出了下列選擇題，要求學(xué)生作答：

多選題(0.5分)：文獻(xiàn)[3]圖3-4電路，比文獻(xiàn)[3]圖3-2電路多了一個(gè)續(xù)流二極管。與文獻(xiàn)[3]圖3-2電路比較，下列關(guān)于文獻(xiàn)[3]圖3-4電路的描述中，哪些是正確的？

(1)輸出電壓波形不再出現(xiàn)負(fù)的部分

(2)負(fù)載電感的儲(chǔ)能不再釋放

(3)導(dǎo)通角減小

(4)輸出電壓平均值減小

顯然，這里給出的每個(gè)選項(xiàng)都可以在文獻(xiàn)[3]中找到。只要認(rèn)真讀書預(yù)習(xí)，就容易做出正確的選擇。

在各章節(jié)的預(yù)習(xí)課件中，作者較多采用了“下列描述中，哪些是正確的？”這類設(shè)問形式，一方面引導(dǎo)學(xué)生在思考解答的過程中認(rèn)真讀書預(yù)習(xí)，另一方面也是以題目的形式來強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)。

為使思考成為可能，將思考的具體方法和正確思路傳授給學(xué)生，也是必需的。作者在課堂講授過程中，采用問題導(dǎo)向式的授課方式[4]，引導(dǎo)學(xué)生在思考的過程中學(xué)習(xí)課程知識(shí)；同時(shí)，在一次次授課過程中，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握思考問題的思路和具體方法，尤其是注意面向?qū)嶋H，將應(yīng)用需求和實(shí)際約束納入思考范疇。

2 引導(dǎo)學(xué)生自主深入思考

在學(xué)生逐步具備思考的必要基礎(chǔ)之后，具有一定挑戰(zhàn)度的課后思考題、大作業(yè)題等，就成了引導(dǎo)學(xué)生自主深入思考的重要途徑。

在課堂上，作者會(huì)提出一些思考題，留給學(xué)生課后思考。例如文獻(xiàn)[3]6.2.1節(jié)交流調(diào)功電路，講授控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，并提及該電路常用于電爐的溫度控制。作者請(qǐng)學(xué)生們課后思考：常用于電爐的溫度控制，控制周期M值是大一些好，還是小一些好？這個(gè)問題不太簡單，除“電力電子技術(shù)”課程的知識(shí)外，還涉及先修的“自動(dòng)控制原理”課程知識(shí)及實(shí)際應(yīng)用考量。類似的思考題還有很多。這些課后思考題，旨在概念、知識(shí)點(diǎn)解析，希望學(xué)生通過自己的思考來透徹理解課程知識(shí)；有些思考題，同時(shí)還會(huì)貼近實(shí)際或是直接以課程知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用為題，希望通過學(xué)生的自主思考和資料查閱來促進(jìn)學(xué)以致用。這些課后思考題，被學(xué)生評(píng)價(jià)為“很有意思，利于深入思考”。

通過“雨課堂”發(fā)布并限時(shí)完成的大作業(yè)題是鍛煉學(xué)生深思考能力的另一個(gè)重要途徑。因?yàn)榭梢岳脦滋斓恼n余時(shí)間來完成，時(shí)間相對(duì)寬裕，題目可以被設(shè)計(jì)得更完整一些，更有益于鍛煉深入思考能力。根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，這些作業(yè)題可以有幾種類型。一是以透徹理解某一重要知識(shí)點(diǎn)為目的，在文獻(xiàn)[3]知識(shí)范疇內(nèi)，圍繞該知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)題目；二是對(duì)文獻(xiàn)[3]語焉不詳而又有必要搞清楚的事情，設(shè)計(jì)題目來拓展教學(xué)內(nèi)容；三是面向?qū)嶋H應(yīng)用，以實(shí)際應(yīng)用需求或?qū)嶋H電力電子電路為題，填補(bǔ)理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用之間的縫隙。無論哪一類作業(yè)題目，都應(yīng)留給學(xué)生足夠的思考、求索空間，也必須提供必要的基礎(chǔ)素材支撐。

上述第一類較為常見。第二類題目的典型例子是死區(qū)對(duì)SPWM輸出波形的影響，文獻(xiàn)[3]僅提到“有影響”，但無細(xì)致說明，可以為學(xué)生提供相關(guān)課外閱讀材料，并要求在閱讀材料的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)死區(qū)給輸出SPWM波形帶來的諧波成分表達(dá)式。進(jìn)一步地，還可以引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生思考抑制死區(qū)影響的可能措施。課外閱讀資料，可以節(jié)選自優(yōu)秀的外文教材，可以選自學(xué)術(shù)論文，亦可以是教師專門撰寫的材料。

下面給出第三類作業(yè)題的一個(gè)例子。在一個(gè)大作業(yè)題給出的系統(tǒng)電路圖中，包含圖1所示的反激式開關(guān)電源電路，要求學(xué)生寫出一段話敘述該電路的原理、工作過程，并探討電路中主要元件參數(shù)設(shè)計(jì)問題。

圖1 大作業(yè)題圖——反激式開關(guān)電源

該題的重點(diǎn)在于兩個(gè)芯片。首先，這么多種光耦芯片，為何選擇了6N139？顯然，6N139在圖示電路中用來實(shí)現(xiàn)的功能是：將輸出電壓以隔離的方式反饋至電壓閉環(huán)控制器的輸入端。如課程知識(shí)所述，光耦芯片用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離傳輸，如何能夠用來實(shí)現(xiàn)輸出電壓這一模擬信號(hào)的隔離傳輸？研究隨題提供的6N139芯片說明書，可以發(fā)現(xiàn)問題的答案。6N139是一種具有“高電流傳輸比”的光耦芯片，其輸出電流與輸入電流之比的典型值為20，最小值和最大值分別為4和50。說明書給出的輸出電流、輸入電流關(guān)系圖2表明，在輸入電流為0.5 mA附近的小區(qū)域內(nèi)，圖示曲線的線性度較好，電流傳輸比數(shù)值較大且該值隨輸入電流、隨溫度的變化幅度都較小，可選輸入電流0.5 mA做為圖1電路中6N139芯片的工作點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離傳輸。由此，可以確定芯片輸入端電阻PCR11、輸出電阻PCR12的阻值。

圖2 6N139芯片輸出電流與輸入電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系 (引自芯片說明書)

其次，需要思考UC3844構(gòu)成的控制器結(jié)構(gòu)、閉環(huán)控制流程、控制器設(shè)計(jì)，隨題提供的資料包括英文UC3844芯片說明書和應(yīng)用文檔、來自中國知網(wǎng)的中文學(xué)術(shù)論文。圖1電路使用UC3844構(gòu)成了雙閉環(huán)控制的開關(guān)電源，內(nèi)環(huán)為變壓器一次繞組電流峰值閉環(huán)控制，外環(huán)為輸出電壓(+15 VD)閉環(huán)控制。通過研究隨題提供的資料，不難理解控制原理和控制流程。進(jìn)一步，可以畫出由阻容元件PCR4、PCR6、PCR13、PCC3、PCC6和UC3844片內(nèi)運(yùn)放構(gòu)成的電壓閉環(huán)控制器原理圖，并根據(jù)先修的“模擬電子技術(shù)”“自動(dòng)控制理論”課程知識(shí)，進(jìn)行阻容元件數(shù)值設(shè)計(jì)。

在上述解題過程中，學(xué)生在題目設(shè)置的背景或應(yīng)用場(chǎng)合中，在思考中學(xué)習(xí)，在研究中思考，在思考中深化認(rèn)識(shí)，能夠完成一次較為深入的思考之旅。

3 引導(dǎo)學(xué)生將自主思考融入實(shí)踐過程

在課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生在動(dòng)手過程中不斷遇到的各種實(shí)際問題，更是可以成為深思考的廣闊舞臺(tái)。為達(dá)此目的，課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)均在全開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)以學(xué)生學(xué)為中心，秉承新理念的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書為學(xué)生提供自己動(dòng)手實(shí)踐與思考的基礎(chǔ)，教師講授及指導(dǎo)注重激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的主動(dòng)性和積極性，提倡學(xué)生自主研究型的實(shí)踐過程，強(qiáng)調(diào)啟發(fā)，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生自主思考、分析、解決問題。

3.1 課程實(shí)驗(yàn)

這里，以“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)二Buck斬波電路為例，說明實(shí)驗(yàn)中的思考過程。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生觀察到圖3所示波形，圖中3個(gè)波形由上至下依次為圖4(a)電路U1-9腳(PWM控制信號(hào))、圖4(b)主電路二極管D1陰極電壓、電感電流。圖示電感電流波形出現(xiàn)了小于0的部分，即出現(xiàn)了負(fù)值電流；相應(yīng)地，D1陰極電壓波形也出現(xiàn)了與PWM控制信號(hào)波形之間的明顯差異。

圖3 Buck斬波電路實(shí)驗(yàn)波形

(a)控制電路

(b)驅(qū)動(dòng)電路和主電路圖4 Buck斬波電路圖

課程知識(shí)表明，Buck斬波電路與其它類型的基本斬波電路一樣，電流方向是一定的，不可能出現(xiàn)負(fù)向的電流，D1陰極電位也不會(huì)高于電源電壓。這是為什么？針對(duì)這一問題，引導(dǎo)學(xué)生注意到實(shí)驗(yàn)電路所用MOSFET Q1內(nèi)含反并聯(lián)二極管，并讓學(xué)生思考由此帶來的電路工作過程改變，分析圖3實(shí)驗(yàn)波形。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：若在圖4(b)主電路中增加與Q1串聯(lián)的肖特基二極管來消除內(nèi)部反并聯(lián)二極管的影響，圖3對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)波形會(huì)有怎樣的變化？此后，與學(xué)生共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察連續(xù)改變占空比情況下的波形變化過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考、求證以探求上述現(xiàn)象的本質(zhì)原因。

除在實(shí)驗(yàn)過程中偶遇或是發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)而思考如何解決問題之外，還可以在實(shí)驗(yàn)中故意設(shè)計(jì)問題來引發(fā)思考。例如在圖4(a)所示實(shí)驗(yàn)電路中，電阻R10、R11分別取值為10 kΩ、2 kΩ，測(cè)得U2-2腳信號(hào)波形的下降沿有明顯的拖尾現(xiàn)象，下降緩慢、持續(xù)時(shí)間長；細(xì)致觀察其前端U1-9腳信號(hào)波形，也會(huì)發(fā)現(xiàn)波形在低電平區(qū)域存在小幅緩降現(xiàn)象。不少學(xué)生注意到這一現(xiàn)象，并主動(dòng)思考為什么、怎么辦。在該電路中，導(dǎo)致該現(xiàn)象的表象原因是R10、R11阻值偏大。因?yàn)锽uck斬波電路只有一路PWM控制信號(hào)，不存在多路PWM信號(hào)之間的相位關(guān)系問題，因而PWM信號(hào)相位的微小偏移、占空比的微小變化不影響電路的正常工作，故而人為設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)與課程知識(shí)緊密相關(guān)的問題，為學(xué)生提供練習(xí)深思考、勤實(shí)踐的對(duì)象與環(huán)境。

3.2 課程設(shè)計(jì)

在“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)過程中，同樣會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。這些問題主要有兩方面的來源，一是由于學(xué)生的電路設(shè)計(jì)、焊接等失誤導(dǎo)致的，二是因?yàn)樽⒁饧?xì)節(jié)而產(chǎn)生的。后者的一個(gè)典型例子是圖5、圖6給出的負(fù)載電壓跳變沿波形。細(xì)致觀察圖5波形，可以發(fā)現(xiàn)其下降沿有短時(shí)平臺(tái)現(xiàn)象。調(diào)節(jié)示波器，可得圖6所示細(xì)節(jié)波形。

這些波形反映了主電路中電力電子器件的開、關(guān)切換過程，與主電路結(jié)構(gòu)、MOSFET及其反并聯(lián)二極管的開關(guān)動(dòng)態(tài)過程、死區(qū)設(shè)置、負(fù)載電流方向相關(guān)。在思考“波形為什么會(huì)是這樣”的過程中，學(xué)生利用所學(xué)課程知識(shí)，細(xì)致分析自己設(shè)計(jì)的電路圖，并進(jìn)一步細(xì)致測(cè)取相關(guān)電壓、電流的短時(shí)波形來指引思考、驗(yàn)證結(jié)論。通過這一過程，不僅更加透徹地理解了課程知識(shí)，更是再次經(jīng)歷了“深思考”之旅。

圖5 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)波形

圖6 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)波形(細(xì)節(jié))

4 結(jié)語

引導(dǎo)學(xué)生深入思考并逐漸養(yǎng)成思考習(xí)慣，注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。

在本文所述引導(dǎo)學(xué)生思考的過程中，教師的目的是通過創(chuàng)造條件、制造環(huán)境，來使學(xué)生逐步具備自己深思考的意識(shí)和能力，知道想什么，知道如何想、如何求證。為此，需要始終牢記以學(xué)生為中心、以學(xué)為中心，注重把握引導(dǎo)的時(shí)機(jī)、引導(dǎo)的分寸，提供支撐，提供引領(lǐng)，而不喧賓奪主。