《電力電子技術》教學模式改革的探索與實踐

《電力電子技術》是電氣工程、自動化或其他本科專業的一門橫跨電力、電子與控制三個領域的綜合性課程，也是一門理論與工程實踐緊密結合的基礎性課程。目前，電力電子技術已經對國內眾多工程技術領域和能源行業起到關鍵性的作用，特別是對于實現“2030碳高峰、2060碳中和”的雙碳目標、“高比例可再生能源、高比例電力電子設備”的雙高電力系統構建、全球能源互聯網建設等能源戰略具有巨大的影響力。在力爭實現“3060雙碳目標”的背景下，以光伏發電系統、風力發電系統與新能源汽車為主的新能源行業具有廣闊的發展前景，也助推了電力電子技術的廣泛應用。例如，光伏發電系統中的組串式光伏并網逆變器、集中式光伏并網逆變器、輔助控制電源等的組成和應用都與電力電子技術密切相關；風力發電系統中的電網側變流器、發電機側變流器、變槳距控制器等的設計與運行均以電力電子技術為基礎；電動汽車中的儲能電池、電機驅動設備、能量回收裝置等控制與應用均將電力電子技術作為載體。總之，“3060雙碳目標”達成、雙高電力系統構建與全球能源互聯網建設等國家能源發展戰略均離不開電力電子技術。
《電力電子技術》課程始終堅持“相關課程協調統一”和“實踐與發展統一、傳承與創新統一”的教學內容發展觀。
目前，國內眾多高校均能有機融合自身辦學條件與辦學特色，對各自《電力電子技術》課程的教學模式進行改革。
以自動化專業的《電力電子技術》課程為例，對“教—賽—研三位一體”的教學模式進行了探索與實踐，并在課程的教學實踐效果上取得了提升。大學自動化專業學生參與電力電子技術類創新創業訓練項目的實際情況為例，對《電力電子技術》課程的教學內容、教學方法與考核模式三個方面的改革進行了探索與實踐，以培養適應國家建設需要的“雙創”型專業人才。從《電力電子技術》講課方式的多樣性、課程知識點的更新、線上教學的組織以及競賽、科研項目的補充等方面，全面探討了學生分析與解決工程技術問題能力提升的具體決策。
提出了將工程教育專業認證的核心理念與CDIO的教學模式引入到《電力電子技術》課程教學中的課程教學改革方案，以彌補傳統教學方法所存在的缺陷并提升課程教學水平。提出了一種全新的基于“理論教學—案例分析—實踐教學”的教學理念，即將案例分析環節加入到《電力電子技術》課程的理論教學與實踐教學中，以充分發揮案例分析的緩沖和橋梁作用，提高學生應用專業知識和分析問題的能力。
《電力電子技術》作為自動化、電氣工程等相關專業的重要專業基礎課，其教學的好壞將會直接影響后續專業課程的教學質量，且在一定程度上對學生實踐能力與創新能力的培養產生影響。因此，對該課程教學模式改革進行有益的探索與實踐具有重要的現實意義。鑒于此，自動化專業的《電力電子技術》課程教學實踐經驗，在分析了傳統教學模式特點的基礎上，重點從教學理念、能力培養、評價體系三個方面對課程教學模式改革進行探索和實踐，以提升教學效果。
1、傳統教學模式特點的分析
傳統的《電力電子技術》教學模式總體上是以授課老師和教材為課程教學的主體，而學生則習慣于課程的課堂教學并對教材所列內容產生過度依賴。因此，基于傳統的課程教學模式，《電力電子技術》課程教學模式在新時代發展與新技術需求背景下衍生出以下四個方面的不足。
第一，教學模式與教學定位需要改革。課程的教學模式需要轉變，將以授課老師為教學主體的單向式、單一式教學模式轉變成以學生為核心的主動式、引導式教學模式，即可將知識覆蓋面從教室、教材所涵蓋的有限知識空間擴展到課外、科研項目所涉及的探索性知識范疇中，使得學生的學習積極性與主動性得到有效激發。此外，課程的教學定位需要革新，即需要將側重于專業知識點傳授的傳統教學定位，轉移到注重學生實踐能力與工程應用技能方面的培養。
第二，教學內容需要改革。《電力電子技術》課程教學的內容通常拘泥于所選授課教材所列知識點、并強調理論知識講授而忽略新興技術知識的補充。隨著現代電力電子技術的快速發展，高性能新型半導體器件、新型電路拓撲結構及其高新工業應用領域也應時而生。例如，傳統教材的基礎器件部分將電力電子器件及其應用內容分成有源和無源器件兩部分，而并未涉及興新出現的高性能SiC、GaN等新型寬襟帶半導體器件相關內容的介紹，且類似的現象不勝枚舉。
第三，教學方法需要改革。傳統課程教學方法主要強調“課堂理論教學＋實驗室驗證實驗＋課后課程設計”的教學過程，即將教師課堂理論授課作為教學核心，并對課程的實踐性、技術性與應用性關注不夠，使得學生成為被動甚至為了應付實驗或課程設計而被迫接受理論知識的對象，導致學生學習的主動性與積極性降低，進而降低了課程授課的效果。
第四，教學目標需要改革。傳統教學目標通常存在與地方產業轉型和經濟發展升級相互脫節的現象。《電力電子技術》課程教學目標的定位需結合高校自身辦學特色，著眼于服務并推動地區經濟發展與產業的轉型升級。響應國家雙碳戰略發展目標，并充分利用自身的自然條件大力發展光伏發電和陸上風電，并逐步擴展海上光伏發電與風電，而以電力電子技術為核心的光伏與風電的大力發展也助力了能源體系向“清潔＋綠色”的方向轉型升級。
為了解決傳統教學模式存在的主要問題，自動化專業的《電力電子技術》課程教學實際情況，下面重點針對課程教學模式的教學理念、能力培養與評價體系三個方面的實踐經驗給出具體的改革建議。
2、教學模式之教學理念改革
韓愈有云：“師者，所以傳道、授業、解惑也。”課程教學的主要任務之一是完成專業知識的傳授，但在新時代背景下如果教師只注重教學大綱理論知識的傳道，而忽視學生實踐能力與創新能力的培養，對專業知識的授業與解惑在真正意義上是難以實現的。因此，對于《電力電子技術》課程教學理念的改革，重點可從以下四個方面著手。
第一，需重視教書與育人的有機融合。傳統《電力電子技術》課程的教學模式、教學定位均與3060雙碳發展戰略、雙高電力系統建設規劃及全球能源互聯網構建等所需要的電力電子技術專業人才的培養目標相互脫節。為此，自動化教研室對《電力電子技術》課程的教學定位進行了重新規劃，要求授課老師在注重理論知識傳道的基礎上，更需關注學生在動手實踐和工程應用能力方面的引導與培養，實現教書和育人兩者的有機結合與相互統一。
第二，需進行教學內容的優化改革。目前學生所使用的《電力電子技術》教材對新器件、新技術及其應用等部分的內容均較少涉及，無法滿足能源戰略發展規劃新形勢下的教學需求。為此，自動化教研室主動在課程教學內容上實行優化改革。具體而言，該專業在教學內容里補充了SiC、GaN等新型器件、高增益DC-DC變換器、多電平DC-DC變換器、多重DC-AC逆變器、LLC電路實現軟開關控制等內容，以豐富課程教學的知識體系并拓寬學生的認知視野。
第三，需進行教學方法的改革升級。為了突破傳統課程教學方法存在的授課過程單一和教學效果欠佳的局限，自動化專業對《電力電子技術》課程教學方法進行了改革升級。本專業提出并實行“以學生為中心、理解、分析與實踐逐層深入”的自主學習教學方法。在課程教學的過程中，老師以問題為導向引導學生自主學習，鍛煉學生發現、分析與解決問題的能力。同時，采用理論授課和實驗驗證相融合的教學方法訓練與培養學生分析問題與實踐應用的能力。
第四，需注重課程教學與地方產業相互銜接。為了解決課程教學與地方產業發展相互脫節的問題，自動化專業在《電力電子技術》課程教學過程中重視教學內容與地方產業發展的銜接。具體而言，在重視DC-DC、DC-AC與AC-DC等變換器的拓撲結構、工作原理等知識點的理論分析與公式推導的基礎上，利用典型工程案例重點分析了DC-DC與DC-AC變換器在光伏發電與風力發電領域應用的成功經驗與工作機理，以順應地方產業轉型與經濟發展。
3、教學模式之能力培養改革
對于《電力電子技術》課程教學模式的改革，還需重視能力培養方面的探索與實踐。能力培養主要包括實踐能力與創新能力，故重點可以從以下三個方面進行改革優化。
第一，利用競賽式教學新模式促進能力培養。為了適應2019年教育部提出的“加強學生理性參加競賽，努力達到以賽促教、以賽促學的教學效果”教學新需求，自動化專業提出利用競賽式教學新模式促進學生能力培養的教學方法。具體而言，將近幾年全國大學生電子設計大賽給出的開關電源模塊并聯供電系統、電池儲能雙向DC/DC變換器、微電網模擬系統等賽事題目，與課程教學相關知識點進行相互融合，構建成一個理論與實踐緊密聯系的知識體系，以深化課程知識層次并激發學生的實踐能力與創新能力。
第二，利用項目式教學新模式助力能力培養。項目式教學模式有助于提升學生的知識應用能力、學習主動性與積極性。自動化專業學生在參與基于能源互聯網的風光儲多能互補發電系統、便攜式微型示波器等大學生創新訓練項目的過程中，可對項目開發全過程所應用的DC/DC變換器、DC/AC逆變器、SVPWM調制策略等課程知識進行更深層次的加工理解與實踐應用，形成基于“應用中學習，學習中應用”的全流程培養模式，以提升學生的應用創新能力。
第三，利用科研式教學新模式推動能力培養。授課教師應根據自身承擔的科研項目所包含的重要知識點對學生進行典型性與示范性教學，以加強課程理論知識與科研創新實踐之間的交叉滲透，并促進學生實踐創新能力的養成。自動化專業教師將自身承擔的虛擬同步發電機技術及其在多能互補微電網中的應用研究、光儲系統的虛擬慣量與智能協同控制的研究等縱向科研項目所涉及的DC/AC儲能變換器組網系統這一大的知識體系細分為DC/AC拓撲結構、電壓與電流閉環矢量控制、SVPWM調制等具體的小知識點，并結合自身教學資源對各個知識點進行模塊化與示范化教學，以增強學生的應用探索能力與實踐創新意識。
4、教學模式之評價體系改革
傳統的課程教學評價體系絕大多數是將學生作為考評的對象，而較少將授課教師作為評價對象，故本文所涉及的評價體系改革是以教師為主體的。通常對教學模式進行質量考評的目的是為了提升課程的教學水平和教學質量，力求將學生培養成德智體全面發展的高素質專業人才。值得指出的是，傳統課程教學模式評價的出發點在于教師的教學大綱撰寫、教學方案設計、專業知識點講授、授課PPT與課堂板書是否規范等層面，而往往會忽視《電力電子技術》課程在教學過程中對學生的知識形態構成、專業技能培養與應用創新潛力激發等素質養成方面的合理性與公允性教學評價。
為了解決上述問題，目前廣泛采用了教學督導組評教、同行線下交叉聽課評教、同行線上評教、學生網上實名評教等多元立體化教師考評方式。
然而，綜合前幾年自動化專業《電力電子技術》課程的學生網上評教結果可發現一些普遍現象，即考試分數低的學生給出的評教成績通常較低，而考試分數高的學生給出的評教分數較高；對學生要求相對嚴格的授課老師得到的學生評教分數相對較低；與授課老師熟悉并擔任班干部的學生給出的評教分數較高等情形。另外，自動化教研室在統計近些年教師同行相互評教的結果也發現了一些不良評教現象，即同一個教研室的老師給出的同行評教成績通常較高、私下關系較好教師之間的評教成績偏高、平時接觸較少且跨教研室的教師通常給出表面化的評教結果、個別教師甚至在未參加線下課堂聽課的情況下即打出應付性評教成績等同行評教結果與實際教學開展情況相互脫離的情形，導致同行評教失去了權威性、公平性，也無法達到同行之間相互監督、共同提升的目的。
5、結束語
為了解決《電力電子技術》課程在教學過程中所存在的教學模式陳舊、教學內容與學生素質培養脫節、學生學習缺乏積極性與動力不足等問題，自動化專業的《電力電子技術》課程教學實踐經驗，提出了課程教學模式改革方案。本文在分析了傳統教學模式特點的基礎上，重點從教學理念、能力培養、評價體系三個方面對《電力電子技術》課程教學模式改革進行了有益的探索與實踐，以期進一步提升課程教學效果。