探究式教學在《電力電子技術》課程教學中應用

《電力電子技術》是一門將理論知識與應用實踐緊密銜接的基礎性課程，也是一門涵蓋了電力、電子和控制三大學科領域的自動化、電氣工程等本科專業(yè)的綜合性課程。該課程具有教學內(nèi)容繁多與知識點繁雜的特點，主要包括功率半導體器件及其應用、直流-直流（DC-DC）交換電路、直流-交流（DC-AC）變換電路、交流-直流（AC-DC）變換電路、交流-交流（AC-AC）變換電路、軟開關變換器技術等。此外，《電力電子技術》課程內(nèi)容具有學科交叉性強與應用領域廣泛的特點，主要涉及電力系統(tǒng)、計算機、自動控制、電子器件、電機、電磁場等學科方向。此外，在新能源并網(wǎng)發(fā)電、智能電網(wǎng)、分布式微電網(wǎng)、電氣傳動、武器裝備、交直流電源、智能家居等領域得到了廣泛應用。教學上除考慮課程的系統(tǒng)性外，還需特別注意電力電子技術在電力工程中的應用。課程的教學目標定位較高，著眼于學生通過《電力電子技術》課程的學習，能夠掌握各類電力電子變換器裝置的拓撲結構、工作原理、控制方案與分析設計等應用技能，為畢業(yè)后從事相關領域的科研工作打下堅實基礎。因此，《電力電子技術》課程的教學在學生知識體系構建、專業(yè)技能培養(yǎng)與實踐創(chuàng)新能力養(yǎng)成等方面均具有十分重要的現(xiàn)實意義。
為了提升課程的教學效果，國內(nèi)眾多高校教師對《電力電子技術》課程教學方法進行了有意義的探索和實踐。根據(jù)工程教育專業(yè)認證對《電力電子技術》課程的畢業(yè)要求指標點，提出了要優(yōu)化考核方式、改革教學方法、調(diào)整教學內(nèi)容、并構建持續(xù)性改進的反饋機制，以提高教學效果與學生的創(chuàng)新意識。在分析了基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念的《電力電子技術》課程體系存在問題的基礎上，重點研究了教學方法的創(chuàng)新與改革、教學目標與內(nèi)容的優(yōu)化、考試評價方式改革等方面，以加深創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念在課程教學中的融合與銜接。在深入分析新工科背景下《電力電子技術》課程特點的基礎上，提出了一種基于“SPOC+雨課堂”的混合式課堂教學方法，以保證混合式教學法在課程教學實踐中取得良好的教學效果。提出了一種基于“以學生為中心”的教學理念和線上線下混合式教學模式，并建立知識傳授、價值觀塑造、能力培養(yǎng)三位一體的教學目標，探索《電力電子技術》課程教學與思政教育有效融合的途徑，以實現(xiàn)育人和育才的相互統(tǒng)一。分析了現(xiàn)有專業(yè)基礎課程教學方法與教材知識體系存在的局限性，構建了適用于應用型本科院校的《電力電子技術》及應用專業(yè)基礎課程的知識體系并給出了相應的改革措施，以提升課程教學實踐效果。
可見，《電力電子技術》課程的教學內(nèi)容及其實踐應用的復雜性與重要性對教學方法提出了更高的要求，其教學效果的好壞將直接影響學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。鑒于此，本文結合大學自動化專業(yè)的《電力電子技術》課程教學實際情況，在分析了課程教學現(xiàn)狀的基礎上，主要對探究式教學法中基于介入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）的5E循環(huán)教學模式進行探索與實踐，以期革新課程的教學方法，同時提升探究式教學法在課程教學過程中的應用效果。
1、課程教學現(xiàn)狀的分析
《電力電子技術》課程作為自動化、電氣工程的專業(yè)必修課，課程教學內(nèi)容兼具較強的理論性與實踐性、知識點之間兼具較強的銜接性與邏輯性、拓撲結構與理論分析緊密關聯(lián)。課程教學過程中存在知識點繁多與課堂授課時間有限的矛盾，故存在以下問題。
1.1教學方法固化與學生參與度低
為了緩解《電力電子技術》課程教學內(nèi)容繁多與授課課時有限的沖突，部分授課老師通常采用以教師為教學主體的單向式、固化式教學方法，即教師在課堂絕大部分時間內(nèi)都是以講授知識點為主，學生只能被動地、填鴨式接受理論知識，而對知識點的理解與應用缺乏相應的指導，導致學生無法主動參與到課堂教學過程當中去，易使學生產(chǎn)生厭學與消極應付的學習情緒。
1.2采用大班授課的方式造成課程教學效果欠佳
《電力電子技術》課程作為專業(yè)必修課，通常將整個專業(yè)的學生作為一個教學單位組成一個獨立的授課班級。同一專業(yè)所包含的學生人數(shù)通常較多，使得授課班級的學生人數(shù)眾多，造成教師在課堂教學過程中無法兼顧每一位學生的聽課情況與學習效果。這種大班授課模式也會降低師生、生生之間交流互動的有效性，教師無法全盤了解學生對知識點的掌握程度，學生對知識的理解與應用水平也會良莠不齊，導致課程的教學效果難以達到課程教學大綱所設定的教學目標。
1.3課程知識點難以與其他專業(yè)課程形成良好銜接
《電力電子技術》作為一門自動化、電氣工程等專業(yè)的基礎課，課程所講授的內(nèi)容往往是后續(xù)所選專業(yè)必修課或?qū)I(yè)畢業(yè)實習的基礎，但是由于在課程教學過程中往往只注重本課程所包含知識點的講授，而對知識點的理解與應用缺乏進一步的擴展和延伸，使得學生無法將課程所學過的知識點與其他專業(yè)課程知識的學習與應用緊密銜接在一起，亦難以將本專業(yè)所包含的知識內(nèi)容構建成一個完整的知識體系。
因此，迫切需要對《電力電子技術》課程的教學方法進行有益的探索與實踐，以解決課程教學所面臨的問題。
2、探究式教學法的理念及其意義
探究式教學法，又可稱為研究法、發(fā)現(xiàn)法、“做中學”，是指學生在學習課程知識的概念與原理時，老師只需為學生提供一些問題與事例，讓學生自己通過觀察、閱讀、思考、實驗、聽講、討論等方式進行主動探究，自行認識、理解并掌握隱含的原理與結論的一種教學方法。該方法的指導思想是：在教師的引導下，將學生作為主體，讓學生積極地、自覺地探索，發(fā)現(xiàn)分析與解決問題的技巧與方法，探尋客觀事物所包含的物理屬性，厘清事物發(fā)展的前因后果與內(nèi)部聯(lián)系，從中找出并總結規(guī)律，構建概念與意識形態(tài)，形成自己的認知架構與學習方法。因此，學生在基于探究式教學法的教學機制下，其自身的主體地位與學習主動性在課程學習過程中均能夠得到有效地提升，即能保證良好的課程教學效果。
教師、學生、問題與環(huán)境等組成了探究式教學法的主要因素。探究式教學法將學生作為授課的主體，而教師主要起到啟發(fā)與指導學生的作用。學生在教師所提供資料的幫助與指導下能夠確立自身探究的目標與問題，找到探究問題的途徑與方案，并開展行之有效地探索與交流合作。教學初期找到并形成有意義的探究問題是探究式教學的核心任務之一。有探究意義的問題能夠激發(fā)學生的學習積極性與培養(yǎng)探索意識，學生能夠根據(jù)問題開展一些有價值的分析與設計，并在探索問題的過程中不斷進行思想碰撞、消除認知偏差并找到解決問題的思路，最終得到完整的思維訓練。環(huán)境也是探究式教學法中非常重要的因素，主要包括物理空間環(huán)境、知識環(huán)境及心理環(huán)境。圖書館、實驗室、教室、教學材料、教學設備等的位置分布、相互組合構成了物理空間環(huán)境。教師在課程教學開始之前及其教學過程中提供的各種課程資料、基礎知識和概念信息等構成了知識環(huán)境。心理環(huán)境則是教師在課程教學過程中利用各種形式調(diào)節(jié)學生的情緒，使學生的心理處于放松、愉悅與平靜的狀態(tài)，意在充分發(fā)揮學生潛力。
探究式教學法在課程教學實踐過程中具有非常重要的意義。第一，探究式教學法能夠加強學生團隊意識的培養(yǎng)。探究式教學支持師生與生生之間的互相批評與互助協(xié)作，以促進學生良好團隊意識的養(yǎng)成。第二，探究式教學法能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。探究式教學過程中所包含的學生主體地位、
探究性問題、教師引導和開放友好環(huán)境等因素，均有助于學生在課程學習過程中占據(jù)主動地位，并在探索問題的全階段能夠大膽自主地發(fā)現(xiàn)與分析問題、提出解題思路、進行質(zhì)疑與批判，最終突破既有思維形態(tài)的禁錮而勇敢創(chuàng)新。第三，探究式教學法能夠幫助學生往多元化方向發(fā)展。探究式教學鼓勵學生敢于競爭、主動表達與大膽探索，并對學生體現(xiàn)出的多樣性與差異性表示包容，且對學生在學習過程中表現(xiàn)出的不同階段與水平差異表示接納，有助于學生的多元化發(fā)展。
第四，探究式教學法能夠激發(fā)與鍛煉學生的自主學習能力。學生通過自由、主動、互助與相互競爭的思維訓練，有利于激發(fā)自身主動學習熱情并養(yǎng)成良好的自主學習習慣。
3、5E循環(huán)教學模式的應用
5E循環(huán)教學模式作為一種建構主義教學理論模式，同時隸屬于一種基本的探究式教學方法，其主要包含介入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）5個環(huán)節(jié)。為了將5E循環(huán)教學模式很好地融入到《電力電子技術》課程的教學過程中，并形成一種良好的閉環(huán)反饋機制，文章結合大學自動化專業(yè)的《電力電子技術》課程教學實際情況，分別對5E循環(huán)教學模式中的各個環(huán)節(jié)進行了有價值的探索與實踐。
3.1介入（Engagement）
《電力電子技術》課程的主要學習內(nèi)容——電力電子器件及其各類變換器的應用，已在風電、光伏等新能源發(fā)電領域得到廣泛應用。教師在課程的導論部分應鼓勵學生在結合已學相關課程理論知識的基礎上，充分挖掘身邊看到或接觸到的變換器應用典型案例，以提升學生的學習興趣與探究熱情。同時，教師向?qū)W生提供關于電力電子變換器的探究材料，并組織學生進行分析與討論。例如，自動化專業(yè)任課教師在講授關于直流-交流（DC-AC）變換電路這一部分內(nèi)容時，設計了“DC-AC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換的基本原理是什么”“實現(xiàn)的關鍵又是什么”“DC-AC變換電路與AC-DC變換電路具有相同的拓撲結構，為何能夠?qū)崿F(xiàn)DC與AC的相互轉(zhuǎn)換”“功率流的雙向流動與電路結構有何關系”等問題。利用類似的探索性問題實現(xiàn)課程介入，以激發(fā)學生的學習熱情。
3.2探究（Exploration）
5E循環(huán)教學模式的核心環(huán)節(jié)是探究，教師應根據(jù)教學過程中所提出的探究性問題引導學生進行探究式學習。例如，自動化專業(yè)任課教師在講授DC-AC變換器的基本原理及其應用這一知識點時，結合自身所指導的國家級大創(chuàng)項目“基于能源互聯(lián)網(wǎng)的風光儲多能互補發(fā)電系統(tǒng)”中所涉及的如何實現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定并網(wǎng)運行的技術問題，引導學生自主探索光伏發(fā)電的基本原理、DC-AC變換的物理實質(zhì)、PI閉環(huán)反饋控制與PWM調(diào)制策略等應用型問題，構建形如“應用中學習，學習中應用”的全流程探索學習模式，以提高學生的應用探究能力。
3.3解釋（Explanation）
5E循環(huán)教學模式的重要環(huán)節(jié)是解釋，要求學生對課程中涉及的知識點、概念與控制方法等的理解與認知程度進行分析與展示。例如，我校自動化教研室授課教師要求學生分析具有相同拓撲結構的DC-AC變換器與AC-DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)功率流雙向流動的根本原因，正是由于兩者具有相同的基于PI閉環(huán)矢量控制的電流內(nèi)環(huán)結構，故變換器的電流流向可根據(jù)電流給定的正、負值便能實現(xiàn)對給定電流值的無靜差跟蹤，即若電流給定為正值則實現(xiàn)DC-AC變換，而若電流給定為負值則實現(xiàn)AC-DC變換。兩者正是具有相同的拓撲結構與電流控制結構保證了功率流可雙向流動，而電流給定值的正負決定了電流的流向。
3.4遷移（Elaboration）
先前的學習會對當前的學習產(chǎn)生影響的現(xiàn)象，稱之為遷移。遷移教學法是教師利用“遷移規(guī)律”為新知識的理解發(fā)揮牽線搭橋的作用，并通過遷移實現(xiàn)已有知識在新知識學習中的鋪墊功能。在《電力電子技術》課程的學習過程中遷移可直接體現(xiàn)為教師引導學生將先前學過的《大學物理》《電路分析》《自動控制原理》等課程中所涉及的歐姆定律、基爾霍夫定律、疊加原理、二階系統(tǒng)響應等知識去學習各類變換器的運行控制與應用。例如，自動化專業(yè)任課教師將《自動控制原理》中學過的二階系統(tǒng)動態(tài)性能分析方法及其參數(shù)設計方法遷移到DC-AC變換器電流控制回路的PI控制參數(shù)整定中，并引導學生完成DC-AC變換器的電流環(huán)控制參數(shù)設計，以保證DC-AC變換器的輸出電流兼具優(yōu)良的動態(tài)響應性能與較小的超調(diào)量。
3.5評價（Evaluation）
評價是保證5E循環(huán)教學模式成功應用的關鍵所在，也是對學生學習情況進行考評的重要依據(jù)。為此，我校自動化專業(yè)教研室對《電力電子技術》課程的評價體系提出了改革優(yōu)化方案。具體而言，教研室打破已有以卷面成績?yōu)橹鞑⒁云綍r成績?yōu)檩o的簡單化評價模式，通過合理分配考試成績、實驗成績、考勤、5E循環(huán)教學模式各環(huán)節(jié)等方面的考評權重系數(shù)，并結合學生在介入、探究、解釋、遷移各環(huán)節(jié)中的參與程度、認知水平與應用層次等因素建立更為完善、客觀與公正的學生評價體系，以確保5E循環(huán)教學模式在課程教學過程中得到有效應用與實施。
4、結束語
為了解決《電力電子技術》課程在教學過程中存在的教學方法固化、教學內(nèi)容繁多、知識點繁雜、大班授課教學效果欠佳等問題，本文結合大學自動化專業(yè)的《電力電子技術》課程教學實際情況，提出了基于5E循環(huán)教學模式的探究式教學法。本文在分析了《電力電子技術》課程教學存在現(xiàn)狀和論述了探究式教學法理念及其意義的基礎上，重點對基于介入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）的5E循環(huán)教學模式在課程教學中的應用進行了探索與實踐，以期提升探究式教學法在課程中的應用效果并革新課程教學方法。