楊維滿 王興貴 朱亞娜 郭群

摘 ?要 復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)是我國目前工程教育的核心所在。分析復(fù)雜工程問題與電力電子技術(shù)課程教學(xué)體系的關(guān)系，從課程師資團(tuán)隊建設(shè)與課程大綱修訂以及一些對該能力培養(yǎng)具有直接影響效果的教學(xué)方法應(yīng)用等方面給出具體實施建議，其中教學(xué)法主要考慮了案例教學(xué)法、項目引領(lǐng)教學(xué)法、競賽驅(qū)動法和信息化背景下的現(xiàn)代講授式教學(xué)法。最后，從學(xué)習(xí)效果評價體系改革與教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)方面給出實踐途徑。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù);復(fù)雜工程問題;教學(xué)改革;微課;慕課;網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源;翻轉(zhuǎn)課堂;雨課堂

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）20-0085-04

Abstract The ability cultivation of solving Complicated Engineering Problems （CEP） is the core of current engineering education in China. This paper first analyzes the relationship between complex?engineering problems and the teaching system of the course on PowerElectronics Technology; secondly， it gives specific details from the?aspects of course teacher team building and course outline revision， as well as the application of some teaching methods that have a directeffect on the cultivation of this ability. Implementation suggestions， among which the teaching method mainly considers the case tea-ching method， the project leading teaching method， the competition driving method and the modern teaching method under the back-ground of information technology; finally， it gives some practical approaches to the reform of the learning effect evaluation system and?the continuous improvement of teaching quality.

Key words power electronic technology; complex engineering pro-blem; teaching innovation; micro lecture; MOOC; network teaching resources; flipped classroom; rain classroom

1 引言

自2006年我國正式啟動工程教育專業(yè)認(rèn)證試點工作以來，我國高校工程教育質(zhì)量在國際社會上的認(rèn)可度越來越高?！豆こ探逃龑I(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》是我國現(xiàn)行權(quán)威的工程教育本科專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，其中工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展、溝通等八條畢業(yè)要求中均涉及復(fù)雜工程問題（Complicated Engineering Problems，CEP）[1-2]?！度A盛頓協(xié)議》要求四年本科畢業(yè)生達(dá)到能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復(fù)雜工程問題，所以復(fù)雜工程問題承擔(dān)著畢業(yè)生能力層次的任務(wù)。

蘭州理工大學(xué)（原甘肅工業(yè)大學(xué)）已有自動化、機械設(shè)計制造及其自動化、土木工程、金屬材料工程等八個專業(yè)通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。2019年，工程教育專業(yè)認(rèn)證專家組對電氣工程及其自動化、計算機科學(xué)與技術(shù)、機械電子工程等多個專業(yè)進(jìn)行了入?？疾?。電力電子技術(shù)作為電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，具有理論性、實踐性和綜合性都很強的特點。在學(xué)校主張實施本科專業(yè)認(rèn)證意向形成初期，課程團(tuán)隊就面向區(qū)域與行業(yè)的發(fā)展需求，堅持“以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”三大核心理念，并結(jié)合電氣工程及其自動化、自動化專業(yè)學(xué)生特點，對電力電子技術(shù)課程從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評價考核等角度進(jìn)行改革與實踐[3]。

目前，課程團(tuán)隊圍繞如何利用電力電子技術(shù)課程更好地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力進(jìn)行再探究、再實踐。本文圍繞該課程重點，從課程師資團(tuán)隊建設(shè)、課程大綱修訂、課程教學(xué)方法改革、基礎(chǔ)訓(xùn)練與創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)等方面，分析CEP解決能力培養(yǎng)的思路。

2 培養(yǎng)復(fù)雜工程問題解決能力的主要舉措

中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會參照《華盛頓協(xié)議》要求，并根據(jù)我國高校實際情況明確界定[4]：復(fù)雜工程問題必須具備下述特征（1），同時具備下述特征（2）～（7）的部分或全部。其中第（1）條是必備的，它指出了復(fù)雜工程問題的本質(zhì);第（2）～（7）條是可選的，它們可視為復(fù)雜工程問題的表象。不同專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題表象可能不同，但都需遵循第（1）條，即必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決。

解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)必須走出幾個誤區(qū)：將復(fù)雜工程問題作為教學(xué)內(nèi)容，專門安排某些復(fù)雜工程問題教學(xué)環(huán)節(jié)等同作為背景的復(fù)雜工程問題;簡單地以“難”等同復(fù)雜工程問題，用提高專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課的技術(shù)難度來實現(xiàn)復(fù)雜工程問題的達(dá)成，或要求每門實驗課、課程設(shè)計課都有很高的實現(xiàn)難度;將培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題的能力”狹義化為參加一個具體復(fù)雜工程的開發(fā)，甚至僅僅依靠畢業(yè)設(shè)計、綜合實踐等一兩個實踐環(huán)節(jié)[4]。學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)必須通過整個培養(yǎng)體系實現(xiàn)，要將其進(jìn)行分解，落實到培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)。

可將解決復(fù)雜工程問題的能力分解為歸納、建模、分析問題的能力，系統(tǒng)性分析問題的能力，工程決策能力[5]。同時，解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)也需要分解落實到培養(yǎng)體系的各個環(huán)節(jié)。如按照支持解決復(fù)雜工程問題畢業(yè)要求達(dá)成的需要，安排理論課程內(nèi)容，開展理論教學(xué)活動，進(jìn)行理論教學(xué)評價，安排實踐教學(xué)內(nèi)容，開展實踐教學(xué)活動，進(jìn)行實踐教學(xué)評價。所有教學(xué)課程都應(yīng)包含在支撐畢業(yè)要求的課程體系中。本文就如何通過電力電子技術(shù)課程教學(xué)活動來訓(xùn)練學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的幾點措施進(jìn)行主要說明。

課程師資團(tuán)隊建設(shè)與課程大綱修訂

1）課程教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)。教師是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的組織者，所以課程團(tuán)隊首先必須正確掌握復(fù)雜工程問題解決能力的界定，明確解決專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題的能力特征;其次，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)以教為中心、唯書本論的教學(xué)理念，接受我國工程教育專業(yè)認(rèn)證所主張的“以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”教育新理念，學(xué)習(xí)和應(yīng)用適宜于工程教育的其他新理念，如STEP、STEM、CDIO等;再次，強化授課教師的工程知識和技術(shù)應(yīng)用能力，在教學(xué)活動中將電力電子技術(shù)知識和工程場景相結(jié)合，充分融合企業(yè)解決非技術(shù)因素和技術(shù)成果相沖突時的方法論、經(jīng)濟(jì)決策和考量社會非技術(shù)因素的思維方式，潛移默化地提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力;最后，需要不斷地進(jìn)行教學(xué)研究，并將研究成果滲透到教學(xué)過程中，不斷提升自身業(yè)務(wù)素質(zhì)。

2）制定新版課程教學(xué)大綱。傳統(tǒng)教學(xué)大綱重視課程知識體系的完備性，課程目標(biāo)重點在于相關(guān)知識點的傳授和學(xué)習(xí)，出現(xiàn)“重教輕學(xué)”的問題，課程學(xué)習(xí)后學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和工程實踐能力得不到訓(xùn)練，更無法談及復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)。課程團(tuán)隊需要結(jié)合課程開設(shè)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)點，堅持“以學(xué)生中心，成果導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的理念要求，突出復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)核心來重新制定教學(xué)大綱，主要包括課程教學(xué)目標(biāo)重設(shè)、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與優(yōu)化、教學(xué)模式與教學(xué)方法改進(jìn)、學(xué)習(xí)效果考評機制重建等。通過認(rèn)真履行與工程教育專業(yè)認(rèn)證內(nèi)涵高契合度的教學(xué)大綱，并在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)活動中“以學(xué)為中心”，突出學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力，必將提升工程技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

課程教學(xué)方法改革 ?按照布魯姆的教育目標(biāo)分類法，在認(rèn)知領(lǐng)域的教育目標(biāo)可劃分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造等六種級別，并且從最簡單到最復(fù)雜予以順序排列[7]。其中，記憶、理解、應(yīng)用屬于初級認(rèn)識或低層認(rèn)識，是傳統(tǒng)課堂教學(xué)中所關(guān)注的基礎(chǔ)知識傳授和基本應(yīng)用能力培養(yǎng);分析、評價及創(chuàng)造屬于高級認(rèn)識，這種高層次認(rèn)知能力培養(yǎng)是未來課堂所重點關(guān)注的。

事實上，將復(fù)雜工程問題解決能力分解為歸納、建模、分析問題的能力，工程決策能力，系統(tǒng)性分析問題的能力之后，可以發(fā)現(xiàn)分解后的三大能力是與分析、綜合及評價相關(guān)聯(lián)、相互包含的，所以復(fù)雜工程問題解決能力與布魯姆認(rèn)知領(lǐng)域教育目標(biāo)中的高層次認(rèn)知能力培養(yǎng)是相統(tǒng)一的。因此，應(yīng)該將培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力作為重點目標(biāo)之一，通過精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，合理應(yīng)用教學(xué)方法，將培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題應(yīng)具備的能力貫穿教學(xué)始終。

高等教育教學(xué)方法形式多樣并各有其特點。講授式教學(xué)通過系統(tǒng)的語言描述、展示、講解、示范來促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，具有知識系統(tǒng)性和條理性好、總結(jié)功能強、傳授效率高等優(yōu)點，有利于學(xué)生初級認(rèn)知能力的形成;但對高級認(rèn)知能力培養(yǎng)效果一般，需要結(jié)合其他教學(xué)方法予以實施。下面就利用哪些教學(xué)方法能促進(jìn)復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)進(jìn)行簡要介紹。

1）案例教學(xué)法。案例教學(xué)法不僅能夠使學(xué)習(xí)者了解與教學(xué)主題相關(guān)的基本概念或基礎(chǔ)理論，而且能夠通過基礎(chǔ)知識來解決實際問題，進(jìn)而訓(xùn)練學(xué)生高層次認(rèn)知能力。電力電子技術(shù)課程內(nèi)容中涉及大量的電力電子電路，這些電路絕大多數(shù)都有實際的工程應(yīng)用背景，且電路中的開關(guān)器件又是電力電子器件的實際應(yīng)用。電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，實踐性強，為教學(xué)活動中采用案例教學(xué)法形成得天獨厚的優(yōu)勢。結(jié)合工程實際應(yīng)用背景，恰當(dāng)?shù)剡x擇工程實例，創(chuàng)設(shè)問題情境并完成引入、分析、討論、問答等師生互動過程，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)知識的重組，實現(xiàn)知識的遷移，可有效訓(xùn)練學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2）項目引領(lǐng)教學(xué)法。項目引領(lǐng)教學(xué)法以學(xué)生為主體、教師為輔，符合工程教育專業(yè)認(rèn)證基本理念。同時，該教學(xué)法又突出理論與實踐相融合，注重鍛煉學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題、自我分析問題與解決問題的能力。這些恰恰說明了項目引領(lǐng)教學(xué)法符合復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)的操作要求。結(jié)合本課程實踐性強的特點，可以以該課程為基礎(chǔ)來構(gòu)建三級項目，由此來鞏固學(xué)生對課程基礎(chǔ)知識的掌握，如功率器件的選擇，電力電子電路設(shè)計、制作及調(diào)試，進(jìn)而訓(xùn)練學(xué)生的動手能力和思考能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。圍繞電力電子技術(shù)課程綜合性強的特點，結(jié)合自動控制原理、數(shù)/模電子技術(shù)、電路、電氣檢測技術(shù)等進(jìn)行課程群開發(fā)，以解決復(fù)雜工體問題為目的建設(shè)二級項目，構(gòu)建復(fù)雜工程案例，培養(yǎng)學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力。二級、三級項目在構(gòu)建過程中都需要遵循真實性、趣味性、融合性、明確性等原則，并且符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，才能更好地為競賽、畢業(yè)設(shè)計等一級項目服務(wù)。

3）競賽驅(qū)動法。電子設(shè)計類競賽涵蓋面寬，綜合性強，且能較全面地體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的特征。如電力電子類題目，既來源于生產(chǎn)生活實際又高度抽象，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時無法僅靠常規(guī)方法就予以完全解決，需借助Multisim、MATLAB、PSIM、PSpice等仿真軟件進(jìn)行調(diào)試和測試;電力電子系統(tǒng)設(shè)計涉及主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計、檢測電路設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計、系統(tǒng)級與器件級保護(hù)設(shè)計等，各部分涉及不同的課程、學(xué)科、理論和技術(shù)，問題相關(guān)各方既獨立又統(tǒng)一。系統(tǒng)中控制電路參數(shù)設(shè)計需要基于系統(tǒng)模型才能合理完成，所以需要結(jié)合數(shù)理知識、專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)課進(jìn)行建模和分析。

在參賽學(xué)生賽前培訓(xùn)和準(zhǔn)備階段，將通識課、專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課知識相結(jié)合，通過設(shè)計方案選擇相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)、器件型號，并設(shè)計相關(guān)的程序算法，再經(jīng)歷裝置調(diào)試、實驗測試和數(shù)據(jù)分析，鍛煉學(xué)生的動手能力和知識遷移能力。在電子設(shè)計競賽過程中，參賽隊員能夠更深入地分析競賽題目，通過知識遷移、能力發(fā)揮，創(chuàng)新性地形成自己的設(shè)計方案，并考慮問題矛盾的方面，使學(xué)生建立完整的工程設(shè)計全局意識。指導(dǎo)教師、課程組、院校相關(guān)部門對競賽進(jìn)行分析總結(jié)，進(jìn)而對教學(xué)課程、培養(yǎng)計劃等進(jìn)行修訂，可以形成特有的競賽驅(qū)動模式，以此來支撐學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)[8]。

4）信息化背景下的現(xiàn)代講授式教學(xué)法。美國著名認(rèn)知教育心理學(xué)家奧蘇伯爾認(rèn)為：絕大多數(shù)知識需要學(xué)生通過接受式學(xué)習(xí)來掌握，而通過自主探究所掌握的知識是有限的[9]。基礎(chǔ)理論知識對復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)起鋪墊性作用，專業(yè)課程是學(xué)生進(jìn)行知識遷移和能力培養(yǎng)的知識載體，所以講授式教學(xué)方法是學(xué)生在復(fù)雜工程問題解決能力前期培養(yǎng)過程中進(jìn)行專業(yè)知識學(xué)習(xí)的有效方法。

然而，在信息化時代背景下，教學(xué)資源和教學(xué)模式日趨多樣化，微課、慕課等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源以及翻轉(zhuǎn)課堂、雨課堂等線上線下混合式教學(xué)模式的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)講授式教學(xué)法又注入新的生命力。這種教師主導(dǎo)活動、學(xué)生主體參與的混合模式，要求教師發(fā)揮引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，學(xué)生充分體現(xiàn)作為學(xué)習(xí)過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性，由此影響和體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。這恰恰反映了工程教育專業(yè)認(rèn)證中的“以學(xué)生為中心”的核心理念，而且能為初級認(rèn)知與高級認(rèn)知提供有效的實施手段。目前，在講授式教學(xué)方法中引入信息技術(shù)多種，但需要結(jié)合學(xué)生個性、教學(xué)任務(wù)和教學(xué)資源確定出最終的實施方案。

基礎(chǔ)訓(xùn)練與創(chuàng)新實踐平臺建設(shè) ?認(rèn)知能力培養(yǎng)遵循由初級認(rèn)識向高級認(rèn)識發(fā)展的規(guī)律，復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)屬于高級認(rèn)識范疇，前期需經(jīng)歷工程認(rèn)知、簡單工程問題解決能力培養(yǎng)這一循序漸進(jìn)的過程。因此，建立集本專業(yè)技能訓(xùn)練與創(chuàng)新能力培養(yǎng)為一體的綜合實踐平臺顯得非常必要。為增強學(xué)習(xí)效果，學(xué)生可同時通過仿真軟件對電力電子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計分析，目前應(yīng)用相對廣泛的有PSIM、PSpice、Saber、MATLAB/Simulink等仿真軟件。使用這些軟件可以模擬真實電路，觀察電壓、電流、頻率變化情況，對系統(tǒng)的分析與綜合更具有直觀性，加強了學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解。

采用“能實不虛，虛實結(jié)合”和“重基礎(chǔ)，重實踐”的總體原則，建設(shè)半實物仿真的電力電子技術(shù)開放型基礎(chǔ)實踐平臺?；诖耍瑢⒔處焾F(tuán)隊科學(xué)研究中所發(fā)現(xiàn)的新問題以及相應(yīng)的解決新方法工程技術(shù)化、課程化、實驗化，通過合理設(shè)置符合區(qū)域特色和工程背景的實踐創(chuàng)新平臺實驗內(nèi)容，鞏固電氣工程及其自動化、自動化專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)知識，訓(xùn)練其工程實踐能力，培養(yǎng)其科研創(chuàng)新意識。同時，使學(xué)生了解行業(yè)背景，掌握行業(yè)技術(shù)，最終提高高校人才培養(yǎng)和行業(yè)人才需求之間的契合度，提升高校工程教育質(zhì)量。

3 學(xué)習(xí)效果評價體系改革與教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)

學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是課程教學(xué)研究和改革成功與否的根本所在，所以建立合理、有效的教學(xué)評價體系，對于及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升具有積極作用。針對電力電子技術(shù)課程目標(biāo)，設(shè)計與之相匹配的課程考核與評價方式，學(xué)習(xí)效果評價體系除了考核知識目標(biāo)的掌握情況，還應(yīng)堅持能力導(dǎo)向，體現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、分析、解決復(fù)雜工程問題的能力，以及創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力考核，遵循個性化評價、過程化評價、多元化評價原則，多方面、多角度地考核和評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

為提高課程教學(xué)質(zhì)量，課程團(tuán)隊需要建立課程教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)機制，以課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度來支持畢業(yè)要求的達(dá)成。在課程教學(xué)環(huán)節(jié)末端，根據(jù)學(xué)生考核數(shù)據(jù)來計算分析電力電子技術(shù)課程目標(biāo)達(dá)成情況，結(jié)合學(xué)習(xí)效果總結(jié)出本年度課程教學(xué)實施過程中存在的主要問題，制定出下一年度課程教學(xué)改進(jìn)的相關(guān)措施，由此形成該課程閉環(huán)式教學(xué)質(zhì)量改進(jìn)措施。教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)必須建立在學(xué)習(xí)效果科學(xué)合理的評價體系之上，整個教學(xué)環(huán)節(jié)需要堅持能力導(dǎo)向、多元過程化評價。

4 結(jié)語

電力電子技術(shù)是一門實踐性、理論性及綜合性均很強的課程，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)平臺等角度來看，都能夠很好地支撐學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)。本文根據(jù)復(fù)雜工程問題與該課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的關(guān)系，剖析一些可有效利用的實施方法。這些方法在實際教學(xué)中無須面面俱到，應(yīng)根據(jù)實際教學(xué)資源、學(xué)生特性、教師當(dāng)前能力擇優(yōu)而選，可當(dāng)某方面做得比較成熟時，再考慮從其他幾個方面入手;在教學(xué)評價體系中堅持能力導(dǎo)向，以及個性化評價、過程化評價、多元化評價原則，最終為提高電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問題能力發(fā)揮課程的有效支撐作用。

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