线上线下混合式教学模式的探索与实践——以电力电子技术课程为例

钦小平，魏晓慧，贺 婷

（惠州学院 电子信息与电气工程学院，广东 惠州 516007）

2018年8月，文件《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知（教高函〔2018〕8号）》中明确指出，全国各大高校要全方位梳理各课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”［1］．当前，“金课”和“水课”成为高等教育领域的两大热门词汇，深受高教战线和社会媒体所关注．

本科教育是大学教育的重中之重，为全面振兴本科教育，实现管理更加严格起来、课程优化起来、教师强大起来、学生忙碌起来、效果结实起来，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》，要求全面开展一流本科课程建设，立起教授上课、消灭“水课”、取消“清考”等硬规矩［2］，围绕课程目标导向、提升教师能力、改革教学方法、科学评价学生学习、强化激励机制等提出了多项改革举措．

当前我国的大学教育普遍采用传统的线下“以上课老师为中心”的“填鸭式”教学模式，往往不能达到较好的教学效果，而若仅依靠单一的如MOOC和SPOC等在线教育模式，同样也存在着教学模式单一、教学质量难以掌控等问题［3］．所以充分结合传统线下课堂教学和线上教学的混合式教学模式，近些年成为大学教育教学模式改革的重点．开展线上线下混合式教学模式研究，其目的在于探索传统的线下课堂教学和线上教学优势的充分结合，全面调动学生作为学习主体的积极主动性以及创造力，教师在教学过程中的引导、监督、启发等主导作用，从根本上解决线上线下教学简单叠加的问题［4］，提高大学教育的教学效果和质量，从而进一步将课程打磨成为“金课”．

1 线上线下混合式教学的目的和特色

1.1 电力电子技术课程的特点与线下教学的不足

1.1.1 电力电子技术课程的特点

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，包括电子器件制造技术和变流技术两大分支［5］．电力电子技术中的四大变流技术分别为交流变直流（AC-DC，整流）、直流变交流（DC-AC，逆变）、直流变直流（DC-DC，直流斩波）以及交流变交流（AC-AC，交交变流）［6］．电力电子技术课程作为电气工程及其自动化等本科专业的重要专业核心课程，与电路原理、电子技术基础、自动控制原理等前序课程高度相关联，该课程具有以下特点：

（1）电力电子技术作为专业基础课，具有很强的理论性；

（2）电力电子技术主要研究的是电力电子器件与变流技术，两者之间交互作用错综复杂.

（3）四种变流技术包括整流、逆变、直流斩波以及交交变流，电路的拓扑结构种类多、多时间尺度相互作用、具有时变拓扑的特性.

（4）电力电子技术的电路具有很强的非线性特征、抗干扰性能力很弱.

（5）课程的实践性很强，但是实验验证受到实验设备和实验室管理的掣肘和限制．

1.1.2 线下教学的不足

传统线下教学方式主要采用由老师主导的传统授课模式，教学采用单向传输形式，教学方式比较单一．由于电力电子技术课程专业性强，教学内容难免会比较抽象枯燥，也就导致了部分同学缺乏学习主动性，学生上课前不预习、课后不会复习，也基本不参与教师的课堂教学活动，课堂气氛比较沉闷．此外，现阶段一般采用考试来检验教学效果，教学评价方式同样单一.因此，传统的线下教学方式对培养学生灵活运用专业知识、解决问题的能力效果有限．

传统的电力电子技术实验教学方式主要是采用“三部曲”：首先，实验前学生进行预习，撰写预习报告；其次，在实验时老师课堂进行实验讲解，学生分组进行实验，教师对实验结果进行验收；最后，学生课后提交实验报告的方式．传统的电力电子技术实验教学方式和实验条件存在以下问题：

（1）教学实验平台数量有限，实验课时安排不充足，导致无法保证每一位学生得到充分的学习．

（2）教学实验平台过度封装，实验装置拓扑固定、控制策略固定，现有实验以“动手”为主，缺少“动脑”训练，学生无法直观感受，理论与实践脱节，无法达到实验的预期效果．“千人一面”的实验平台，无法支撑多元化的人才培养目标．

（3）目前的实验大部分是验证性的实验，学生缺少自主研究思维的培养，无法直接服务于科研工作.

（4）现有实验没有从电力电子系统的设计和研制规程上训练学生，即缺少“电路及控制建模、系统设计、系统控制仿真、电路实验”完整过程的训练．

1.2 混合式教学的必要性和迫切性

新冠肺炎疫情给传统教学带来了一些影响，为了保障“停课不停教”“停课不停学”，实现疫情防控下的平稳有序教育，我国各大高校纷纷开始探索、实践和进一步加紧推进线上线下教育教学紧密融合的方式．

1.3 混合式教学的目的

线上线下混合式教学，需要能够激发学生对理论性强的专业课的学习兴趣，教学形式丰富，内容饱满，能够启发学生积极思考，从而激起学生学习的积极主动性，建立起学生的专业意识．线上线下混合式教学具备鲜明的特色．传统的线下教学方式与混合式教学的优缺点统计如下表1所示.

表1 传统的线下教学方式与混合式教学的优缺点统计表

2 电力电子技术课程混合式教学的探索实践

2.1 电力电子技术课程混合式教学流程设计

电力电子技术课程混合式教学的教学流程设计分为5个部分：

（1）教师备课，学生完成课前预习.由教师提前布置预习内容、目标及任务，学生完成预习任务并在线上进行疑难点反馈．

（2）线上线下课堂学习讨论.教师在线上对线下课堂内容进一步补充，融入电力电子技术前沿问题，鼓励同学之间、师生之间进行“头脑风暴”，激发学生的学习热情，并拓展学生的知识面．与此同时，教师在线下课堂上可根据学生预习反馈布置教学内容，对学生反馈问题进行补充解答．

（3）学生线下完成课后作业．对学生遇到的疑难问题，教师不仅可以在线下进行统一解答，还能在线上进行一对一的辅导答疑．

（4）学生线上实验仿真．依托固纬电子公司研发的PSIM仿真平台，学生进入PSIM仿真界面，对课堂上教师所讲的电路拓扑结构进行仿真验证，并作延伸性分析；在线上学生提交仿真过程及仿真报告；教师线上验收仿真报告，并作单独指导．

（5）学生进行线下实验室实验.在PSIM仿真合格的前提下，学生进入实验室进行实物验证；教师进行面对面地指导，以加深学生的理解；并且可以对实验进行拓展延伸，启迪学生深层次的思考，激起学生的学习主动性．

2.2 课程思政贯穿教学全过程

习总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要充分利用好课堂教学这一主渠道，各个课程都需要和思想政治理论课同向同行，形成协同效应［7］．通过课堂渗透的方式，不断挖掘课程体系中的思政元素，以期达到立德树人、综合全面地培育新时代人才的目标．“电力电子技术”作为电气工程及其自动化专业核心课程，在人才培养中占据重要地位．课程团队教师在教学过程中，认真践行教书育人的初心，将思政元素有机融入课程内容，在知识传授中注重主流价值观引领．从“书本知识”到“理论实践有机结合”的教学内容创新性转变，教学内容及时反映专业研究领域的最新研究成果，并紧密联系当前工程实际；引入电力电子变换器在智能电网、电动汽车、新能源等方面的研究内容，提升学生学习兴趣．

2.3 电力电子技术课程线上线下混合式教学案例分享

在电力电子技术四种变流技术中，直流斩波电路（DC-DC）是生活和工业产品中最常见的电力电子装置，适合地方型应用高校的本科生作为电力电子学入门的切入点，本文以直流斩波电路中的降压电路BUCK电路为例展开对电力电子技术课程线上线下混合式教学的应用．授课对象为地方型应用高校惠州学院2018级电气工程及其自动化专业4个班的学生共计162人．

BUCK电路线上线下混合式教学过程：

1.课前预习：通过MOOC、学习通等线上教学资源让学生预习了解直流降压电路的结构，让学生思考电路的工作原理，并提出自己的问题，在线上提交预习报告．

2.线下课堂教学：教师在线下课堂上基于“分段线性”的思想对BUCK电路进行详细的解析，包括其工作原理及过程，BUCK电路原理图及波形如图1所示．

图1 BUCK电路原理图及波形图

让学生理解在电流断续时，输出电压波形为什么会被抬高，为什么尽量避免此种情况的发生；进一步引导学生思考BUCK电路中电感所起到先存储能量再释放能量的“能量搬运工”的作用；逐一详细解答学生在预习过程中存在的问题并更深入地提出BUCK电路的参数设计等相关问题．

3.线上课堂疑难解答：如若学生在课后的复习过程中仍然存在问题，教师可以进行线上解答，引导学生思考BUCK电路降压范围，进一步促进学生思考BUCK降压电路的工程应用场景．

4.课后作业：学生线下对BUCK降压电路原理进行整理，完成课后作业并在线上进行提交，并对BUCK降压电路的疑难点、要求进行总结．

5.线上仿真教学：学生登录固纬电子公司的PSIM系统仿真平台进行PSIM仿真学习，通过教师指定的BUCK电路相关参数，要求学生按参数进行仿真验证．此外，还可通过PSIM仿真验证电路中电感和电容对BUCK电路工作状态影响，通过仿真验证BUCK电路的降压范围．PSIM系统仿真平台如图2所示．

图2 PSIM系统仿真平台

6.学生线下实验室实验：在PSIM上仿真充分了解BUCK降压电路工作原理后，学生进入实验室实验平台上进行实验验证.BUCK降压电路所需要的实验设备如图3所示．

图3 BUCK降压电路所需要的实验设备图

DC-DC直流斩波电路的后续课程包括有开关电源的设计，为了增加学生对本专业的学习热情，可以额外补充开关电源的设计与制造过程的相关实例，引发学生对专业课的深入思考．

2.4 电力电子技术课程线上线下混合式教学效果及评价

2019-2020第二学期，针对2018级电气工程及其自动化专业4个班的学生共计162人，学校开展了《电力电子技术》课程线上线下混合式教学．为了解掌握采用线上线下混合式教学的学习效果，特制作并发放了“《电力电子技术》课程混合式教学效果问卷调查”．

统计分析发现：89.13%的同学喜欢线上线下混合式教学模式；97.83%的同学会参与到课堂互动；80.43%的同学认为学习形式新颖，67.39%的同学认为能够提升课堂时效性；63.04%的学生认为可以为有限的课堂争取更多的有效互动时间，突破传统课堂的局限性；54.35%的同学认为通过线上课堂预习，增强了知识掌握程度；对采用混合式教学效果满意度达到93.48%；95.65%的同学表示愿意继续采用混合式教学模式进行学习．当然也有37.39%的同学认为线上线下混合式教学过程中存在自制力不够强的因素．

为了更加全面了解学生对《电力电子技术》课程的掌握情况，引入过程性的考核方式．综合考核由期末卷面成绩（闭卷考试60%）+过程考核（40%）构成，其中过程考核由考勤、作业、实验成绩以及课堂参与情况构成．图4是电气工程及其自动化专业2017级3班和4班，2018级3班和4班的《电力电子技术》课程末考卷面成绩和综合考核成绩分布.这4个班由同一个任课老师授课，其中2017级两个班级采用传统的线下授课模式，2018级两个班级采用线上线下混合式教学授课模式．从图4中可以明显看出，采用线上线下混合式教学授课模式的2018级两个班的末考卷面成绩和综合考核成绩均比采用传统线下授课模式的2017级两个班的成绩提升很多，表明采用线上线下混合式教学授课模式能够使学生达到更好的学习效果．

图4 电力电子技术课程近两年学生学习效果对比

通过发放问卷调查以及对学生过程性和综合性考核发现，与传统的线下课程教学相比较，采用线上线下混合式教学能更好地激发学生的学习热情；学生能积极参与到课堂互动；能够提升课堂时效性；同时学生对采用混合式教学效果满意度较高并愿意继续采用混合式教学模式进行学习，达到较好的学习效果．

采用线上线下混合式教学，《电力电子技术》课程能更好地对电气工程及其自动化专业学生的培养目标的支撑，并促进学生达到以下4点毕业要求：实验分析能力、系统设计能力、团队协作能力和持续学习能力．这也表明线上线下混合式教学的探索实践在对后续的建设《电力电子技术》“金课”中可以起到促进作用．

3 总结

电力电子技术课程依托虚拟仿真和半实物仿真的应用以及现代教育技术的发展，教学方法从传统的“课堂教学”向“线上+线下”、“课内+课外”转变，可以有效解决理论学习的“时+空”限制，又为理论知识的工程应用提供了可行性的验证条件．通过线上线下混合式教学的改革，设置必要的讨论辩论、案例剖析、课程综合作业等内容，锻炼学生操作和实践、团队协作、批判性思维能力；考核评价方式从以往的单一化评价向“多元评价、注重过程、个人与团队相结合”的评价体系转变．