摘要：为了提高电力电子技术实验的教学质量，将翻转课堂教学模式引入实验教学之中。介绍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。结果表明，基于翻转课堂教学模式的实验提高了实验教学效果。
关键词：翻转课堂；教学模式；电力电子技术；实验
翻转课堂是教师根据教学目标，将教学内容创建为微视频，穿插要解答的基本问题[1]。学生在课前通过观看视频进行学习并解答基本问题；在课堂上讨论、练习、深入探究；在课后总结、巩固提高。所谓“翻转”，就是指在教师总体把控和引导下，具体教学内容的主动权从教师向学生的转移[2]，并且突出强调了“学”优先于“教”。传统的实验课程也是由学生按实验指导书独立完成实验的，但由于实验时间、实验条件、实验要求等原因，学生很难深层挖掘实验关键问题，为此，本文采用翻转课堂教学模式，以电力电子技术实验中的应用实例来说明采用该模式的效果[3]。
一、基于翻转课堂模式的实验教学设计
翻转课堂教学模式在实验教学中的应用，不仅仅要改变课前、课堂、课后的教师信息传递方式和学生的学习方式，而且要在发挥学生的主观能动性方面、发挥团队协作精神、创新精神、课堂氛围方面有所设计，改变传统实验教学中教师讲解后学生进行实验验证的教学形式[4]。
（一）学时与内容总体设计
电力电子技术有16学时实验，原有8个小实验，每个实验2个学时，每个实验内容过于单薄，实验学时偏少，导致学生很难在完成实验指导书要求后的剩余时间里进一步探索，久而久之，完成实验验证成为习惯，不利于思辨能力的培养。为此，在不减少实验内容和总实验学时的情况下，将8个实验改为4个实验单元，每个实验单元4学时。这样，有利于实验室的教学安排，有利于发挥学生探究的主动性，有利于实验内容的拓展，启发学生的思维[5]。
（二）基于翻转课堂模式的实验阶段
针对电力电子技术特点和教学要求，仿照翻转课堂的教学模式，推进课前、课堂和课后3个阶段的实施，有意识地培养学生自主学习意识，实现师生角色的互换。1.课前阶段。要求学生课前进行相关学习和理论分析，学习课程网站实验项目的教学微视频、电子文档、PPT课件和其他相关素材。学生在实验室现场观察、熟悉相关设备后写出预习报告，在网站上回答基础性问题和提高性问题后才可以在网上递交预习报告。指导教师及时审阅预习报告，通过后，学生才被允许参加实验。指导教师重点关注与探究性实验有关的原理性问题，与学生建立信息互通与交流机制，如果发现原理性错误，应及时与学生沟通，纠正错误，让学生及时调整方案。在电力电子技术实验中，一般可以有很多种方案实现实验目标，在学生预习过程中，教师应积极回应学生所提的问题，全班同学也可以参与讨论，启发思维[6]。2.课堂阶段。教师在讲解内容、操作、安全等事项后，学生即可进入实验。在实验过程中，学生的一些操作问题主要由实验员解决，教师主要观察并全面记录小组的表现、小组成员之间的讨论、提高部分的实验方案等三个方面。是否能够很好地完成提高部分实验，是衡量翻转课堂模式下实验教学是否成功的重要标志。在此过程中，教师在不同实验小组发挥着不同的作用。针对实验小组的学科基础具有差异性，教师宜采用鼓励、引导、讲解等不同策略。由于已有预习报告，教师对个别小组的讲解不会花费太多时间，一般也不会影响对其他小组的指导。3.课后阶段。实验结束后，有四个途径对实验进行总结与提高，一是课程网站论坛的实验专区中讨论实验的得失；二是社交群聊；三是学生在网上递交实验总结报告，实验设计、心得、疑问都会在总结报告中体现；四是完成实验后的一个作业。该作业为一个设计类题目，一般从20多年来全国大学生电子设计竞赛电源类真题中筛选得到，直接激发了学生参加学科竞赛的兴趣与热情。良好的实验总体设计，使课前、课堂、课后的“翻转”不会流于形式[7]。相应地，课前预习促进了课堂实验的顺利进行，完成实验课堂中的提高部分内容，对课后设计类作业有直接的帮助作用。
二、基于翻转课堂模式的应用实例
选取电力电子技术中“直流变换实验”为剖析对象，实验基本部分的核心内容简要叙述如下：第一，用BUCK变换器实现输入直流18V时输出直流电压12V；第二，用BOOST变换器实现输入直流18V时输出直流电压24V。很明显，该实验是由原来两个小实验组合而成的。第三，提高部分，仅简明扼要地提出了实验要求：用一个直流变换器实现输入直流18V时，使输出直流电压12V，也能够使输出直流电压24V，同时，要求变换器效率高、输出稳压精度高、纹波小等。其中效率指标为输出电流为1A时，效率达到92%，尽可能达到96%以上。
（一）实验方案分析
能实现提高部分要求的变换器方案很多，升降压变换器与Cuk变换器的输入输出直流电压的极性是反向的，不予考虑。Zeta变换器和Sepic变换器值得考虑，但这两个变换器电路复杂、所需的电感元件、电容元件较多，每个元件的损耗较大，对变换器效率有较大的影响。如果精心设计各电感、电容元件，减小元件损耗以提高效率，不失为一条较好的设计路径。有没有更好的设计方案？这需要学生去挖掘。教师在课前提供的资料中有各种变换器的基本原理介绍、组合电路工作原理、同步整流、低压MOSFET特性（通态电阻小、开关损耗低），以及其他资料，但没有现成的设计方案。学生可以根据现有的资料，以探索的精神设计理想的方案。
（二）直流变换实验过程
前面已经讲述了课前、课堂和课后3个阶段，在此，针对具体的直流变换实验介绍其实验过程，同时介绍直流变换实验的技术路径。1.三个阶段。课前的核心是针对直流变换实验的知识学习、协作学习和熟悉环境，提高知识迁移能力。除实验设备、环境外，网站上提供的课前资料要简短、精炼，资料包括：几种直流变换器的特点、MOSFET特性、几个组合电路原理，至于其他原理性的详细资料按需在理论课程章节中自行查找。课堂中的工作核心主要针对实验内容的完成，尤其是如何用一个直流变换器实现直流的升降压，而且要效率高、纹波小、稳压精度高，教师的引导与学生的讨论应围绕主题进行。课后的核心是实验结果分析、心得（尤其是思辨性的心得）和作业。其中作业为2015年全国大学生电子设计竞赛A题真题。2.技术路径。首先看一下BUCK变换器和BOOST变换器的原理图。开关管T进行PWM控制时，图1中A点电压要么等于输入电压，要么约等于零，平均电压小于等于输入电压，输出电压同样小于等于输入电压，为降压变换器。开关管T进行PWM控制时，图2中UO＞US。为升压变换器。在图1和图2的基础上，有几组学生设计了一种能实现升降压、效率高的变换器，通过参数调整使输出稳压精度高、纹波小。图3中的D1—D4分别是T1—T4体内二极管，图3工作原理是：第一，当开关管T2和T4截止、T3导通、T1进行PWM控制时，该变换器成为由T1、D1和电感L构成的降压变换器；第二，T1导通、T2和T3截止、T4进行PWM控制时，该变换器成为由电感L、T4和D3构成的升压变换器。该变换器可以实现升降压，无论处于升压工作状态还是处于降压工作状态，都是一个开关管、一个二极管、一个电感在工作，减少这三个元件的损耗是提高变换器效率的重要因数，这三个元件中，开关管采用适当低压的MOSFET，只要开关频率恰当，MOSFET的通态损耗与开关损耗都不大；电感采用的高频铁芯、截面较大的丝包线绕制而成，损耗也很小；唯有二极管压降较大，影响效率，但二极管为MOSFET体内二极管，这种情况被其中几组同学注意到：当二极管导通时用MOSFET导通来代替，MOSFET的导通压降很小，就可以提高变换器的效率，实际上，这个方法就是同步整流的工作原理。即该变换器处于降压工作状态时，T3导通T4关断，T1和T2进行互补PWM控制，T2不再一直关断；而该变换器处于升压工作状态时，T1导通T2关断，T3和T4进行互补PWM控制，T3不再一直关断。根据升压、降压变换器工作原理，用统一的方法控制该变换器，调整PWM开关频率和控制系数、优化电感和输出滤波电容参数，就可以提高稳压精度、减小输出电压纹波。实验结果：变换器效率至少达到了96.5%，稳压精度为0.5%，纹波12mV，达到了设计要求。而其他小组采用Zeta变换器和Sepic变换器的最高效率只能达到93.5%。
三、翻转课堂教学模式的实验效果评价
从技术角度来说，图3为一种较高水平的变换器方案，能设计出这样的变换器，课前的准备必不可少。翻转课堂教学模式在电力电子技术实验中的应用效果主要体现在三个方面，一是教学模式的本身具有优势，利用课程网站、社交软件使课前、课后的优势得到有效地发挥；二是以学生为中心的教学理念在实验教学中更容易得到发挥，符合改革发展的方向，有利于提高教育质量；三是引入翻转课堂教学模式，提高了课堂教学效率，充分激发了学生的学习兴趣和实验热情，得到了学生的普遍好评，获得了良好的教学效果[8]。翻转课堂是对传统课堂的优化和创新，教师在此过程中不是减少工作量而是要更精心地设计引导性题目，需要更加及时发现学生在讨论中的问题。翻转课堂强调学生的自主学习和个性化学习，基于翻转课堂教学模式的实验课堂更有利于创新能力的培养，即使学习能力较弱的学生，通过实验要求、教师的引导、同学的帮助，也能完成提高部分的实验内容。所以，该模式在电力电子实验教学中具有很好的效果。
作者:南余荣 孙惠英 单位:浙江工业大学