基于項目驅動的混合式教學探索與實踐

趙 濤 ， 張恩旭， 黃家才， 徐開蕓

(南京工程學院 1. 自動化學院，2. 電力工程學院, 江蘇 南京 211167)

基于項目驅動的混合式教學探索與實踐

趙 濤1， 張恩旭2， 黃家才1， 徐開蕓1

(南京工程學院 1. 自動化學院，2. 電力工程學院, 江蘇 南京 211167)

本文通過合理組織和分配各種設備、工具、技術、媒體和教材，構建了基于項目驅動的混合式教學在“電力電子技術”課程中應用模式；并通過實例驗證了混合式教學模式的效果。教學實踐表明，混合式教學不僅有助于提高教學效果，而且對提升學生的綜合能力有很大幫助。

混合式學習；項目驅動；網絡化學習；電力電子技術

0 引言

混合式教學是把傳統學習方式的優勢和網絡化學習的優勢結合在一起的一種教學方式?；旌鲜浇虒W既發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又充分體現學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性[1]。目前國內不少高校實施混合式教學，也取得了較好的效果[2]。然而，混合式教學還存在如下幾方面問題：①實施的混合式教學還多是以教師為主導的教學，無論是內容的推送，還是教學過程的監控，學生為主體的教育思想還沒有得到充分的貫徹，學生的主動性、積極性與創造性沒有得到充分的體現[3]；②混合方式過于單一，簡單的將混合式教學視為傳統課堂教學和E-Learning，即網絡+課堂的模式；③沒有根據教學對象、教學條件等，對所有的教學要素進行優化選擇和組合，僅僅是把各種要素簡單的疊加在一起。因此，混合式教學的長處得不到發揮，學生在初始的新鮮感過去后，逐漸喪失了參與混合學習的積極性。

為此，筆者結合教學實踐，根據自動化專業理論性和實踐性強的特點，對相關課程混合式教學的相關要素進行了分析，探尋課堂教學、網絡教學和課內外的實踐教學之間最佳切合點，研究混合式教學過程中線上與線下、理論與實踐學習諸要素的融合機制，提出采用基于項目驅動的混合式教學模式，并在“電力電子技術”課程的教學中加以應用。

1 基于項目驅動的混合式教學設計

電力電子技術是對電能進行變換和控制的一門技術，具有很強的理論性和應用性。近20年來，電力電子技術所涉及到的知識和技術在不斷豐富，形成向智能化、數字化發展的趨勢。

“電力電子技術”課程內容涉及知識面廣、概念多，主要包括電路分析、波形分析和公式推導等部分[4]。教師要在有限的教學學時內把這些知識都講透，讓學生都能充分理解是件不容易的事情；另一方面隨著互聯網和信息技術的不斷發展，獲取知識的途徑越來越多，也越來越容易，知識也呈現碎片化的特點。

有鑒于此，教師的角色需要由過去的知識傳播者轉變為引導者和激勵者；要激發學生的求知欲，將枯燥和抽象的知識點融入實際工程項目中；學生在項目實施中，尋求解決問題的過程，也是獲得知識過程[5]。

基于項目驅動的混合式教學就源于此。

1.1項目的選擇

基于項目驅動的混合式教學首先要解決項目選擇問題。

項目要注意內容的先進性、綜合性和實踐性，應適合實踐教學和啟發創新，項目內容不應太簡單，難度要適中；成果最好具有相對的完整性和可考核性。

項目內容上應具有多樣性，既有電路設計，參數計算，也要求適合利用計算機仿真技術進行虛擬實驗，采用虛實結合教學方式，充分利用軟件資源，提高學生求知欲及解決問題的能力。

針對目前電力電子技術應用最為廣泛的DC-DC 變換和DC-AC 變換的兩種變流電路，結合數字化控制的發展趨勢，我們選擇了Buck 變換電路、Boost 變換電路、同向Buck-Boost 變換電路、單相逆變電路、直流電機H 橋電路等設計項目[6]。

1.2混合式教學模式構建

構建基于項目驅動的混合式教學模式，就是要解決混合什么和如何混合的問題，要對所有的教學要素進行優化選擇和組合。圖1 給出基于項目驅動混合式教學模式的框圖。

混合式教學模式分為預習和準備、項目設計實施操作和評估與總結三個階段：

1)預習和準備

圖1 基于項目驅動混合式教學模式的框圖

教師首先在線布置項目任務、提出設計要求，并提供相關教學資源包括：教學視頻、微課、教學PPT及技術手冊等。學生接收教師的設計任務，明確設計要求，自行分組和安排各自承擔的設計任務，并根據教師提供的教學視頻、PPT等教學資源或通過網絡檢索進行自主學習。

2)項目設計實施

項目設計實施階段是在線下和線上完成的。教師通過面對面的方式對于設計中難點或重點進行適當輔導，審查學生提供的設計方案，進行答疑、問題討論和深化，監控設計過程。學生在此期間可以相互討論、溝通，對設計中的問題請教教師和同學，并進行實踐操作。

在課后，學生利用網絡進行在線學習，對自己在網絡學習中遇到的問題可與教師在線交流，及時向教師反饋，教師在網絡教學過程中需要承擔在線答疑與指導工作。對學生而言，利用網絡資源對設計中需要掌握的技術和知識進行學習，也是實施中的一項重要內容。

3)評價與總結

教師面對面審查學生的設計成果，對學生的設計成果做出客觀的評價；并根據不同學生的承擔的工作進行提問，以評估該學生在團隊中的表現。也可以通過在線方式和學生討論問題，幫助學生完成總結報告，實現知識的內化。

在基于項目驅動的混合式教學的三個階段中，不應該將傳統的面對面的教學和網絡教學割裂開來，而應該將這兩種教學方式貫穿在整個教學過程中，只不過在不同的階段有所側重而已。

2 教學應用案例

本文以Buck 斬波電路項目設計為樣例，闡述基于項目驅動的混合式教學模式的應用。

2.1系統設計

表1給出要求設計的Buck 斬波電路的相關參數，該項目要求學生完成電路設計、器件選擇、電感電容計算、驅動電路和主電路的實驗；并且要求設計閉環控制，滿足從輸入到負載的閉環系統穩定指標及靜態控制指標并進仿真分析，以證明設計的有效性。

表1 Buck 斬波電路設計要求

學生之前僅僅學過Buck 斬波電路的拓撲結構及工作原理，要完成Buck 斬波電路的設計，這遠遠不夠，他們需要進行控制、檢測電路驅動和主電路的設計。對于控制電路，原則上不做限定，既可以選擇諸如TL494、SG3525、UC3845 等PWM 控制芯片，也可以采用高性能單片機控制，但不允許采用直接集成的變換器單元。圖2給出了由學生設計的Buck 電路原理圖，其中注明主要器件的型號和參數。

圖2 由學生設計的Buck主電路的

對于輸入濾波電感和輸出濾波電容的計算，根據下式，很容易計算出：

(1)

(2)

式中Lmin為圖2電路中最小電感值，單位H；電容C為濾波電容，單位F；電壓Ui和Uo分別為輸入電壓和輸出電壓，單位為V；ΔIL為電感電流的變化量，單位A；fs為器件的開關頻率，單位Hz。

圖3 給出了由學生設計完成的基于STM32控制的Buck 電路的PCB 圖，從圖中可以看出電路布局合理，元件的封裝正確，對信號線和功率線的走線也有考慮。

圖3 由學生設計的Buck電路的PCB

2.2建模與仿真

“電力電子技術”課程的教學中，沒有涉及到Buck 電路小信號線性化動態數學模型的學習，學生要設計閉環控制器，僅靠盲目試湊，這樣得到的控制器參數是沒有說服力的，而需要通過計算機仿真來驗證。

通過參閱相關文獻和資料，可以得到Buck 變換電路占空比到輸出的傳遞函數為：

(3)

Rc: 濾波電容的ESR。

根據公式(1)和(2)計算得到電感和電容值，利用Mathcad 得到Buck 主電路傳遞函數的bode 圖，見圖4。

圖4 Buck主電路傳遞函數的bode圖

從圖中可知傳遞函數不能滿足系統的靜態和動態特性的要求，必須加入校正網絡。根據工程設計要求，校正環節加入后的回路增益應使幅頻漸進線以-20dB/dec 的斜率穿過零分貝線，并在較寬的范圍保持斜率不變。通過選取穿越頻率和控制器的類型，可以定量的確定控制的相關參數。

圖5給出了由學生基于Matlab/Simulink 完成Buck電路電壓閉環仿真模型和輸出電壓和電流波形，從仿真波形可以看出，對于電源電壓及負載變換，整個系統表現出較好的靜態和動態特性。

2.3實驗與評價

最后由于條件限制，沒有要求學生進行整個電路PCB 制作及調試，而是在萬用板上進行驅動電路和主電路焊接和制作，利用單片機開發板輸出高頻PWM進行控制，圖6 為學生進行Buck 電路調試和實驗的照片。

圖5 Buck電路閉環仿真模型

圖6 Buck電路實驗

以自動化141班為例，根據詢問和學生提交的總結報告，得到混合式教學過程評估表，示于表2。

根據表2可知，大部分學生都能進行課前預習，對項目要求明確，自主選擇自己感興趣的有關設計工作，對不懂的知識和相關技術通過線上、線下積極學習和掌握，并在課外學習投入較多的時間與精力，取得了不錯的成績。

表2 混合式教學過程評估

3 結語

基于項目驅動的混合式教學使教學過程由教師為中心向學生自主學習方向轉變。本文通過正確選擇項目，合理組織和分配各種設備、工具、技術、媒體、學時、教材，將線上線下、課堂內和課堂外的有機融合，建立集網絡技術、多媒體技術、計算機仿真技術及虛擬實驗混合式教學平臺，將混合式教學應用到“電力電子技術”課程教學中，充實了已有的混合式學習，進一步豐富混合式學習的內涵。這為實現實踐性強的專業課程的信息化教學提供了可參考的實踐經驗。

[1] 何克抗,從Blending Learning看教育技術理論的新發展(上,下)[J] . 蘭州：電化教育研究,2004,(3)(4):1-6.

[2] 蘇小紅,趙玲玲,葉麟,張彥航,基于 MOOC+SPOC 的混合式教學的探索與實踐[J]. 北京：中國大學教育,2015,7:60-65.

[3] 敖謙,劉華,賈善德.混合學習下“案例-任務”驅動教學模式研究[J]. 北京：現代教育技術,2011,(4):42-47.

[4] 趙濤，張永號，劉啟新，沈亞斌．MathCAD在“電力電子技術”教學中的應用[J]. 南京： 電氣電子教學學報2013.35(3)，55-58.

[5] Alenka HREN, etc. Project based teaching of electromagnetics in power electronics course[J] Warsaw：PRZEGL?D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 3/2011:77-80.

[6] 趙濤，沈亞斌, 徐友，徐開蕓．面向工程應用的電力電子技術課程教學實踐研究[J]．北京：中國教育技術裝備,2016.11: 98-99.

ExplorationandPracticeofBlendedLearningModeBasedonProject-driven

ZHAOTao1，ZHANGEn-xu2，HUANGJia-cai1，XUKai-yun1

(1.SchoolofAutomation, 2.SchoolofElectricPowerEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167China)

This paper, through the rational organization and distribution of various equipment, tools, technology, media and teaching materials, constructs the application model of blended learning in the Power Electronics Technology course, and the effect of the designed teaching model is verified . The results show that blended teaching mode based on project-driven will help not only improve experimental teaching effects but also enhance student′s integrative competence.

blended learning; project-driven; e-learning; power electronics technology;

2017-01-30;

2017-03-08

江蘇省教育科學‘十三五’規劃立項課題“工程教育專業認證背景下的混合式教學模式研究”階段性成果，(立項編號： D/2016/01/05)，南京工程學院教學研究項目(項目編號：2015YB18)

趙 濤(1965-)，男，博士，教授，主要從事微電網控制技術及裝置領域的教學和研究，E-mail:zdhxzt@njit.edu.cn

TP391.9

A

1008-0686(2017)05-0085-04