CDIO理念在《电力电子技术》课程中的应用研究

刘婷婷　聂菁　张新建　范娟

摘 要：“电力电子技术”是一门理论实践性较强的课程，其电路拓扑结构繁多，波形分析复杂，传统的教学形式抽象枯燥，学生投入度和互动性普遍不高。为进一步改善教学形式和教学思路，本文引入CDIO工程教育理念，结合实际工程案例的项目式驱动法，以及学习通平台的混合式教学设计，构建“以学生为主体，以培养工程应用能力为核心”的课程体系。

关键词：CDIO理念 电力电子技术 教学改革

Research on The Application in the Course of Power Electronics Based on CDIO Concept

Liu Tingting Nie Jing Zhang Xinjian Fan Juan

Abstract："Power Electronics" is a theoretical and practical course. There are a lots of circuit topologies， complex waveform analysis， and its traditional teaching forms is boring， so the students generally lack investment and interaction. In order to improve the teaching form and teaching ideas， this paper introduces the concept of CDIO Engineering Education， combined with the project driven method of practical engineering cases and the hybrid teaching design， will constructs a curriculum system of "taking students as the main body and cultivating engineering application ability as the core".

Key words：CDIO concept， power electronics， teaching reform

1 引言

“电力电子技术”是电气工程及其自动化、智能电网信息工程等电气类专业非常重要的专业核心课程，主要教授电力电子器件、四大变流技术、PWM控制技术、软开关技术等内容[1]。电力电子技术应用广泛，几乎涵盖民生经济等各个领域，是一门理论性、工程性与实践性非常强的交叉学科。正因如此，如何加强学生综合素质教育，提高学生实际工程应用能力，培养具有创新能力与满足企业需求的专业技能人才，各高校已极为关注和重视。

CDIO模式是一种在全球各国广泛推行的工程教育模式[2]。CDIO 代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以项目驱动的方式主动学习[3]。将CDIO 模式运用到《电力电子技术》的理论教学中，优化“电力电子技术”课程教学设计，构建“以学生为主体，以培养工程应用能力为核心”的课程体系。推行基于项目、基于问题、基于案例的教学方法和学习方法，支持学生开展研究性学习、创新性实验，实现课程内容与职业标准、教学过程与生产过程对接，培养学生的工程思维和创新精神具有重要的理论价值。引入CDIO 模式，开发一系列与教学内容高度契合的教学项目成为这门课程教学改革的一大重点。

文华学院作为一所应用型高校，大部分学生毕业后选择就业，更注重应用型人才的培养。因此电力电子技术必须打破电路拓扑填鸭式讲解的传统教学模式，如何依据CDIO 理念开展《电力电子技术》课程教学、改革教学内容、课程体系与教學方法都是值得我们探讨的问题。

2 现有教学中待改进的问题

2.1 传统填鸭式教学模式的改革

本文主要探索理论教学的变革，解决本课程内容电路拓扑结构繁多，波形分析复杂，传统的填鸭式教学抽象枯燥，学生投入度和互动性普遍不高，对拓扑死记硬背，对工作原理不求甚解的“痛点”问题。引入CDIO工程教育模式，并结合项目式和学习通线上教学的混合教学设计贯彻实施，将传统的“以教师为中心”转变为“以学生为中心”，学生由被动灌输变为自主学习。采用CDIO工程教育模式锻炼了学生的工程项目思维，提升了团队合作意识，为社会培养应用型工程技术人才。

2.2 教学设计过于死板，有待优化改进

本教学改革的对象为我校机电学部电气专业及智能电网专业20～21级学生。为学生设计《电力电子技术》的工程项目案例，使理论知识得到实际应用，进一步激发学生学习积极性与参与度，增强自主学习能力。课题成果能够提高学生的成就感，对学生参加国内相关学科竞赛也有重要支撑作用，有利于提高学生在后续的求学、求职中的核心竞争力，为社会培养应用型工程技术人才。

以CDIO理念为理论指导，以项目式教学为导向，分模块展开知识点讲解，优化原有教学内容和教学大纲，丰富教学设计和改进考核评价体系。从传统教学转变为项目式教学，打破传统教学模式，将知识点模块化，以工程教育模式为基础，以项目方式驱动学习，巧妙融合理论课堂和工程应用项目，在实践中充分理解和巩固理论知识。

2.3 课堂氛围沉闷，学生学习兴趣低下

学生首次接触以波形分析为主要思路的电力工作原理过程，再加上单相三相，整流逆变等众多类型的电路原理图，本能上会出现畏难情绪。因此，传统课堂讲学极为出现教师滔滔不绝，学生安安静静的氛围，为改善沉闷的课堂气氛，可结合学习通线上平台，灵活教学。线上发布任务，线下讨论指导。利用学习通，发布讨论，随机选人，抢答等功能活跃课堂气氛，增加趣味性和互动性。解决学生学习兴趣低下的问题，往往出现抢答环节时，学生感觉紧张又刺激，能够充分调动学生的学习积极性和自主性，由被动接受变为主动学习。

3 CDIO模式教学改革实施方案

3.1 教学项目的选取与设计

对《电力电子技术》课程教学项目的选取，首先从整体上分析该门课程的教学任务，确定整体的任务和目标之后，再将核心知识点模块化，并针对每一部分知识点选取合适的工程项目，或者小范围的综合性项目。项目选取的原则为难度适中，内容高度契合理论内容。然后对各项目进行详细的需求设计，以及理论知识点的设计，并将项目资源运用到实际教学中，根据教学反馈调整和改进教学项目。开发一系列与教学内容高度契合的教学项目是这门课程教学改革的重点。

本次教学改革将根据电力电子的四大变流技术设计4个教学项目进行试点，由浅到深，由易到难，与专业紧密结合，以项目式教学为导向结合学习通线上平台，应用于《电力电子技术》课程教学的实施，切实提高教学效果。

项目1：直流电机调速装置的设计

项目2：矩形波单相逆变器的设计

项目3：便携式开关电源的设计

项目4：舞台调光灯的设计

3.2 CDIO工程教育模式的教学设计

为适应我校应用型人才培养目标，对原有教学内容进行调整，制定以CDIO模式为基础，项目式教学和线上线下相结合的混合式教学设计，注重项目实践，将理论知识与工程应用有机结合起来。

同时，在学习通线上平台发布项目任务，组织学生分组讨论，构思设计，反馈交流。再通过传统线下课堂围绕案例展开知识点讲解，指导项目疑难问题。实现以CDIO模式为基础，项目式教学和线上线下相结合的混合式教学设计，充分调动学生的学习兴趣和学习自觉性，从而提高学生的学习自主性和创造性。同时线上的过程统计数据，将形成科学有效的过程性评价及反馈，帮助教师完成评价考核以及进一步改进教学设计。

下面以开关电源的项目为例，如图1所示，展示基于CDIO理念的混合式教学设计。

该教学设计采取“三纵四横”原则，主题是开关电源的项目式教学，以CDIO的工程思维为理论指导，采取传统课堂和学习通平台的线上线下混合教学方式推进实施。

开关电源为本课程第五章直流直流变换内容。项目分为4个步骤：

第一步，项目构思。由教师根据教学目标和教学内容发布任务，学生分组讨论，根据项目所涉及的章节知识点自学查阅，并构思项目方案和项目需求。此步骤通过学习通线上发布。

第二步，项目设计。教师围绕知识点对项目做具体介绍，引导学生分组讨论，并开始进行具体的方案设计。此步骤在线上课堂完成。

第三步，方案实现。学生借助学校实验室现有硬件设施进行方案验证，或者通过仿真软件进行仿真验证，同时教师可以指导和答疑解惑。此为最重要的过程，由学生在线下完成。

第四步，项目验收。验收形式可以灵活多样，可以通过学习通线上平台上传验证视频及文档报告，由学生相互学习评分，最后在线下课堂完成优秀评选。

3.3 学习通线上教学资源包设计

按照教学要求完成《电力电子技术》课程的学习通线上教学资源包设计。配合项目式教学，开发制作完成线上配套的相关项目视频资料、教学资源，课后练习，包括课件制作，章节测试题库设计、讨论题库设计、小组讨论内容和形式设计，实现以学生为中心的“翻转课堂”项目成果展示及交流平台。我校《电力电子技术》课程位48学时，可根据课程章节安排，选取重要的知识点，学生分组PK，要求组内分工合作，每个人都要负责相应任务，可以选择仿真，分解知识点讲授，或者PPT制作，或者是现场板书等，确保全员都能参与。

3.4 学情反馈，评价考核的制定

学习通线上平台是一个很好的教学辅助工具，能够提供课堂报告、学情统计、成绩统计等信息，并以可视化图表的形式反馈给老师，如签到率，课堂表现TOP10，课堂选人回顾，章节学习次数，综合成绩分布等内容。通过学习通统计数据，老师对班级整体情况，甚至每位学生的详细学习情况一目了然，老师可以根据学生的学情及时调整项目内容及进度安排，还可以针对不同掌握层次的学生发布不同的项目学习任务，进行分层教学和个性化的一对一辅导，教师也可以根据反馈情况进一步完善教学设计和考核评价。分组讨论PK后，最后全员一起投票推优，提高学生参与感和成就感。引入线上学情反馈后，对综合评价比例做出一定修订，并进一步细化过程评价内容。

4 教学改革目标

4.1 完善以培养应用型人才为目标的教学大纲

《电力电子技术》现有教学大纲包含课程教学目标，且已融入课程思政元素，但在教学内容和学时安排上，仍然以理论知识为主，辅以实验教学部分，学生接触到的还停留在考试层面，死记硬背层面，对知识的融汇贯通和实际应用缺乏认识。现有教学大纲总体来说可以满足理论教学，在此基础之上引入CDIO工程教育模式，在每个章节增加项目应用，改革专业课教学模式，优化教学内容，提供以培养专业技能人才为目标的教学大纲。

4.2 混合式教学设计的改革创新

（1）从传统教学到项目式教学。打破传统教学模式，将知识点模块化，以工程教育模式为基礎，以项目方式驱动学习，巧妙融合理论课堂和工程应用，在实践中充分理解和巩固理论知识。

（2）从线下课堂到学习通线上平台。除了传统的线下课堂，还可以有机结合线上平台，通过学习通线上发布项目任务，组织分组实践，线上讨论交流，同时还可以利用学习通发布课件，微课，视频，动画，课件预习，章节测试等内容，进一步丰富和拓展线下教学，增加线下互动性及趣味性。把知识内容多层次多角度展现给学生，学生可以充分利用碎片时间自主自学。

4.3 教学案例的设计与拓展

如项目预期效益较好，可进一步丰富项目案例，如：三相桥式整流器的设计、SPWM逆变器的设计、变频器的设计、UPS电源、光伏发电并网逆变器、车载220V逆变器设计、车载USB充电器设计等项目，以预防下届学生重复利用上届学生的成果及报告，同时由于电力电子技术的飞速发展，新项目教学案例需要做到每届更新和改进。

4.4 课题应用价值的思考

随着社会分工的细化以及对工科毕业生专业技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教学设计将会得到越来越广泛的认可和应用。结合项目式驱动和学习通线上教学的混合式教学设计，可以思考推广到较多工程应用型较强的课程。该工程教育模式的教学设计可拓展应用到电气专业及机电学部其他实践性较强课程的学习，如《电气控制与PLC技术》、《单片机原理与接口技术》等专业课，有利于学科交叉，资源共享。

5 结语

目前“电力电子技术”课程还停留在理论教学的层面，工程实际应用涉猎较少，学生的工程思维能力和实践应用能力稍有欠缺，与企业实际工程应用能力的需求有较大差距。因此，本课程教学改革采用CDIO工程教育模式锻炼了学生的工程项目思维，提升了团队合作意识，为社会培养应用型工程技术人才[4]。相信随着社会分工的细化以及对工科毕业生专业技能要求的提高，基于CDIO工程教育模式的教学设计将会得到越来越广泛的认可和应用。

基金项目：

2021年文华学院教学质量及教学改革课题“CDIO工程教育模式在《电力电子学》课程中的应用研究”（项目编号：J0900741442）。

参考文献：

[1]邹密.“电力电子技术”线上线下协同教学改革与实践[J]. 教育教学论坛，2021.7，93-96.

[2]孙筠.CDIO 模式下电力电子技术课程教学改革的思考[J].大学教育，2017.3，77-78.

[3]郭金梅. CDIO模式下应用型本科电力电子技术教学改革与实践[J].中国多媒体与网络教学学报，2019，168-169.

[4]胡静波.“电力电子技术”课程的 CDIO 教学改革[J].高教学刊. 2015.6：34-35.