《电力电子技术》教学模式改革的探索与实践

《电力电子技术》是电气工程、自动化或其他本科专业的一门横跨电力、电子与控制三个领域的综合性课程，也是一门理论与工程实践紧密结合的基础性课程。目前，电力电子技术已经对国内众多工程技术领域和能源行业起到关键性的作用，特别是对于实现“2030碳高峰、2060碳中和”的双碳目标、“高比例可再生能源、高比例电力电子设备”的双高电力系统构建、全球能源互联网建设等能源战略具有巨大的影响力。在力争实现“3060双碳目标”的背景下，以光伏发电系统、风力发电系统与新能源汽车为主的新能源行业具有广阔的发展前景，也助推了电力电子技术的广泛应用。例如，光伏发电系统中的组串式光伏并网逆变器、集中式光伏并网逆变器、辅助控制电源等的组成和应用都与电力电子技术密切相关；风力发电系统中的电网侧变流器、发电机侧变流器、变桨距控制器等的设计与运行均以电力电子技术为基础；电动汽车中的储能电池、电机驱动设备、能量回收装置等控制与应用均将电力电子技术作为载体。总之，“3060双碳目标”达成、双高电力系统构建与全球能源互联网建设等国家能源发展战略均离不开电力电子技术。
《电力电子技术》课程始终坚持“相关课程协调统一”和“实践与发展统一、传承与创新统一”的教学内容发展观。
目前，国内众多高校均能有机融合自身办学条件与办学特色，对各自《电力电子技术》课程的教学模式进行改革。
以自动化专业的《电力电子技术》课程为例，对“教—赛—研三位一体”的教学模式进行了探索与实践，并在课程的教学实践效果上取得了提升。大学自动化专业学生参与电力电子技术类创新创业训练项目的实际情况为例，对《电力电子技术》课程的教学内容、教学方法与考核模式三个方面的改革进行了探索与实践，以培养适应国家建设需要的“双创”型专业人才。从《电力电子技术》讲课方式的多样性、课程知识点的更新、线上教学的组织以及竞赛、科研项目的补充等方面，全面探讨了学生分析与解决工程技术问题能力提升的具体决策。
提出了将工程教育专业认证的核心理念与CDIO的教学模式引入到《电力电子技术》课程教学中的课程教学改革方案，以弥补传统教学方法所存在的缺陷并提升课程教学水平。提出了一种全新的基于“理论教学—案例分析—实践教学”的教学理念，即将案例分析环节加入到《电力电子技术》课程的理论教学与实践教学中，以充分发挥案例分析的缓冲和桥梁作用，提高学生应用专业知识和分析问题的能力。
《电力电子技术》作为自动化、电气工程等相关专业的重要专业基础课，其教学的好坏将会直接影响后续专业课程的教学质量，且在一定程度上对学生实践能力与创新能力的培养产生影响。因此，对该课程教学模式改革进行有益的探索与实践具有重要的现实意义。鉴于此，自动化专业的《电力电子技术》课程教学实践经验，在分析了传统教学模式特点的基础上，重点从教学理念、能力培养、评价体系三个方面对课程教学模式改革进行探索和实践，以提升教学效果。
1、传统教学模式特点的分析
传统的《电力电子技术》教学模式总体上是以授课老师和教材为课程教学的主体，而学生则习惯于课程的课堂教学并对教材所列内容产生过度依赖。因此，基于传统的课程教学模式，《电力电子技术》课程教学模式在新时代发展与新技术需求背景下衍生出以下四个方面的不足。
第一，教学模式与教学定位需要改革。课程的教学模式需要转变，将以授课老师为教学主体的单向式、单一式教学模式转变成以学生为核心的主动式、引导式教学模式，即可将知识覆盖面从教室、教材所涵盖的有限知识空间扩展到课外、科研项目所涉及的探索性知识范畴中，使得学生的学习积极性与主动性得到有效激发。此外，课程的教学定位需要革新，即需要将侧重于专业知识点传授的传统教学定位，转移到注重学生实践能力与工程应用技能方面的培养。
第二，教学内容需要改革。《电力电子技术》课程教学的内容通常拘泥于所选授课教材所列知识点、并强调理论知识讲授而忽略新兴技术知识的补充。随着现代电力电子技术的快速发展，高性能新型半导体器件、新型电路拓扑结构及其高新工业应用领域也应时而生。例如，传统教材的基础器件部分将电力电子器件及其应用内容分成有源和无源器件两部分，而并未涉及兴新出现的高性能SiC、GaN等新型宽襟带半导体器件相关内容的介绍，且类似的现象不胜枚举。
第三，教学方法需要改革。传统课程教学方法主要强调“课堂理论教学＋实验室验证实验＋课后课程设计”的教学过程，即将教师课堂理论授课作为教学核心，并对课程的实践性、技术性与应用性关注不够，使得学生成为被动甚至为了应付实验或课程设计而被迫接受理论知识的对象，导致学生学习的主动性与积极性降低，进而降低了课程授课的效果。
第四，教学目标需要改革。传统教学目标通常存在与地方产业转型和经济发展升级相互脱节的现象。《电力电子技术》课程教学目标的定位需结合高校自身办学特色，着眼于服务并推动地区经济发展与产业的转型升级。响应国家双碳战略发展目标，并充分利用自身的自然条件大力发展光伏发电和陆上风电，并逐步扩展海上光伏发电与风电，而以电力电子技术为核心的光伏与风电的大力发展也助力了能源体系向“清洁＋绿色”的方向转型升级。
为了解决传统教学模式存在的主要问题，自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，下面重点针对课程教学模式的教学理念、能力培养与评价体系三个方面的实践经验给出具体的改革建议。
2、教学模式之教学理念改革
韩愈有云：“师者，所以传道、授业、解惑也。”课程教学的主要任务之一是完成专业知识的传授，但在新时代背景下如果教师只注重教学大纲理论知识的传道，而忽视学生实践能力与创新能力的培养，对专业知识的授业与解惑在真正意义上是难以实现的。因此，对于《电力电子技术》课程教学理念的改革，重点可从以下四个方面着手。
第一，需重视教书与育人的有机融合。传统《电力电子技术》课程的教学模式、教学定位均与3060双碳发展战略、双高电力系统建设规划及全球能源互联网构建等所需要的电力电子技术专业人才的培养目标相互脱节。为此，自动化教研室对《电力电子技术》课程的教学定位进行了重新规划，要求授课老师在注重理论知识传道的基础上，更需关注学生在动手实践和工程应用能力方面的引导与培养，实现教书和育人两者的有机结合与相互统一。
第二，需进行教学内容的优化改革。目前学生所使用的《电力电子技术》教材对新器件、新技术及其应用等部分的内容均较少涉及，无法满足能源战略发展规划新形势下的教学需求。为此，自动化教研室主动在课程教学内容上实行优化改革。具体而言，该专业在教学内容里补充了SiC、GaN等新型器件、高增益DC-DC变换器、多电平DC-DC变换器、多重DC-AC逆变器、LLC电路实现软开关控制等内容，以丰富课程教学的知识体系并拓宽学生的认知视野。
第三，需进行教学方法的改革升级。为了突破传统课程教学方法存在的授课过程单一和教学效果欠佳的局限，自动化专业对《电力电子技术》课程教学方法进行了改革升级。本专业提出并实行“以学生为中心、理解、分析与实践逐层深入”的自主学习教学方法。在课程教学的过程中，老师以问题为导向引导学生自主学习，锻炼学生发现、分析与解决问题的能力。同时，采用理论授课和实验验证相融合的教学方法训练与培养学生分析问题与实践应用的能力。
第四，需注重课程教学与地方产业相互衔接。为了解决课程教学与地方产业发展相互脱节的问题，自动化专业在《电力电子技术》课程教学过程中重视教学内容与地方产业发展的衔接。具体而言，在重视DC-DC、DC-AC与AC-DC等变换器的拓扑结构、工作原理等知识点的理论分析与公式推导的基础上，利用典型工程案例重点分析了DC-DC与DC-AC变换器在光伏发电与风力发电领域应用的成功经验与工作机理，以顺应地方产业转型与经济发展。
3、教学模式之能力培养改革
对于《电力电子技术》课程教学模式的改革，还需重视能力培养方面的探索与实践。能力培养主要包括实践能力与创新能力，故重点可以从以下三个方面进行改革优化。
第一，利用竞赛式教学新模式促进能力培养。为了适应2019年教育部提出的“加强学生理性参加竞赛，努力达到以赛促教、以赛促学的教学效果”教学新需求，自动化专业提出利用竞赛式教学新模式促进学生能力培养的教学方法。具体而言，将近几年全国大学生电子设计大赛给出的开关电源模块并联供电系统、电池储能双向DC/DC变换器、微电网模拟系统等赛事题目，与课程教学相关知识点进行相互融合，构建成一个理论与实践紧密联系的知识体系，以深化课程知识层次并激发学生的实践能力与创新能力。
第二，利用项目式教学新模式助力能力培养。项目式教学模式有助于提升学生的知识应用能力、学习主动性与积极性。自动化专业学生在参与基于能源互联网的风光储多能互补发电系统、便携式微型示波器等大学生创新训练项目的过程中，可对项目开发全过程所应用的DC/DC变换器、DC/AC逆变器、SVPWM调制策略等课程知识进行更深层次的加工理解与实践应用，形成基于“应用中学习，学习中应用”的全流程培养模式，以提升学生的应用创新能力。
第三，利用科研式教学新模式推动能力培养。授课教师应根据自身承担的科研项目所包含的重要知识点对学生进行典型性与示范性教学，以加强课程理论知识与科研创新实践之间的交叉渗透，并促进学生实践创新能力的养成。自动化专业教师将自身承担的虚拟同步发电机技术及其在多能互补微电网中的应用研究、光储系统的虚拟惯量与智能协同控制的研究等纵向科研项目所涉及的DC/AC储能变换器组网系统这一大的知识体系细分为DC/AC拓扑结构、电压与电流闭环矢量控制、SVPWM调制等具体的小知识点，并结合自身教学资源对各个知识点进行模块化与示范化教学，以增强学生的应用探索能力与实践创新意识。
4、教学模式之评价体系改革
传统的课程教学评价体系绝大多数是将学生作为考评的对象，而较少将授课教师作为评价对象，故本文所涉及的评价体系改革是以教师为主体的。通常对教学模式进行质量考评的目的是为了提升课程的教学水平和教学质量，力求将学生培养成德智体全面发展的高素质专业人才。值得指出的是，传统课程教学模式评价的出发点在于教师的教学大纲撰写、教学方案设计、专业知识点讲授、授课PPT与课堂板书是否规范等层面，而往往会忽视《电力电子技术》课程在教学过程中对学生的知识形态构成、专业技能培养与应用创新潜力激发等素质养成方面的合理性与公允性教学评价。
为了解决上述问题，目前广泛采用了教学督导组评教、同行线下交叉听课评教、同行线上评教、学生网上实名评教等多元立体化教师考评方式。
然而，综合前几年自动化专业《电力电子技术》课程的学生网上评教结果可发现一些普遍现象，即考试分数低的学生给出的评教成绩通常较低，而考试分数高的学生给出的评教分数较高；对学生要求相对严格的授课老师得到的学生评教分数相对较低；与授课老师熟悉并担任班干部的学生给出的评教分数较高等情形。另外，自动化教研室在统计近些年教师同行相互评教的结果也发现了一些不良评教现象，即同一个教研室的老师给出的同行评教成绩通常较高、私下关系较好教师之间的评教成绩偏高、平时接触较少且跨教研室的教师通常给出表面化的评教结果、个别教师甚至在未参加线下课堂听课的情况下即打出应付性评教成绩等同行评教结果与实际教学开展情况相互脱离的情形，导致同行评教失去了权威性、公平性，也无法达到同行之间相互监督、共同提升的目的。
5、结束语
为了解决《电力电子技术》课程在教学过程中所存在的教学模式陈旧、教学内容与学生素质培养脱节、学生学习缺乏积极性与动力不足等问题，自动化专业的《电力电子技术》课程教学实践经验，提出了课程教学模式改革方案。本文在分析了传统教学模式特点的基础上，重点从教学理念、能力培养、评价体系三个方面对《电力电子技术》课程教学模式改革进行了有益的探索与实践，以期进一步提升课程教学效果。