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摘要：為了提高電力電子技術實驗的教學質量，將翻轉課堂教學模式引入實驗教學之中。介紹了基于翻轉課堂模式的實驗教學設計、應用實例和實驗效果評價。結果表明，基于翻轉課堂教學模式的實驗提高了實驗教學效果。
翻轉課堂是教師根據教學目標，將教學內容創建為微視頻，穿插要解答的基本問題[1]。學生在課前通過觀看視頻進行學習并解答基本問題；在課堂上討論、練習、深入探究；在課后總結、鞏固提高。所謂“翻轉”，就是指在教師總體把控和引導下，具體教學內容的主動權從教師向學生的轉移[2]，并且突出強調了“學”優先于“教”。傳統的實驗課程也是由學生按實驗指導書獨立完成實驗的，但由于實驗時間、實驗條件、實驗要求等原因，學生很難深層挖掘實驗關鍵問題，為此，本文采用翻轉課堂教學模式，以電力電子技術實驗中的應用實例來說明采用該模式的效果[3]。
一、基于翻轉課堂模式的實驗教學設計
翻轉課堂教學模式在實驗教學中的應用，不僅僅要改變課前、課堂、課后的教師信息傳遞方式和學生的學習方式，而且要在發揮學生的主觀能動性方面、發揮團隊協作精神、創新精神、課堂氛圍方面有所設計，改變傳統實驗教學中教師講解后學生進行實驗驗證的教學形式[4]。
（一）學時與內容總體設計
電力電子技術有16學時實驗，原有8個小實驗，每個實驗2個學時，每個實驗內容過于單薄，實驗學時偏少，導致學生很難在完成實驗指導書要求后的剩余時間里進一步探索，久而久之，完成實驗驗證成為習慣，不利于思辨能力的培養。為此，在不減少實驗內容和總實驗學時的情況下，將8個實驗改為4個實驗單元，每個實驗單元4學時。這樣，有利于實驗室的教學安排，有利于發揮學生探究的主動性，有利于實驗內容的拓展，啟發學生的思維[5]。
（二）基于翻轉課堂模式的實驗階段
針對電力電子技術特點和教學要求，仿照翻轉課堂的教學模式，推進課前、課堂和課后3個階段的實施，有意識地培養學生自主學習意識，實現師生角色的互換。1.課前階段。要求學生課前進行相關學習和理論分析，學習課程網站實驗項目的教學微視頻、電子文檔、PPT課件和其他相關素材。學生在實驗室現場觀察、熟悉相關設備后寫出預習報告，在網站上回答基礎性問題和提高性問題后才可以在網上遞交預習報告。指導教師及時審閱預習報告，通過后，學生才被允許參加實驗。指導教師重點關注與探究性實驗有關的原理性問題，與學生建立信息互通與交流機制，如果發現原理性錯誤，應及時與學生溝通，糾正錯誤，讓學生及時調整方案。在電力電子技術實驗中，一般可以有很多種方案實現實驗目標，在學生預習過程中，教師應積極回應學生所提的問題，全班同學也可以參與討論，啟發思維[6]。2.課堂階段。教師在講解內容、操作、安全等事項后，學生即可進入實驗。在實驗過程中，學生的一些操作問題主要由實驗員解決，教師主要觀察并全面記錄小組的表現、小組成員之間的討論、提高部分的實驗方案等三個方面。是否能夠很好地完成提高部分實驗，是衡量翻轉課堂模式下實驗教學是否成功的重要標志。在此過程中，教師在不同實驗小組發揮著不同的作用。針對實驗小組的學科基礎具有差異性，教師宜采用鼓勵、引導、講解等不同策略。由于已有預習報告，教師對個別小組的講解不會花費太多時間，一般也不會影響對其他小組的指導。3.課后階段。實驗結束后，有四個途徑對實驗進行總結與提高，一是課程網站論壇的實驗專區中討論實驗的得失；二是社交群聊；三是學生在網上遞交實驗總結報告，實驗設計、心得、疑問都會在總結報告中體現；四是完成實驗后的一個作業。該作業為一個設計類題目，一般從20多年來全國大學生電子設計競賽電源類真題中篩選得到，直接激發了學生參加學科競賽的興趣與熱情。良好的實驗總體設計，使課前、課堂、課后的“翻轉”不會流于形式[7]。相應地，課前預習促進了課堂實驗的順利進行，完成實驗課堂中的提高部分內容，對課后設計類作業有直接的幫助作用。
二、基于翻轉課堂模式的應用實例
選取電力電子技術中“直流變換實驗”為剖析對象，實驗基本部分的核心內容簡要敘述如下：第一，用BUCK變換器實現輸入直流18V時輸出直流電壓12V；第二，用BOOST變換器實現輸入直流18V時輸出直流電壓24V。很明顯，該實驗是由原來兩個小實驗組合而成的。第三，提高部分，僅簡明扼要地提出了實驗要求：用一個直流變換器實現輸入直流18V時，使輸出直流電壓12V，也能夠使輸出直流電壓24V，同時，要求變換器效率高、輸出穩壓精度高、紋波小等。其中效率指標為輸出電流為1A時，效率達到92%，盡可能達到96%以上。
（一）實驗方案分析
能實現提高部分要求的變換器方案很多，升降壓變換器與Cuk變換器的輸入輸出直流電壓的極性是反向的，不予考慮。Zeta變換器和Sepic變換器值得考慮，但這兩個變換器電路復雜、所需的電感元件、電容元件較多，每個元件的損耗較大，對變換器效率有較大的影響。如果精心設計各電感、電容元件，減小元件損耗以提高效率，不失為一條較好的設計路徑。有沒有更好的設計方案？這需要學生去挖掘。教師在課前提供的資料中有各種變換器的基本原理介紹、組合電路工作原理、同步整流、低壓MOSFET特性（通態電阻小、開關損耗低），以及其他資料，但沒有現成的設計方案。學生可以根據現有的資料，以探索的精神設計理想的方案。
（二）直流變換實驗過程
前面已經講述了課前、課堂和課后3個階段，在此，針對具體的直流變換實驗介紹其實驗過程，同時介紹直流變換實驗的技術路徑。1.三個階段。課前的核心是針對直流變換實驗的知識學習、協作學習和熟悉環境，提高知識遷移能力。除實驗設備、環境外，網站上提供的課前資料要簡短、精煉，資料包括：幾種直流變換器的特點、MOSFET特性、幾個組合電路原理，至于其他原理性的詳細資料按需在理論課程章節中自行查找。課堂中的工作核心主要針對實驗內容的完成，尤其是如何用一個直流變換器實現直流的升降壓，而且要效率高、紋波小、穩壓精度高，教師的引導與學生的討論應圍繞主題進行。課后的核心是實驗結果分析、心得（尤其是思辨性的心得）和作業。其中作業為2015年全國大學生電子設計競賽A題真題。2.技術路徑。首先看一下BUCK變換器和BOOST變換器的原理圖。開關管T進行PWM控制時，圖1中A點電壓要么等于輸入電壓，要么約等于零，平均電壓小于等于輸入電壓，輸出電壓同樣小于等于輸入電壓，為降壓變換器。開關管T進行PWM控制時，圖2中UO＞US。為升壓變換器。在圖1和圖2的基礎上，有幾組學生設計了一種能實現升降壓、效率高的變換器，通過參數調整使輸出穩壓精度高、紋波小。圖3中的D1—D4分別是T1—T4體內二極管，圖3工作原理是：第一，當開關管T2和T4截止、T3導通、T1進行PWM控制時，該變換器成為由T1、D1和電感L構成的降壓變換器；第二，T1導通、T2和T3截止、T4進行PWM控制時，該變換器成為由電感L、T4和D3構成的升壓變換器。該變換器可以實現升降壓，無論處于升壓工作狀態還是處于降壓工作狀態，都是一個開關管、一個二極管、一個電感在工作，減少這三個元件的損耗是提高變換器效率的重要因數，這三個元件中，開關管采用適當低壓的MOSFET，只要開關頻率恰當，MOSFET的通態損耗與開關損耗都不大；電感采用的高頻鐵芯、截面較大的絲包線繞制而成，損耗也很?。晃ㄓ卸O管壓降較大，影響效率，但二極管為MOSFET體內二極管，這種情況被其中幾組同學注意到：當二極管導通時用MOSFET導通來代替，MOSFET的導通壓降很小，就可以提高變換器的效率，實際上，這個方法就是同步整流的工作原理。即該變換器處于降壓工作狀態時，T3導通T4關斷，T1和T2進行互補PWM控制，T2不再一直關斷；而該變換器處于升壓工作狀態時，T1導通T2關斷，T3和T4進行互補PWM控制，T3不再一直關斷。根據升壓、降壓變換器工作原理，用統一的方法控制該變換器，調整PWM開關頻率和控制系數、優化電感和輸出濾波電容參數，就可以提高穩壓精度、減小輸出電壓紋波。實驗結果：變換器效率至少達到了96.5%，穩壓精度為0.5%，紋波12mV，達到了設計要求。而其他小組采用Zeta變換器和Sepic變換器的最高效率只能達到93.5%。
三、翻轉課堂教學模式的實驗效果評價
從技術角度來說，圖3為一種較高水平的變換器方案，能設計出這樣的變換器，課前的準備必不可少。翻轉課堂教學模式在電力電子技術實驗中的應用效果主要體現在三個方面，一是教學模式的本身具有優勢，利用課程網站、社交軟件使課前、課后的優勢得到有效地發揮；二是以學生為中心的教學理念在實驗教學中更容易得到發揮，符合改革發展的方向，有利于提高教育質量；三是引入翻轉課堂教學模式，提高了課堂教學效率，充分激發了學生的學習興趣和實驗熱情，得到了學生的普遍好評，獲得了良好的教學效果[8]。翻轉課堂是對傳統課堂的優化和創新，教師在此過程中不是減少工作量而是要更精心地設計引導性題目，需要更加及時發現學生在討論中的問題。翻轉課堂強調學生的自主學習和個性化學習，基于翻轉課堂教學模式的實驗課堂更有利于創新能力的培養，即使學習能力較弱的學生，通過實驗要求、教師的引導、同學的幫助，也能完成提高部分的實驗內容。所以，該模式在電力電子實驗教學中具有很好的效果。
作者:南余榮 孫惠英 單位:浙江工業大學