CDIO理念在電力電子技術(shù)課程中應(yīng)用
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摘要：“電力電子技術(shù)”是一門理論實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繁多，波形分析復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)形式抽象枯燥，學(xué)生投入度和互動性普遍不高。為進(jìn)一步改善教學(xué)形式和教學(xué)思路，本文引入cdio工程教育理念，結(jié)合實(shí)際工程案例的項(xiàng)目式驅(qū)動法，以及學(xué)習(xí)通平臺的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建“以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)工程應(yīng)用能力為核心”的課程體系。
關(guān)鍵詞：CDIO理念；電力電子技術(shù)；教學(xué)改革
1引言
“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動化、智能電網(wǎng)信息工程等電氣類專業(yè)非常重要的專業(yè)核心課程，主要教授電力電子器件、四大變流技術(shù)、PWM控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等內(nèi)容[1]。電力電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，幾乎涵蓋民生經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，是一門理論性、工程性與實(shí)踐性非常強(qiáng)的交叉學(xué)科。正因如此，如何加強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)教育，提高學(xué)生實(shí)際工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與滿足企業(yè)需求的專業(yè)技能人才，各高校已極為關(guān)注和重視。CDIO模式是一種在全球各國廣泛推行的工程教育模式[2]。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以項(xiàng)目驅(qū)動的方式主動學(xué)習(xí)[3]。將CDIO模式運(yùn)用到《電力電子技術(shù)》的理論教學(xué)中，優(yōu)化“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建“以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)工程應(yīng)用能力為核心”的課程體系。推行基于項(xiàng)目、基于問題、基于案例的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法，支持學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對接，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新精神具有重要的理論價(jià)值。引入CDIO模式，開發(fā)一系列與教學(xué)內(nèi)容高度契合的教學(xué)項(xiàng)目成為這門課程教學(xué)改革的一大重點(diǎn)。文華學(xué)院作為一所應(yīng)用型高校，大部分學(xué)生畢業(yè)后選擇就業(yè)，更注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。因此電力電子技術(shù)必須打破電路拓?fù)涮铠喪街v解的傳統(tǒng)教學(xué)模式，如何依據(jù)CDIO理念開展《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)、改革教學(xué)內(nèi)容、課程體系與教學(xué)方法都是值得我們探討的問題。
2現(xiàn)有教學(xué)中待改進(jìn)的問題
2.1傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)模式的改革
本文主要探索理論教學(xué)的變革，解決本課程內(nèi)容電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繁多，波形分析復(fù)雜，傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)抽象枯燥，學(xué)生投入度和互動性普遍不高，對拓?fù)渌烙浻脖?，對工作原理不求甚解的“痛點(diǎn)”問題。引入CDIO工程教育模式，并結(jié)合項(xiàng)目式和學(xué)習(xí)通線上教學(xué)的混合教學(xué)設(shè)計(jì)貫徹實(shí)施，將傳統(tǒng)的“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”，學(xué)生由被動灌輸變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)。采用CDIO工程教育模式鍛煉了學(xué)生的工程項(xiàng)目思維，提升了團(tuán)隊(duì)合作意識，為社會培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。
2.2教學(xué)設(shè)計(jì)過于死板，有待優(yōu)化改進(jìn)
本教學(xué)改革的對象為我校機(jī)電學(xué)部電氣專業(yè)及智能電網(wǎng)專業(yè)20～21級學(xué)生。為學(xué)生設(shè)計(jì)《電力電子技術(shù)》的工程項(xiàng)目案例，使理論知識得到實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與參與度，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力。課題成果能夠提高學(xué)生的成就感，對學(xué)生參加國內(nèi)相關(guān)學(xué)科競賽也有重要支撐作用，有利于提高學(xué)生在后續(xù)的求學(xué)、求職中的核心競爭力，為社會培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。以CDIO理念為理論指導(dǎo)，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向，分模塊展開知識點(diǎn)講解，優(yōu)化原有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱，豐富教學(xué)設(shè)計(jì)和改進(jìn)考核評價(jià)體系。從傳統(tǒng)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)轫?xiàng)目式教學(xué)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將知識點(diǎn)模塊化，以工程教育模式為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目方式驅(qū)動學(xué)習(xí)，巧妙融合理論課堂和工程應(yīng)用項(xiàng)目，在實(shí)踐中充分理解和鞏固理論知識。
2.3課堂氛圍沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下
學(xué)生首次接觸以波形分析為主要思路的電力工作原理過程，再加上單相三相，整流逆變等眾多類型的電路原理圖，本能上會出現(xiàn)畏難情緒。因此，傳統(tǒng)課堂講學(xué)極為出現(xiàn)教師滔滔不絕，學(xué)生安安靜靜的氛圍，為改善沉悶的課堂氣氛，可結(jié)合學(xué)習(xí)通線上平臺，靈活教學(xué)。線上發(fā)布任務(wù)，線下討論指導(dǎo)。利用學(xué)習(xí)通，發(fā)布討論，隨機(jī)選人，搶答等功能活躍課堂氣氛，增加趣味性和互動性。解決學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下的問題，往往出現(xiàn)搶答環(huán)節(jié)時(shí)，學(xué)生感覺緊張又刺激，能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，由被動接受變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。
3CDIO模式教學(xué)改革實(shí)施方案
3.1教學(xué)項(xiàng)目的選取與設(shè)計(jì)
對《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)項(xiàng)目的選取，首先從整體上分析該門課程的教學(xué)任務(wù)，確定整體的任務(wù)和目標(biāo)之后，再將核心知識點(diǎn)模塊化，并針對每一部分知識點(diǎn)選取合適的工程項(xiàng)目，或者小范圍的綜合性項(xiàng)目。項(xiàng)目選取的原則為難度適中，內(nèi)容高度契合理論內(nèi)容。然后對各項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的需求設(shè)計(jì)，以及理論知識點(diǎn)的設(shè)計(jì)，并將項(xiàng)目資源運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)反饋調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)項(xiàng)目。開發(fā)一系列與教學(xué)內(nèi)容高度契合的教學(xué)項(xiàng)目是這門課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。本次教學(xué)改革將根據(jù)電力電子的四大變流技術(shù)設(shè)計(jì)4個(gè)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行試點(diǎn)，由淺到深，由易到難，與專業(yè)緊密結(jié)合，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向結(jié)合學(xué)習(xí)通線上平臺，應(yīng)用于《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)的實(shí)施，切實(shí)提高教學(xué)效果。項(xiàng)目1：直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)項(xiàng)目2：矩形波單相逆變器的設(shè)計(jì)項(xiàng)目3：便攜式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)項(xiàng)目4：舞臺調(diào)光燈的設(shè)計(jì)
3.2CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)
為適應(yīng)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對原有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，制定以CDIO模式為基礎(chǔ)，項(xiàng)目式教學(xué)和線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，注重項(xiàng)目實(shí)踐，將理論知識與工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來。同時(shí)，在學(xué)習(xí)通線上平臺發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，組織學(xué)生分組討論，構(gòu)思設(shè)計(jì)，反饋交流。再通過傳統(tǒng)線下課堂圍繞案例展開知識點(diǎn)講解，指導(dǎo)項(xiàng)目疑難問題。實(shí)現(xiàn)以CDIO模式為基礎(chǔ)，項(xiàng)目式教學(xué)和線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自覺性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造性。同時(shí)線上的過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將形成科學(xué)有效的過程性評價(jià)及反饋，幫助教師完成評價(jià)考核以及進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)。下面以開關(guān)電源的項(xiàng)目為例，如圖1所示，展示基于CDIO理念的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)。該教學(xué)設(shè)計(jì)采取“三縱四橫”原則，主題是開關(guān)電源的項(xiàng)目式教學(xué)，以CDIO的工程思維為理論指導(dǎo)，采取傳統(tǒng)課堂和學(xué)習(xí)通平臺的線上線下混合教學(xué)方式推進(jìn)實(shí)施。開關(guān)電源為本課程第五章直流直流變換內(nèi)容。項(xiàng)目分為4個(gè)步驟：第一步，項(xiàng)目構(gòu)思。由教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容發(fā)布任務(wù)，學(xué)生分組討論，根據(jù)項(xiàng)目所涉及的章節(jié)知識點(diǎn)自學(xué)查閱，并構(gòu)思項(xiàng)目方案和項(xiàng)目需求。此步驟通過學(xué)習(xí)通線上發(fā)布。第二步，項(xiàng)目設(shè)計(jì)。教師圍繞知識點(diǎn)對項(xiàng)目做具體介紹，引導(dǎo)學(xué)生分組討論，并開始進(jìn)行具體的方案設(shè)計(jì)。此步驟在線上課堂完成。第三步，方案實(shí)現(xiàn)。學(xué)生借助學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件設(shè)施進(jìn)行方案驗(yàn)證，或者通過仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，同時(shí)教師可以指導(dǎo)和答疑解惑。此為最重要的過程，由學(xué)生在線下完成。第四步，項(xiàng)目驗(yàn)收。驗(yàn)收形式可以靈活多樣，可以通過學(xué)習(xí)通線上平臺上傳驗(yàn)證視頻及文檔報(bào)告，由學(xué)生相互學(xué)習(xí)評分，最后在線下課堂完成優(yōu)秀評選。
3.3學(xué)習(xí)通線上教學(xué)資源包設(shè)計(jì)
按照教學(xué)要求完成《電力電子技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)通線上教學(xué)資源包設(shè)計(jì)。配合項(xiàng)目式教學(xué)，開發(fā)制作完成線上配套的相關(guān)項(xiàng)目視頻資料、教學(xué)資源，課后練習(xí)，包括課件制作，章節(jié)測試題庫設(shè)計(jì)、討論題庫設(shè)計(jì)、小組討論內(nèi)容和形式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的“翻轉(zhuǎn)課堂”項(xiàng)目成果展示及交流平臺。我?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程位48學(xué)時(shí)，可根據(jù)課程章節(jié)安排，選取重要的知識點(diǎn)，學(xué)生分組PK，要求組內(nèi)分工合作，每個(gè)人都要負(fù)責(zé)相應(yīng)任務(wù)，可以選擇仿真，分解知識點(diǎn)講授，或者PPT制作，或者是現(xiàn)場板書等，確保全員都能參與。
3.4學(xué)情反饋，評價(jià)考核的制定
學(xué)習(xí)通線上平臺是一個(gè)很好的教學(xué)輔助工具，能夠提供課堂報(bào)告、學(xué)情統(tǒng)計(jì)、成績統(tǒng)計(jì)等信息，并以可視化圖表的形式反饋給老師，如簽到率，課堂表現(xiàn)TOP10，課堂選人回顧，章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)，綜合成績分布等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，老師對班級整體情況，甚至每位學(xué)生的詳細(xì)學(xué)習(xí)情況一目了然，老師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)情及時(shí)調(diào)整項(xiàng)目內(nèi)容及進(jìn)度安排，還可以針對不同掌握層次的學(xué)生發(fā)布不同的項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)行分層教學(xué)和個(gè)性化的一對一輔導(dǎo)，教師也可以根據(jù)反饋情況進(jìn)一步完善教學(xué)設(shè)計(jì)和考核評價(jià)。分組討論P(yáng)K后，最后全員一起投票推優(yōu)，提高學(xué)生參與感和成就感。引入線上學(xué)情反饋后，對綜合評價(jià)比例做出一定修訂，并進(jìn)一步細(xì)化過程評價(jià)內(nèi)容。
4教學(xué)改革目標(biāo)
4.1完善以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的教學(xué)大綱
《電力電子技術(shù)》現(xiàn)有教學(xué)大綱包含課程教學(xué)目標(biāo)，且已融入課程思政元素，但在教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排上，仍然以理論知識為主，輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，學(xué)生接觸到的還停留在考試層面，死記硬背層面，對知識的融匯貫通和實(shí)際應(yīng)用缺乏認(rèn)識。現(xiàn)有教學(xué)大綱總體來說可以滿足理論教學(xué)，在此基礎(chǔ)之上引入CDIO工程教育模式，在每個(gè)章節(jié)增加項(xiàng)目應(yīng)用，改革專業(yè)課教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提供以培養(yǎng)專業(yè)技能人才為目標(biāo)的教學(xué)大綱。
4.2混合式教學(xué)設(shè)計(jì)的改革創(chuàng)新
（1）從傳統(tǒng)教學(xué)到項(xiàng)目式教學(xué)。打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將知識點(diǎn)模塊化，以工程教育模式為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目方式驅(qū)動學(xué)習(xí)，巧妙融合理論課堂和工程應(yīng)用，在實(shí)踐中充分理解和鞏固理論知識。（2）從線下課堂到學(xué)習(xí)通線上平臺。除了傳統(tǒng)的線下課堂，還可以有機(jī)結(jié)合線上平臺，通過學(xué)習(xí)通線上發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)，組織分組實(shí)踐，線上討論交流，同時(shí)還可以利用學(xué)習(xí)通發(fā)布課件，微課，視頻，動畫，課件預(yù)習(xí)，章節(jié)測試等內(nèi)容，進(jìn)一步豐富和拓展線下教學(xué)，增加線下互動性及趣味性。把知識內(nèi)容多層次多角度展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生可以充分利用碎片時(shí)間自主自學(xué)。
4.3教學(xué)案例的設(shè)計(jì)與拓展
如項(xiàng)目預(yù)期效益較好，可進(jìn)一步豐富項(xiàng)目案例，如：三相橋式整流器的設(shè)計(jì)、SPWM逆變器的設(shè)計(jì)、變頻器的設(shè)計(jì)、UPS電源、光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器、車載220V逆變器設(shè)計(jì)、車載USB充電器設(shè)計(jì)等項(xiàng)目，以預(yù)防下屆學(xué)生重復(fù)利用上屆學(xué)生的成果及報(bào)告，同時(shí)由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新項(xiàng)目教學(xué)案例需要做到每屆更新和改進(jìn)。
4.4課題應(yīng)用價(jià)值的思考
隨著社會分工的細(xì)化以及對工科畢業(yè)生專業(yè)技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)將會得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。結(jié)合項(xiàng)目式驅(qū)動和學(xué)習(xí)通線上教學(xué)的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，可以思考推廣到較多工程應(yīng)用型較強(qiáng)的課程。該工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)可拓展應(yīng)用到電氣專業(yè)及機(jī)電學(xué)部其他實(shí)踐性較強(qiáng)課程的學(xué)習(xí)，如《電氣控制與PLC技術(shù)》、《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》等專業(yè)課，有利于學(xué)科交叉，資源共享。
5結(jié)語
目前“電力電子技術(shù)”課程還停留在理論教學(xué)的層面，工程實(shí)際應(yīng)用涉獵較少，學(xué)生的工程思維能力和實(shí)踐應(yīng)用能力稍有欠缺，與企業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用能力的需求有較大差距。因此，本課程教學(xué)改革采用CDIO工程教育模式鍛煉了學(xué)生的工程項(xiàng)目思維，提升了團(tuán)隊(duì)合作意識，為社會培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才[4]。相信隨著社會分工的細(xì)化以及對工科畢業(yè)生專業(yè)技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教學(xué)設(shè)計(jì)將會得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。
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作者:劉婷婷 聶菁 張新建 范娟 單位:文華學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)部