翻转课堂教学法在《电力电子技术》课程教学设计中的应用与探索

石荣亮 陆东平 张烈平 李海侠

翻转课堂教学法在《电力电子技术》课程教学设计中的应用与探索

石荣亮1陆东平2张烈平1李海侠1

（1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林 541006；
2.桂林理工大学图书馆，广西 桂林 541004）

翻转课堂教学方法以现代科学技术为依托，通过利用学生先“学”教师后“教”的教学模式，能够有效地激发学生的主体性、发挥教师的引导与监督作用以及提高课堂教学效果。文章结合桂林理工大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，对翻转课堂教学方法在《电力电子技术》课程教学设计中的应用进行了有益探索，即将翻转课堂教学方法划分为“课下学”“课上教”“课后省”与“实时评价”四个模块，并给出了翻转课堂教学方法的总体设计结构。

翻转课堂教学方法；
电力电子技术；
总体设计结构

近年来，以光伏与风电为代表的电力电子化可再生能源接入电网得到规模化应用，传统电力系统逐步向电力电子化电力系统方向发展[1]。随着我国智能化电力系统建设的高速发展与低碳节能理念的强力推进，电力电子化电力系统呈现出蓬勃发展态势，电力用户对电力系统也提出了更高的要求，在保证用电安全可靠与高质量供电的基础上，对供电的环保性、经济性与快捷性等方面均增加了需求。电力电子技术贯穿于电力系统发展的全环节，涵盖诸多专业知识领域。这些知识不仅门类多样、相互交叉，而且理论性与实践性高度融合，要求学生具备自主学习与实践创新能力。因此，电气工程、自动化专业一方面需要培养基础知识扎实、专业知识面广泛的电力电子技术专业人才，另一方面需要培养适应电力系统行业发展，具备自主学习意识、动手实践能力与应用创新精神的综合型电力电子技术人才。《电力电子技术》课程教学模式的改革隶属当下高等院校电气、自动化类等本科专业教学改革的重大研究课题之一。

《电力电子技术》是一门理论紧密联系实践，且知识面融合了电力、电子与控制三大学科领域的综合性课程[2]。教师在课程教学上除考虑理论教学的系统性外，还需在实验教学中重点关注电力电子技术理论在电力系统中的工程应用。

翻转课堂翻译自“Flipped Classroom”，指的是重新调整课堂内外的时间，把学习决定权从教师转移至学生，学生在课前、课外观看教师的视频讲解并自行学习，教师不再利用课堂时间讲授知识，课堂变成了老师与学生、学生与学生之间有效互动的场所，包括合作探究、答疑解惑、完成学业等，从而达到更好的教育效果。《电力电子技术》作为一门应用型专业课程，其课程教学特别是实验教学的主要目标是验证理论教学中学习的知识点，使抽象的理论知识实例化、应用化与具体化，以加深学生对理论知识的理解。因此，《电力电子技术》的课程教学尤其是实验教学与翻转课堂具有相似的方法与共同的目标，即是利用课堂实践互动教学，深化学生对知识的理解层次。

为了提高《电力电子技术》课程的教学效果，国内诸多高校教师对翻转课堂教学方法进行了有意义的应用与探索。韩涛等[3]提出了采用基于线上线下的混合式教学模式，并引入启发创新性模式电子仿真、翻转课堂、校企合作与加强师资队伍建设等方式，以解决地方应用型本科院校《电力电子技术》实验教学中存在的问题。许胜[4]以《电力电子技术》课程应用为例，探索了传统课堂教学与线上学习的深度融合机制，并构建了基于“SPOC＋翻转课堂”的线上线下混合式教学模式，以强化学生学习过程主体作用并增强教师教学过程的引导、启发、监控主导作用。郑扬冰等[5]针对《电力电子技术》课堂教学中出现的问题，重点阐述了翻转课堂模式的教学环节、资源建设，旨在使学生更好地掌握电力电子技术并提升工程实践能力，为社会培养符合需求的应用型人才。南余荣[6]将翻转课堂教学方法引入《电力电子技术》实验教学之中，重点阐述了基于翻转课堂模式的实验教学设计、应用实例和实验效果评价，实践结果表明了基于翻转课堂教学模式的实验提高了课程的实验教学质量。林金燕等[7]通过引入翻转课堂理念，借助线上教学平台构建了《电力电子技术》课程的线上＋线下混合式课程教学模式，并在教学实施中采用O-PIRTAS翻转课堂教学法，以着重提升学生在教学过程中的参与程度、主动学习能力并突出学生的主体性和主导作用。

以上文献对翻转课堂教学方法在《电力电子技术》课程的理论教学或实验教学中的应用与实践进行了有益的探索，可为翻转课堂教学方法在《电力电子技术》教学过程中进一步的应用与研究提供一定的研究基础与设计思路。鉴于此，本文结合桂林理工大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，对翻转课堂教学方法在《电力电子技术》课程教学设计中的应用进行了有益探索，即将翻转课堂教学方法划分为“课下学”“课上教”“课后省”与“实时评价”四个模块，并给出了翻转课堂教学方法的总体设计结构。

2007年，美国科罗拉多州Woodland Park High School的化学老师Jonathan Bergmann 和 Aaron Sams在课堂中采用“翻转课堂式”教学方法，并推动该教学方法在美国中小学教育中的使用。随着互联网的快速发展与普及，翻转课堂教学方法在2011年后逐渐在美国乃至全世界范围内流行起来。翻转课堂教学方法将“教”与“学”进行翻转，学生需先课下自主学习知识，然后回归课堂参与教学互动协助学生完成知识内化，并将具体教学内容的学习从教师灌输过渡至学生自学。换而言之，翻转课堂教学方法把学生的课下自学作为教学方法实施的基础，而将课上师生以及生生的交流协作作为知识的内化与建构，从而实现良好的课程学习效果。

根据哈佛大学物理学教授Eric Mazur所提出的Peer Instruction教学方法，学习主要划分为知识的传递和知识的内化两个步骤。对于传统的课堂教学方法，其知识的传递主要依靠教师在课上讲授教学内容，而知识的内化主要借助于学生在课后写作业的过程。与之迥异的是，翻转课堂教学方法的知识传递主要体现在学生课前利用教学视频、线上课程等资源进行自主与自步学习，而知识的内化则通过课上教师与学生、学生与学生之间进行深层次、高效的互动得以完成。

此外，翻转课堂教学方法是混合式教学方法的重要表现形式之一，其能够大幅度发挥混合式教学方法在课程教学特别是应用型课程教学中的优势。翻转课堂教学方法既是智能化视频、社区等多媒体网络资源与传统化讲义、PPT等教学工具的混合，又是学生课前自主学习与师生课上引导性学习的混合，更是直接讲解知识与构建主义学习的一体化融合。

翻转课堂教学方法通过调整知识传递与知识内化的先后顺序，使得传统教学方法中教师与学生的角色发生转变，并重新对课程课堂教学的时间进行规划，以更为高效地利用各种优质教学资源完成高质量的知识学习。文中结合《电力电子技术》课程的理论教学和实验教学内容以及课程教学大纲培养目标，将翻转课堂教学方法划分为“课下学”“课上教”“课后省”与“实时评价”四个模块。基于翻转课堂的《电力电子技术》课程教学设计总体结构如表1所示。

表1 基于翻转课堂的《电力电子技术》教学设计总体结构

翻转课堂理论教学实验教学 课下学先学：复习已学《电路原理》《数字电子电路》等课程知识并逐步拓展至新知识。先学：将已学《数字电子电路》课程知识拓展至电力电子器件、拓扑结构与控制的应用。

课上教情境：构建和谐、友好与互助课程学习活动的环境、背景。情境：根据需求进行整流、斩波、逆变、变频调压等电力电子变换。

协作：小组成员之间对课程理论知识进行相互交流、研讨、协商并得到启发。协作：小组同学相互协作共同完成实验，并记录实验现象、分析实验数据、总结实验规律。

会话：学习过程中教师、成员以及环境要素的相互作用，通过相互协作并共享团队群体的思维成果。会话：学生在实验过程中通过师生、生生等互动协作方式发现、分析、解决与分享实验中遇到的问题及得到的启发。

课后省知识内化：学生总结在课前自习、课堂上学习与师生互动交流成果，进一步实现知识体系的重建。知识内化：学生课下总结、撰写实验报告，在已有知识体系上对新知识进行关联、拓展，完成新知识体系的构建。

实时评价意义建构：学生通过师生与生生协作及新旧知识经验的相互作用，获得对新事物内在本质的理解。意义建构：学生通过实验操作锻炼并对实验过程的现象、数据、规律进行总结，整合新旧知识，加深理论学习理解。

为了将翻转课堂教学方法有机地融入到《电力电子技术》课程的教学过程中，并构建出一套良好的教学方法闭环反馈体系，文中结合桂林理工大学自动化本科专业的《电力电子技术》课程在教学过程中所出现的实际情况，依次对翻转课堂教学方法所包含的“课下学”“课上教”“课后省”与“实时评价”四个主要模块进行有意义的应用与探索。

4.1 “课下学”——知识金字塔构建

学生“课下学”要从《电力电子技术》课程所涉及的核心内容，即控制信号、电路结构、负载类型3个角度出发，研究DC-DC、DC-AC、AC-DC等典型电路拓扑的输入输出关系，完成抽象知识具体化，以培养学生课下学过程中分析、设计、操作与调试的综合能力。建构基于系统综合设计与调试的“课下学——学生知识金字塔”知识体系，需侧重围绕控制信号产生的机理是什么，电路结构是怎么形成的和在不同的负载类型下系统的输出结果如何这3个问题来开展。例如，桂林理工大学自动化专业任课教师帮助学生对已学过专业课程的知识体系进行梳理与引导，即主要包括如何利用模拟电子技术与数字逻辑电路来产生系统的控制信号，并如何利用电路原理与电机原理等专业知识来分析负载类型对系统输出的影响机制，且指导学生如何正确使用万用表、示波器等测量仪器设备并强调实验操作安全制度等。新知识包括电力电子器件及其工作特性，电力电子典型拓扑等。通过类似的旧知识体系梳理、新知识架构重建等环节帮助学生高效地并有目的性地进行课下学。

4.2 “课上教”——达成教师、学生与知识三位一体

学生在“课下学”的部分对课程知识点的学习与意识形态构建是零散的，课堂上通过学生之间相互提问、共同实践、协同互助，教师指导、点拨、答疑等方式形成有效互动，并在仿真或实验情景下学生进行实际操作训练，即完成对已有知识的有效关联与拓展从而构成新的知识体系。《电力电子技术》在“课上教”的部分是利用师生、生生的协作互动和理论知识、应用实践的良性互动来衍生新知识，并引导学生进行有效的课上学。例如，桂林理工大学自动化专业任课教师在课上讲授DC-AC变换器这一章节内容时，结合自身所主持的广西自然科学基金面上项目“光储系统的虚拟惯量与智能协同控制的研究”中所涉及的如何实现大功率储能变换器与电网实现友好调频交互的技术问题，引导学生自主梳理DC-AC变换器的拓扑结构、变换机理、反馈控制与PWM控制信号产生等系统知识，搭建教师、学生与知识三位一体学习架构。

4.3 “课后省”——新知识体系衍生

“课下学”完成了知识点的学习，“课上教”通过实践具象了新的知识，“课后省”阶段，学生通过对知识体系和实验现象的总结与分析，巩固新知识，并找到知识间的关联，建构新的稳固知识体系。例如，我校自动化专业授课教师要求学生在课后探索与分析为何DC-AC变换器与AC-DC变换器具有相同的拓扑结构却具有不同的功率流向。学生通过“课后省”这一学习过程明白了具有相同拓扑的变换器输出电流流向是由其电流给定的正、负值所决定的。因此，翻转课堂中的“课后省”使学生从已学知识完成新知识衍生，并完成新知识体系的搭建，从而保证学生能够进一步升华与内化课程知识。

4.4 “实时评价”——翻转课堂效果评估

“实时评价”是保证翻转课堂教学方法高效应用的关键环节，贯穿“课下学”“课上教”“课后省”各个环节，也是衡量学生学习情况的评价标准。为此，桂林理工大学自动化教研室对《电力电子技术》的评价体系进行了改革优化，通过设计可量化的考核指标来公正评价学生的学习效果与能力提升，即合理分配考勤、考试成绩、实验报告、翻转课堂教学法各环节等方面的评价权重，并结合学生在“课下学”“课上教”“课后省”各环节中的应用水平、认知层次与参与程度等重要因素构建出一套更为客观、完善与合理的课程实时评价体系。

综上所述，文中在综合考虑《电力电子技术》课程的知识体系结构的基础上，将学生已学知识体系与需要学习的新知识相互结合，构建成“课下学”学生知识金字塔；
同时依托“课下学”所掌握知识层次，课堂上通过师生、生生的有机互动和知识、实践的相互作用以实施“课上教”教学过程；
学生在“课后省”阶段则通过对知识点的总结与分析，巩固新知识并找到知识间的关联，以建构新的稳固知识体系；
“实时评价”的设计将有助于“课下学”“课上教”与“课后省”顺利实施，以形成学、教、省、评有机融合的教学方法。

翻转课堂教学方法以现代科学技术为依托，通过利用学生先“学”教师后“教”的教学方式，可有效地激发学生的主体性、发挥教师的引导与监督作用以及提高课堂教学效果。鉴于此，本文结合桂林理工大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，将翻转课堂教学方法应用在该课程的教学设计中，即将翻转课堂教学方法分成“课下学”“课上教”“课后省”与“实时评价”四个模块，并给出了翻转课堂教学方法的总体设计结构。同时，利用实时评价体系对学生在各模块中的学习效果进行合理性评价，形成“学”“教”“省”“评”四位一体的教学方法。

[1] 石荣亮，张烈平，王文成，等. 基于改进型级联SOGI-FLL的虚拟惯量控制技术[J]. 太阳能学报，2022，43(1): 235-241.

[2] 石荣亮，张烈平，于雁南. “双创”背景下《电力电子技术》课程改革的探索与实践[J]. 大众科技，2021，23(4): 118-120.

[3] 韩涛，肖波，詹习生，等. 基于MATLAB的电力电子技术实验教学改革[J]. 湖北师范大学学报，2021，41(4): 103-107.

[4] 许胜. 线上线下混合式教学模式探索与应用——以“电力电子技术”课程应用为例[J]. 电气电子教学学报，2021，43(5): 42-46.

[5] 郑扬冰，薛晓，刘伟，等. 基于翻转课堂的电力电子技术教学思考[J]. 发明与创新(职业教育)，2021(4): 90，192.

[6] 南余荣，孙惠英. 翻转课堂模式在电力电子技术实验中的应用[J]. 教育教学论坛，2019(7): 192-194.

[7] 林金燕，陈珍珊，黄永杰. 基于翻转课堂的电力电子技术课程教学模式构建与实践[J]. 电子世界，2020(8): 25-26.

Application and Exploration of Flipped Classroom Teaching Method in the Teaching Design of

Relying on modern science and technology, the flipped classroom teaching method can effectively stimulate students" subjectivity, give play to teachers" guiding and supervising role, and improve classroom teaching effect by using the teaching mode of "learning" from teachers before "teaching". Combined with the actual teaching situation ofcourse of automation major in Guilin University of Technology, this paper makes a beneficial exploration on the application of flipped classroom teaching method in the teaching design ofcourse, that is, the flipped classroom teaching method is divided into four modules: "learning after class", "teaching in class", "saving after class" and "real-time evaluation", and gives the overall design structure of flipped classroom teaching method.

flipped classroom teaching method; power electronics; overall design structure

G642

A

1008-1151(2022)09-0166-03

2022-03-05

广西高等教育本科教学改革工程一般项目“基于建构主义导向的‘翻转课堂’教学法在《电力电子技术》课程教学中的应用研究与实践”（2021JGB205）；
广西高等教育本科教学改革工程立项项目（2016JGA100）。

石荣亮（1987－），男，上海人，桂林理工大学机械与控制工程学院讲师，博士，硕士生导师，从事自动化专业的教学和科研工作。

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