線上線下混合式教學模式探索與應用
——以“電力電子技術”課程應用為例

許 勝

（泰州學院，江蘇 泰州225300）

0 引言

當前，我國正處于由高等教育大國向高等教育強國邁進的關鍵時期，重視我國高等教育，實現內涵式發展，提升本科教學質量成為了共識。然而，大學教學長期存在著“以教師為中心”的傳統注入式教學方式，學生被動接受，教學效果普遍不好。因此，推進我國教育理念、教學內容、教育教學模式與方法的深刻變革，“淘汰水課，打造金課”成為了我國高等教育改革的焦點［1］。

以MOOC（Massive Open Online Course）為代表的在線開放課程，為傳統教育模式改革帶來了好的契機［2］。當然，單獨依靠MOOC等在線教學，存在教學模式單一、教學質量難以掌控等問題。因此，充分結合傳統課堂教學和網絡化在線學習優勢的線上線下混合式教學，近年來成為了不少高校教學模式改革的重點，并取得了較好的效果［3］。然而，混合式教學在實施過程中也存在諸如混合方式單一、混合程度不高等一些普遍性問題，網絡學習和課堂教學結合程度較低，不能充分貫徹以學生為主體的教育思想，學生學習的主動性、積極性與創造性沒有得到充分的體現［4］。

因此，本文開展線上線下混合式教學模式研究，旨在探索傳統課堂教學和網絡化線上學習優勢的充分融合機制，克服現有線上和線下教學元素簡單疊加問題，從而充分調動學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性，并且發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，提高教學質量。文章首先構建了基于“SPOC+翻轉課堂”的混合式教學方案，并以“電力電子技術”課程應用為例，結合電力電子技術課程知識點多、理論性和實踐強的特點，開展了“電力電子技術”課程混合式教學實踐。

1 混合式課程教學模式方案設計

SPOC是面向特定人群的集管理、網絡媒體教學環境、網絡媒體教學工具于一身線上課程教學手段［5］。因此，選用SPOC作為混合式課程教學中線上教學手段，可以根據我校電氣工程及其自動化專業的地方應用型本科人才培養目標，有針對性的合理規劃教學活動。

為了突出“以學生為中心”的混合式課程教學主旨，本文基于SPOC的混合式課程教學模式具體實施方案如圖1所示。

圖1 基于SPOC的混合式課程教學模式實施方案

根據圖1，混合式課程教學模式實施方案共包括線上SPOC自主學習、線下課堂訓練與提升以及課程管理與引導等三個主要模塊。

1.1 線上SPOC自主學習

1）學習目標制定

在混合式教學中，學生線上學習質量是整個課程教學質量的重點。因此，根據課程教學大綱并結合學生整體知識能力水平，針對每個課程知識點制定了詳實的學習目標，加強對學生自主學習的指導，提升線上學習質量。學習目標和任務每次課前在SPOC公告欄公布，學生可以根據學習目標和任務有效地開展自主學習。

2）資料學習

學生根據學習目標，充分利用SPOC在線視頻和課件資料開展自主學習。為了建設符合我校課程要求和學生特點的教學資源，任課教師需要對SPOC源課程內容進行重組和二次創建。

3）交流互動

交流互動是提高學生學習效果和興趣的有效措施。SPOC開設了課堂交流區和教師答疑區兩個交流板塊。其中，課堂交流區為學生自主學習提供了交流討論平臺。學生可以就課程學習內容、作業、測試內容相互交流。另外，課程任課教師根據本次學習內容擬定幾個討論議題，供學生討論交流，引導學生緊密圍繞學習目標，把握學習重點和難點。另外，學生自主學習過程中出現的疑問可以在教師答疑區提出，由任課教師解答。交流互動環節可以增進師生間、學生間的交流與協作，增強學生對線上學習內容的深入理解。

4）測試自評

學生完成學習任務后，通過SPOC課堂測試、單元測試等開展學習效果的實時在線檢測和評價。根據測試結果，可以查漏補缺，反復開展在線學習，直至基本達成學習目標要求。

1.2 線下課堂訓練與提升

課堂教學切忌重復SPOC線上教學資源的內容。否則，就違背了混合式課程教學的目的，勢必大大降低混合式課程教學的效果。因此，線下課堂教學更多應該是對學生自主學習效果的監測和綜合能力的提升。

1）目標測試

基于學習目標的課堂測試是決定混合式課程教學效果的關鍵環節。課堂目標測試是線上學習和課堂學習的有機銜接，一方面，便于任課教師對學生在線學習效果以及重點難點問題的掌控；另一方面，是監督提升學生在線自主學習質量的重要手段。因此，課堂目標測試必須作為課程考核的重要組成部分。

2）難點解答

綜合SPOC線上學習情況（交流討論、答疑和測試），提煉知識難點，進行重點講解分析。當然，此過程應以啟發式、引導式的模式開展，比如分組討論等。

3）提升訓練

基于本次課程基本學習目標達成，通過綜合應用、問題分析等更高層次的提升訓練，開拓學生分析問題、解決問題的綜合能力和創新能力。

1.3 課程管理與引導

在混合式課程教學中，教師應該充當輔助角色，而讓學生成為主角。教師的主要精力應該放在教學資源的建設、課堂學習引導和管理上。

因此，課程管理應貫穿混合式課程教學的全過程，重在對學生課程學習的組織、引導、啟發和監管，目的在于充分調動學生學習的積極性和主動性，提升學生課程學習的質量和效率。其中，課程考核是關鍵性的環節。課程考核包括過程考核和期末考試兩個部分，并且，過程考核成績應該占整個課程成績的60%～70%，以提高課程教學的整體效果。

2 混合式教學應用典型案例

根據上述混合式教學方案，我校電氣工程系開展了電力電子技術課程的混合式教學實踐，并得了較好的教學效果。本文以降壓斬波電路（Buck電路）為例系統闡述混合式課程教學的應用設計。Buck電路是直流-直流變換電路最基本的電路形式，因此，對該知識點熟練掌握可以為本章節其他知識點的學習奠定基礎。圖2為Buck變換電路的基本電路圖。

圖2 Buck變換電路的基本電路

2.1 線上組織引導

表1為Buck電路的線上學習組織引導內容。通過表1的學習引導，學生開展線上自主學習時目標明確，能夠準確把握Buck電路的重點和難點，避免學習的盲目性，增強學習效率。

表1 線上學習組織引導內容

2.2 線下課堂訓練與提升

Buck變換電路的線下課堂學習計劃安排如表2所示。

表2 課堂學習計劃（總課時：90 min）

1）目標檢測

Buck電路的課堂目標檢測內容根據學習目標制定，主要測試要點如表3所示。通過課堂測試，檢測學生Buck變換電路學習目標的達成程度。同時，也是對學生在線自主學習的參與度和學習效率的間接監測，以便教師及時準確的把握學生線上學習情況。

表3 課堂測試要點

2）難點解答

式中x=(x1,x2,…xI)T∈RI是一個I維的變量，由表征優化對象的參數所構成。j=1,2…J是優化對象所能取值的區間，fj(x)是關于x的函數，表示在優化對象在j點取值時計算性能與設計指標的差異，其具體的表達式如下式所示：

通過綜合分析學生線上學習情況，歸納出大部分學生在Buck電路自主學習過程中存在的主要難點問題：一個開關周期中電感L上的能量流動、電壓、電流的大小及方向變化及其相互關系。該難點問題已經分解到課堂目標測試試題中，通過課堂測試練習、討論，并對該部分內容的分析解答，學生能夠較好的理解并掌握該難點內容，整體效果較好。

3）提升訓練

課堂提升訓練的目的是在基本學習目標的基礎上，通過綜合性、應用型設計類題目的訓練，進一步強化學生對Buck變換電路的理解，提高學生分析問題和解決問題的綜合能力。

訓練案例：基于Buck變換電路的蓄電池充電系統設計，等效電路如圖3所示。為了簡化問題，充電過程中假定蓄電池組兩端電壓不變，則蓄電池組可由電壓Ee和電阻R（電路損耗）串聯等效。

圖3 基于Buck電路的直流電機拖動等效電路

設計要求：①蓄電池采用恒流充電模式，并采用脈沖寬度調制方式（PWM）控制開關V通斷；②設計LC低通濾波器，改善輸出電壓質量；③電流開環控制（占空比α直接給定）和閉環控制兩種模式設計和比較分析；④基于Matlab構建系統仿真平臺，實驗驗證。

主要電路參數參照表4。

表4 基于Buck電路的蓄電池充電系統參數

1）開環控制設計

設計目標：蓄電池平均充電電流40 A。

根據圖3所示Buck電路，可獲得V控制占空比α：

參照圖3，將α=0.535作為給定，觀測負載電流仿真波形（令電容C開路），如圖4所示。

圖4 開環控制下Buck電路輸出電壓電流波形

分析圖3，討論兩個問題：

第一，輸出電壓平均值Uo相比較于預期值107 V較低；輸出電流平均值Io相比較于預期值40 A較低。為什么？

第二，輸出電壓電流存在高頻諧波分量。

針對上述兩個問題，組織學生開展分析討論，并形成討論意見：

第一個問題的主要成因是實際電路中開關V、續流二極管VD存在等效內阻抗造成的電壓損失。具體解決方案是采用閉環控制。

第二個問題是PWM開關電路固有特性，主要諧波成分是開關頻率附近的高頻諧波?？梢酝ㄟ^LC低通濾波器解決。

2）LC低通濾波器設計

設計目標：抑制Buck電路輸出開關諧波。

LC低通濾波器參數設計遵循原則［6］：控制輸出電壓脈動量小于一定數值，則電容C的取值為：

根據式2，設定ΔUd%=1%，并取αmax=0.8，計算有Cmin=50μF。實際取值C=500μF，根據低通濾波器截止頻率校驗：

可見，濾波器截止頻率遠低于開關頻率fs，滿足濾波要求。圖5為增加了LC濾波器的系統開環控制仿真波形圖。

圖5 LC濾波后Buck電路輸出電壓電流波形

比較圖4和圖5，可見LC濾波器有效提高了Buck變換電路輸出電壓電流的質量。

通過此環節的訓練，學生系統掌握了LC濾波器的基本原理和設計方法，尤其針對直流斬波電路的電壓電流高頻諧波的抑制。

3）閉環控制設計

設計目標：穩定蓄電池充電電流，指令充電電流初始值設置為40 A；t=0.3 s時刻，指令充電電流階躍指50 A。

采用PI控制器，對蓄電池電流閉環控制，參照圖3。仿真波形如圖6所示。由圖可見，Buck變換電路的輸出電壓和電流能夠按照預期值準確輸出，克服了開環控制中由于器件損耗等因素造成的誤差，并且具有較快的響應速度。

圖6 PI閉環控制下的Buck電路輸出電壓電流波形

通過上述基于Buck變換的蓄電池充電系統設計與應用訓練，學生不僅熟練掌握了Buck變換電路的基本原理及其應用、PWM脈沖生成等基本控制方法以及LC低通濾波器的設計及應用，還掌握了基于PI調節器的閉環控制的具體工程應用及其特性。通過該環節綜合案例的訓練，進一步增強了學生對Buck電路的理解和認識，有效提升了學生分析問題和解決問題的能力。

3 結語

本文開展了基于SPOC的線上線下混合式教學模式研究，構建了基于“SPOC+翻轉課堂”的混合式教學方案。根據我校電氣工程及其自動化專業的應用型人才培養目標，本文以“電力電子技術”課程應用為例，結合該課程知識點多、理論性和實踐強的特點，開展了“電力電子技術”課程混合式教學實踐。實踐效果表明，該混合式教學模式充分調動了學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性，并且發揮了教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，有效提高了“電力電子技術”課程教學效果。