張瑩文， 劉亞琳， 王賢立， 門三義， 陳 菲

(洛陽師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471934)

0 引言

“開關(guān)電源原理與設(shè)計”屬于電氣工程及其自動化專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，是電力電子與電力傳動方向的專業(yè)核心課程。凡是在使用電源的裝置和設(shè)備中，開關(guān)電源都有用武之地，從民用電器到工業(yè)設(shè)備及軍事裝備等各個領(lǐng)域，開關(guān)電源的應(yīng)用無處不在[1～3]。

“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程不但涉及到繁復(fù)的系統(tǒng)理論推導(dǎo)分析，而且工程實踐性很強。我院在本課程開設(shè)過程中積極探索，勇于創(chuàng)新，從理論到實踐全面開展教學(xué)改革研究。

1 課程教學(xué)問題分析

隨著社會進步，應(yīng)用型高校數(shù)量逐漸增多，如何提升應(yīng)用型高校的人才培養(yǎng)質(zhì)量成為一個關(guān)鍵問題[5]。作為電氣工程及其自動化專業(yè)的方向限選課，“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程在培養(yǎng)電力電子與電力傳動方向的人才中起著重要作用。

人才培養(yǎng)應(yīng)以職業(yè)需求為導(dǎo)向[4]，但在“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，存在著諸多問題。教師上課時只是進行純理論講解和一大堆公式的推演，滿堂灌痕跡嚴(yán)重，課堂教學(xué)效果不好，學(xué)生參與度低，易走神，課后學(xué)生頂多做做習(xí)題，甚至沒有習(xí)題，這就造成一種“平時玩樂課堂，期末臨時抱佛腳”的局面。教育部部長陳寶生曾表示，中國教育“玩命的中學(xué)、快樂的大學(xué)”的現(xiàn)象應(yīng)該扭轉(zhuǎn)[6]。

歸結(jié)起來為：教學(xué)手段陳舊、實踐實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)缺失、教學(xué)質(zhì)量考核方式死板，是這門課程教學(xué)中存在的問題。

2 課程教學(xué)改革關(guān)鍵要素及實施

基于上述分析，我院的“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的教學(xué)改革主要體現(xiàn)在教學(xué)方式、實踐實訓(xùn)和教學(xué)質(zhì)量考核三個方面。在教學(xué)方式上加入雨課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；在理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上增設(shè)實踐實訓(xùn)課程，分為兩方面，一是基于Saber平臺的開關(guān)電源仿真，二是增設(shè)數(shù)字化控制的研究型實驗，通過實踐實訓(xùn)課程加深學(xué)生對開關(guān)電源理論知識的理解，并提升分析解決問題能力。教學(xué)質(zhì)量考核方面，在傳統(tǒng)期末考試基礎(chǔ)上增加制作實物的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，提升學(xué)生內(nèi)化知識和應(yīng)用知識的能力，并利用雨課堂提升考核時過程性評價的比重。

2.1 雨課堂

雨課堂是清華大學(xué)推出的基于互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的智慧教學(xué)工具，其軟件界面全部基于微信和PPT，具有5大功能要點，目前已在各高校大力推廣[7,8]。

“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程在教學(xué)過程中采用雨課堂，使學(xué)習(xí)過程新鮮有趣，圖1是“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的雨課堂教學(xué)手機界面。使用雨課堂具體如下，課前通過雨課堂推送相關(guān)知識點的小視頻、學(xué)科前沿資料等，并向?qū)W生提出思考問題，促使學(xué)生提前預(yù)習(xí)，這樣課堂時間朝著課外延伸。課堂上進行知識點講解，并利用雨課堂與學(xué)生互動，如學(xué)生發(fā)彈幕、雨課堂問題搶答、PPT“不懂”反饋等，充分調(diào)動學(xué)生的課堂熱情，大大提升學(xué)生課堂參與度。課后發(fā)布習(xí)題和小測試，便于學(xué)生鞏固復(fù)習(xí)，掌握重點內(nèi)容，同時可以根據(jù)小測試統(tǒng)計學(xué)生對知識的掌握情況，以便及時調(diào)整授課內(nèi)容和授課進度。

圖1 “開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的雨課堂手機界面

另外，在整個雨課堂的教學(xué)過程中會自動采集每個學(xué)生的所有學(xué)習(xí)行為，并對數(shù)據(jù)進行量化。雨課堂量化的數(shù)據(jù)結(jié)果可以作為教學(xué)質(zhì)量考核的一部分，從而提升期末考核的過程性評價比重。

2.2 實踐實訓(xùn)課程

純理論學(xué)習(xí)枯燥無味，教學(xué)效果欠佳，而需要動手操作的實踐實訓(xùn)則能激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣，實踐實訓(xùn)課程是整個教學(xué)體系的一個重要組成部分，對培養(yǎng)大學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力發(fā)揮著巨大作用，為他們今后從事技術(shù)工作、科研工作等奠定基礎(chǔ)[10]。

“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程則開設(shè)了獨立的36課時的實踐實訓(xùn)課程，包括仿真和研究型實驗，從而增強學(xué)生動手能力和實踐能力，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。

1) 基于Saber的開關(guān)電源仿真

Saber是Synopsys公司的一款可用于多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真軟件，相較于Matlab和Pspice更適用于開關(guān)電源仿真[11]。

以單端反激變換器為例，具體仿真如下：

首先基于Saber Sketch界面搭建原理圖，并進行電路元器件的參數(shù)計算和設(shè)置，最后運行和調(diào)試仿真模型。圖2是在Saber Sketch 界面搭建的原理圖，其中變壓器原邊、開關(guān)管和直流400V電源組成反激變換器主電路一次側(cè)，變換器二次側(cè)包括變壓器次邊、整流二極管、穩(wěn)壓濾波電容和負(fù)載電阻，而并在變壓器原邊的二極管D1、電容C1和電阻R1三個元器件則組成了Snubber吸收電路。

圖2 Saber Sketch 界面原理圖搭建

然后，在Cosmos Scope界面查看仿真結(jié)果波形并進行數(shù)據(jù)分析。圖3是基于Cosmos Scope界面的仿真結(jié)果，分別為反激變換器輸出電壓Vo、輸入電壓Vin、開關(guān)管驅(qū)動信號波形Vgs和兩端壓降Vds。

(a) 輸出電壓Vo、輸入電壓Vin

通過Saber平臺對全橋變換器進行仿真，一方面加深對其工作原理的認(rèn)識，同時還便于探討和分析當(dāng)改變開關(guān)管占空比和變壓器變比等參數(shù)時反激換器的狀態(tài)變化，比如如何減小輸出電壓的紋波等，另一方面在仿真中拓寬學(xué)生專業(yè)知識面，比如認(rèn)識這里的Snubber電路，分析比較加入Snubber電路時和未加入時反激變換器的工作狀態(tài)異同等，從而提升學(xué)生對問題的分析和解決能力。

2) 數(shù)字化控制研究型實驗

傳統(tǒng)的實驗課程通常采用“三定式”實驗教學(xué)，即按照規(guī)定好的實驗路線和步驟，使用規(guī)定的儀器儀表，在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗，這極大地限制了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造能力[10]。

一門好的“金課”應(yīng)體現(xiàn)出學(xué)科前沿性[9],“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程則開設(shè)了數(shù)字化控制的研究型實驗。在實驗過程中，緊跟最前沿的數(shù)字化控制技術(shù)，采用DSP控制芯片TMS320F28335，基于CCS編程平臺編寫控制程序，并在開關(guān)電源變換器運行過程中通過CCS平臺對實驗過程進行實時監(jiān)測和分析。同時在實現(xiàn)數(shù)字化控制的過程中，學(xué)生能夠通過CCS平臺更改控制程序來調(diào)節(jié)不同的研究參數(shù)，觀察并記錄相應(yīng)的實驗現(xiàn)象，從而達到對開關(guān)電源進行分析和研究的目的。

圖4是以全橋變換器為例的CCS編程界面，里面包括主程序、AD采樣計算程序和中斷程序等，學(xué)生在編程過程中還鞏固復(fù)習(xí)了DSP的相關(guān)知識，并提高其邏輯組織的分析能力。

圖4 CCS編程界面

圖5是開關(guān)電源數(shù)字化控制實驗箱，其中白色盒子為隔離型仿真器，是軟硬件實現(xiàn)通信的橋梁。相較于傳統(tǒng)實驗儀器，該實驗箱的設(shè)計采用模塊化和組合式, 在結(jié)構(gòu)上緊湊, 并且隨著功能的擴展可以增加相應(yīng)的單元模塊，使用時方便靈活。

圖5 開關(guān)電源數(shù)字化控制實驗箱

相較于常見的傳統(tǒng)驗證性實驗，“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的研究型實驗采用了數(shù)字化控制，具有靈活性高、可配置性高等優(yōu)勢，并且可以實時監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，便于學(xué)生進行分析和研究，極大地打破了驗證性實驗的局限性。

2.3 教學(xué)質(zhì)量考核

傳統(tǒng)考核方式較為死板，一般就包括平時點名、作業(yè)和期末考試三部分，而且通常期末所占比重過高，過程性評價難以體現(xiàn)。改革后的“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的考核除具有以上環(huán)節(jié)，另外加入制作實物的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，即在學(xué)期末，每位學(xué)生選擇某一拓?fù)涞拈_關(guān)電源變換器進行設(shè)計，包括電路分析計算、繪制PCB板，元器件的焊接，系統(tǒng)調(diào)試等，并在最后提交一份課程設(shè)計報告，這整個過程需要把理論知識、動手能力和分析解決問題能力有機結(jié)合起來，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力。

“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的實物制作課程設(shè)計環(huán)節(jié)的加入，基于雨課堂的教學(xué)過程性數(shù)據(jù)的添加，以及實踐實訓(xùn)環(huán)節(jié)的增設(shè)，都提升了“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的過程性評價在質(zhì)量考核中的比重。最終教學(xué)質(zhì)量考核比例分配如圖6所示，其中雨課堂數(shù)據(jù)包括平時出勤、作業(yè)情況、平時小測試和課堂表現(xiàn)情況等，從中可以看出期末考試僅占35%，這打破了學(xué)生全憑期末考試及格拿學(xué)分的尷尬局面，提升了過程性評價權(quán)重，對學(xué)生能力起到綜合考察的作用。

圖6 教學(xué)質(zhì)量考核權(quán)重分配

3 結(jié)語

基于電力電子技術(shù)的開關(guān)電源是電源技術(shù)的核心，“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程在培養(yǎng)電源技術(shù)人才中擔(dān)任關(guān)鍵角色。在“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的教學(xué)改革過程中，采用了雨課堂教學(xué)手段提高了學(xué)生的課堂參與度，使課堂外延，擴寬了理論知識的傳授面；分別從仿真和研究型實驗兩方面增設(shè)了獨立的實踐實訓(xùn)課程，加深了對知識的理解，提升了學(xué)生動手實踐能力和知識運用能力；并在教學(xué)質(zhì)量考核過程中加入制作實物的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，綜合了理論知識和實踐經(jīng)驗，達到學(xué)以致用、研究創(chuàng)新的目的。圖7是“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的體系架構(gòu)，以理論知識為根基，構(gòu)建起承上啟下的實踐實訓(xùn)課程，最后頂端是制作實物的課程設(shè)計，自上而下形成穩(wěn)固的金字塔。

圖7 課程的體系架構(gòu)

“開關(guān)電源原理與設(shè)計”課程的教學(xué)改革已進行了一年半，2016、2017級電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)生分別于2018-2019-1、2019-2020-1學(xué)期完成本課程的學(xué)習(xí)、實踐和課程設(shè)計，一步步提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、動手實踐能力和分析研究問題能力，基本達到學(xué)習(xí)的預(yù)期效果，同時培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，使學(xué)生勇于克服困難，增強學(xué)生的社會責(zé)任感。

隨著工程專業(yè)認(rèn)證的開展[12]，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，專業(yè)課程的教學(xué)改革勢在必行。后續(xù)會加入微課、線上線下混合等教學(xué)方式，繼續(xù)推進開關(guān)電源原理與設(shè)計課程的教學(xué)改革，爭取把開關(guān)電源原理與設(shè)計建設(shè)成特色專業(yè)課程。