探究式教学在《电力电子技术》课程教学中应用

《电力电子技术》是一门将理论知识与应用实践紧密衔接的基础性课程，也是一门涵盖了电力、电子和控制三大学科领域的自动化、电气工程等本科专业的综合性课程。该课程具有教学内容繁多与知识点繁杂的特点，主要包括功率半导体器件及其应用、直流-直流（DC-DC）交换电路、直流-交流（DC-AC）变换电路、交流-直流（AC-DC）变换电路、交流-交流（AC-AC）变换电路、软开关变换器技术等。此外，《电力电子技术》课程内容具有学科交叉性强与应用领域广泛的特点，主要涉及电力系统、计算机、自动控制、电子器件、电机、电磁场等学科方向。此外，在新能源并网发电、智能电网、分布式微电网、电气传动、武器装备、交直流电源、智能家居等领域得到了广泛应用。教学上除考虑课程的系统性外，还需特别注意电力电子技术在电力工程中的应用。课程的教学目标定位较高，着眼于学生通过《电力电子技术》课程的学习，能够掌握各类电力电子变换器装置的拓扑结构、工作原理、控制方案与分析设计等应用技能，为毕业后从事相关领域的科研工作打下坚实基础。因此，《电力电子技术》课程的教学在学生知识体系构建、专业技能培养与实践创新能力养成等方面均具有十分重要的现实意义。
为了提升课程的教学效果，国内众多高校教师对《电力电子技术》课程教学方法进行了有意义的探索和实践。根据工程教育专业认证对《电力电子技术》课程的毕业要求指标点，提出了要优化考核方式、改革教学方法、调整教学内容、并构建持续性改进的反馈机制，以提高教学效果与学生的创新意识。在分析了基于创新创业教育理念的《电力电子技术》课程体系存在问题的基础上，重点研究了教学方法的创新与改革、教学目标与内容的优化、考试评价方式改革等方面，以加深创新创业理念在课程教学中的融合与衔接。在深入分析新工科背景下《电力电子技术》课程特点的基础上，提出了一种基于“SPOC+雨课堂”的混合式课堂教学方法，以保证混合式教学法在课程教学实践中取得良好的教学效果。提出了一种基于“以学生为中心”的教学理念和线上线下混合式教学模式，并建立知识传授、价值观塑造、能力培养三位一体的教学目标，探索《电力电子技术》课程教学与思政教育有效融合的途径，以实现育人和育才的相互统一。分析了现有专业基础课程教学方法与教材知识体系存在的局限性，构建了适用于应用型本科院校的《电力电子技术》及应用专业基础课程的知识体系并给出了相应的改革措施，以提升课程教学实践效果。
可见，《电力电子技术》课程的教学内容及其实践应用的复杂性与重要性对教学方法提出了更高的要求，其教学效果的好坏将直接影响学生创新实践能力的培养。鉴于此，本文结合大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，在分析了课程教学现状的基础上，主要对探究式教学法中基于介入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）的5E循环教学模式进行探索与实践，以期革新课程的教学方法，同时提升探究式教学法在课程教学过程中的应用效果。
1、课程教学现状的分析
《电力电子技术》课程作为自动化、电气工程的专业必修课，课程教学内容兼具较强的理论性与实践性、知识点之间兼具较强的衔接性与逻辑性、拓扑结构与理论分析紧密关联。课程教学过程中存在知识点繁多与课堂授课时间有限的矛盾，故存在以下问题。
1.1教学方法固化与学生参与度低
为了缓解《电力电子技术》课程教学内容繁多与授课课时有限的冲突，部分授课老师通常采用以教师为教学主体的单向式、固化式教学方法，即教师在课堂绝大部分时间内都是以讲授知识点为主，学生只能被动地、填鸭式接受理论知识，而对知识点的理解与应用缺乏相应的指导，导致学生无法主动参与到课堂教学过程当中去，易使学生产生厌学与消极应付的学习情绪。
1.2采用大班授课的方式造成课程教学效果欠佳
《电力电子技术》课程作为专业必修课，通常将整个专业的学生作为一个教学单位组成一个独立的授课班级。同一专业所包含的学生人数通常较多，使得授课班级的学生人数众多，造成教师在课堂教学过程中无法兼顾每一位学生的听课情况与学习效果。这种大班授课模式也会降低师生、生生之间交流互动的有效性，教师无法全盘了解学生对知识点的掌握程度，学生对知识的理解与应用水平也会良莠不齐，导致课程的教学效果难以达到课程教学大纲所设定的教学目标。
1.3课程知识点难以与其他专业课程形成良好衔接
《电力电子技术》作为一门自动化、电气工程等专业的基础课，课程所讲授的内容往往是后续所选专业必修课或专业毕业实习的基础，但是由于在课程教学过程中往往只注重本课程所包含知识点的讲授，而对知识点的理解与应用缺乏进一步的扩展和延伸，使得学生无法将课程所学过的知识点与其他专业课程知识的学习与应用紧密衔接在一起，亦难以将本专业所包含的知识内容构建成一个完整的知识体系。
因此，迫切需要对《电力电子技术》课程的教学方法进行有益的探索与实践，以解决课程教学所面临的问题。
2、探究式教学法的理念及其意义
探究式教学法，又可称为研究法、发现法、“做中学”，是指学生在学习课程知识的概念与原理时，老师只需为学生提供一些问题与事例，让学生自己通过观察、阅读、思考、实验、听讲、讨论等方式进行主动探究，自行认识、理解并掌握隐含的原理与结论的一种教学方法。该方法的指导思想是：在教师的引导下，将学生作为主体，让学生积极地、自觉地探索，发现分析与解决问题的技巧与方法，探寻客观事物所包含的物理属性，厘清事物发展的前因后果与内部联系，从中找出并总结规律，构建概念与意识形态，形成自己的认知架构与学习方法。因此，学生在基于探究式教学法的教学机制下，其自身的主体地位与学习主动性在课程学习过程中均能够得到有效地提升，即能保证良好的课程教学效果。
教师、学生、问题与环境等组成了探究式教学法的主要因素。探究式教学法将学生作为授课的主体，而教师主要起到启发与指导学生的作用。学生在教师所提供资料的帮助与指导下能够确立自身探究的目标与问题，找到探究问题的途径与方案，并开展行之有效地探索与交流合作。教学初期找到并形成有意义的探究问题是探究式教学的核心任务之一。有探究意义的问题能够激发学生的学习积极性与培养探索意识，学生能够根据问题开展一些有价值的分析与设计，并在探索问题的过程中不断进行思想碰撞、消除认知偏差并找到解决问题的思路，最终得到完整的思维训练。环境也是探究式教学法中非常重要的因素，主要包括物理空间环境、知识环境及心理环境。图书馆、实验室、教室、教学材料、教学设备等的位置分布、相互组合构成了物理空间环境。教师在课程教学开始之前及其教学过程中提供的各种课程资料、基础知识和概念信息等构成了知识环境。心理环境则是教师在课程教学过程中利用各种形式调节学生的情绪，使学生的心理处于放松、愉悦与平静的状态，意在充分发挥学生潜力。
探究式教学法在课程教学实践过程中具有非常重要的意义。第一，探究式教学法能够加强学生团队意识的培养。探究式教学支持师生与生生之间的互相批评与互助协作，以促进学生良好团队意识的养成。第二，探究式教学法能够激发学生的创新意识。探究式教学过程中所包含的学生主体地位、
探究性问题、教师引导和开放友好环境等因素，均有助于学生在课程学习过程中占据主动地位，并在探索问题的全阶段能够大胆自主地发现与分析问题、提出解题思路、进行质疑与批判，最终突破既有思维形态的禁锢而勇敢创新。第三，探究式教学法能够帮助学生往多元化方向发展。探究式教学鼓励学生敢于竞争、主动表达与大胆探索，并对学生体现出的多样性与差异性表示包容，且对学生在学习过程中表现出的不同阶段与水平差异表示接纳，有助于学生的多元化发展。
第四，探究式教学法能够激发与锻炼学生的自主学习能力。学生通过自由、主动、互助与相互竞争的思维训练，有利于激发自身主动学习热情并养成良好的自主学习习惯。
3、5E循环教学模式的应用
5E循环教学模式作为一种建构主义教学理论模式，同时隶属于一种基本的探究式教学方法，其主要包含介入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）5个环节。为了将5E循环教学模式很好地融入到《电力电子技术》课程的教学过程中，并形成一种良好的闭环反馈机制，文章结合大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，分别对5E循环教学模式中的各个环节进行了有价值的探索与实践。
3.1介入（Engagement）
《电力电子技术》课程的主要学习内容——电力电子器件及其各类变换器的应用，已在风电、光伏等新能源发电领域得到广泛应用。教师在课程的导论部分应鼓励学生在结合已学相关课程理论知识的基础上，充分挖掘身边看到或接触到的变换器应用典型案例，以提升学生的学习兴趣与探究热情。同时，教师向学生提供关于电力电子变换器的探究材料，并组织学生进行分析与讨论。例如，自动化专业任课教师在讲授关于直流-交流（DC-AC）变换电路这一部分内容时，设计了“DC-AC变换器能够实现DC-AC转换的基本原理是什么”“实现的关键又是什么”“DC-AC变换电路与AC-DC变换电路具有相同的拓扑结构，为何能够实现DC与AC的相互转换”“功率流的双向流动与电路结构有何关系”等问题。利用类似的探索性问题实现课程介入，以激发学生的学习热情。
3.2探究（Exploration）
5E循环教学模式的核心环节是探究，教师应根据教学过程中所提出的探究性问题引导学生进行探究式学习。例如，自动化专业任课教师在讲授DC-AC变换器的基本原理及其应用这一知识点时，结合自身所指导的国家级大创项目“基于能源互联网的风光储多能互补发电系统”中所涉及的如何实现光伏并网逆变器稳定并网运行的技术问题，引导学生自主探索光伏发电的基本原理、DC-AC变换的物理实质、PI闭环反馈控制与PWM调制策略等应用型问题，构建形如“应用中学习，学习中应用”的全流程探索学习模式，以提高学生的应用探究能力。
3.3解释（Explanation）
5E循环教学模式的重要环节是解释，要求学生对课程中涉及的知识点、概念与控制方法等的理解与认知程度进行分析与展示。例如，我校自动化教研室授课教师要求学生分析具有相同拓扑结构的DC-AC变换器与AC-DC变换器能够实现功率流双向流动的根本原因，正是由于两者具有相同的基于PI闭环矢量控制的电流内环结构，故变换器的电流流向可根据电流给定的正、负值便能实现对给定电流值的无静差跟踪，即若电流给定为正值则实现DC-AC变换，而若电流给定为负值则实现AC-DC变换。两者正是具有相同的拓扑结构与电流控制结构保证了功率流可双向流动，而电流给定值的正负决定了电流的流向。
3.4迁移（Elaboration）
先前的学习会对当前的学习产生影响的现象，称之为迁移。迁移教学法是教师利用“迁移规律”为新知识的理解发挥牵线搭桥的作用，并通过迁移实现已有知识在新知识学习中的铺垫功能。在《电力电子技术》课程的学习过程中迁移可直接体现为教师引导学生将先前学过的《大学物理》《电路分析》《自动控制原理》等课程中所涉及的欧姆定律、基尔霍夫定律、叠加原理、二阶系统响应等知识去学习各类变换器的运行控制与应用。例如，自动化专业任课教师将《自动控制原理》中学过的二阶系统动态性能分析方法及其参数设计方法迁移到DC-AC变换器电流控制回路的PI控制参数整定中，并引导学生完成DC-AC变换器的电流环控制参数设计，以保证DC-AC变换器的输出电流兼具优良的动态响应性能与较小的超调量。
3.5评价（Evaluation）
评价是保证5E循环教学模式成功应用的关键所在，也是对学生学习情况进行考评的重要依据。为此，我校自动化专业教研室对《电力电子技术》课程的评价体系提出了改革优化方案。具体而言，教研室打破已有以卷面成绩为主并以平时成绩为辅的简单化评价模式，通过合理分配考试成绩、实验成绩、考勤、5E循环教学模式各环节等方面的考评权重系数，并结合学生在介入、探究、解释、迁移各环节中的参与程度、认知水平与应用层次等因素建立更为完善、客观与公正的学生评价体系，以确保5E循环教学模式在课程教学过程中得到有效应用与实施。
4、结束语
为了解决《电力电子技术》课程在教学过程中存在的教学方法固化、教学内容繁多、知识点繁杂、大班授课教学效果欠佳等问题，本文结合大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，提出了基于5E循环教学模式的探究式教学法。本文在分析了《电力电子技术》课程教学存在现状和论述了探究式教学法理念及其意义的基础上，重点对基于介入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）的5E循环教学模式在课程教学中的应用进行了探索与实践，以期提升探究式教学法在课程中的应用效果并革新课程教学方法。