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摘要：探讨了CDIO工程教育模式下电力电子技术课程教学改革的实践与体会。从教师角色的转变和项目教学法的运用两方面以真实的教学案例给出了CDIO教育理念下电力电子技术课程教学改革的建议和参考。
关键词：CDIO；教学改革；电力电子技术；项目教学法
作者简介：董冀媛（1976-），女，山西阳城人，北京科技大学自动化学院，讲师；李晓理（1971-），男，满族，辽宁沈阳人，北京科技大学自动化学院自动化系主任，教授。（北京 100083）
基金项目：本文系教育部第五批高等学校特色专业建设项目——自动化CDIO特色建设经费支持项目（项目编号：TS2422）的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）35-0097-02
CDIO（Conceive-构思，Design-设计，Implement-实现，Operate-运行）是2004年由MIT和瑞典几所大学在Wallenburg 基金会的资助下创立的。[1]该教育模式以构思、设计、实施、运行产品、过程和系统的全生命周期为教育背景，通过有机联系的课程体系和CDIO教学标准的制定，使学生主动地学习，从实践过程中通过经验学习来获取工程能力。迄今为止，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，其中机械系和航空航天系全面采用CDIO工程教育理念和教学大纲，取得了良好效果，按此模式培养的学生受到了社会与企业欢迎。[2]我校于2010年3月成为教育部第二批CDIO电气类试点高校，在自动化专业全面展开CDIO模式的教学探索与实践。作为自动化专业的主干技术基础课，电力电子技术在工业技术中具有广泛的应用，尤其在电力系统，如柔性输电系统、无功补偿和谐波抑制、静止无功发生器、有源电力滤波器以及电能质量的控制等都是电力电子技术的成功应用。因此，电力电子技术是一门理论紧密联系实际的课程。如何既能传授给学生扎实的基础理论知识，又能增强学生的实际动手能力、使其熟悉产品从构思、设计、实现到运行整个产品的研发过程，并从中使自己的人际交往能力、沟通协作能力、责任感得到提升，结合自身的教学实践，笔者就CDIO工程教育模式下电力电子技术的课程教学谈谈自己的几点思考和体会。
一、CDIO理念下教师的角色转变
CDIO模式定义了工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力这四个层面的能力培养，给工程教育设置了一个开放的教育理念、愿景和标准。对于具体的课程教学活动，怎样在操作层面对CDIO的教育理念加以解读和实施呢？不同的教师、不同的专业需求必然使得教学设计丰富多彩，没有统一的操作流程和步骤。CDIO更像是一个资源开放、宽松自由、包容性强的改革计划，[3]所提出的教育理念赋予了教师宽阔的发挥空间。笔者认为，教师在具体的教学活动中应将CDIO的教育理念贯穿始终，注重教师自身角色的定义和转变。
CDIO强调以熟悉产品研发的生命周期为工程背景的“做中学”的学习方式，这不是对教师主导作用的弱化，相反对教师在整个教学活动过程中的掌控能力，自身的知识水平提出了更高的高求。教师既不能像传统教学方式那样一味地灌输知识，又不能在学生主动学习过程中“袖手旁观”。教师的角色应定义为一个引路人，引导学生在专业知识的海洋中遨游，引导学生看到一幅又一幅激动人心的科技画卷，从而激发学生的好奇心和学习兴趣，为学生设计短期/长期的学习目标，激励学生寻找达到目标的路径和方法，在此过程中得到知识的累积和能力的提升。这就要求理论知识的掌握不仅有一定的广度，还有必要的深度，具备解决问题的能力。
电力电子技术是一门应用极为广泛的技术，在生产生活的应用随处可见。教学伊始，应当认真准备绪论部分的内容，让学生亲身体会到电力电子技术在工业生产、交通运输、电力系统、家用电器、航空航天等领域的广阔应用，认识到电力电子技术在节能环保中的重要作用。在这部分我们举了一个生活中常遇到的节能灯的例子。节能灯使用电子镇流器启辉，减少了无功电流和有功损耗，使灯管的寿命比普通白炽灯延长了3～5倍、可节电50%，而其重量仅为电感式镇流器的10%。电子镇流器的关键技术就是高频电力电子变换器，如果加以推广，则节能节电的效益十分显著。电厂发电总量的10%～15%消耗在电气照明上，假设对白炽灯推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量（139亿度/年）。当讲到这里时，小小的节能灯与巨大的节能效益的强烈对比往往会使学生睁大了眼睛，激发起他们浓厚的学习兴趣。
电力电子器件是构成电力电子变换电路的基础，这一部分内容涉及半导体物理的知识。器件内部载流子运动的复杂性是一个难点，单纯讲解器件的各种参数的含义也使学生感到抽象，立刻失去了学习的兴趣。这一部分，教师应当对教学内容有所取舍。课堂教学的学时有限，应当重视各种器件的外部特性的讲解，从使用的角度让学生了解其应用的场合，参数的含义，设置这几个参数的意义。内部结构和工作原理的详细分析可让学生自己通过阅读和查资料深入了解。电力电子器件不断发展，教师在课堂上可着重讲述几种典型的器件如晶闸管、电力场效应管和IGBT等，然后让学生自己查资料了解各种新型器件的原理、特性和应用，扩展学生的知识面。在讲每一种变换电路之前，应当先把学生引导到某一个应用场景下，这时学生会主动思考在这种情境下电能需要怎样变换才能满足应用需求，变被动灌输为主动探究式的有效学习。例如，在讲斩波电路之前，可先引出一个电车的应用场景。电车是常见的交通工具，车顶两根长长的辫子与城市直流输电线相连。从直流电网得到的是固定的直流电压，而电车会有加速、减速、停止、启动等多种运行状态，而且车内的人数也是随机变化的，固定的直流电压如何使得直流电机具有这么多的运动状态呢？那需要什么样的变换电路呢？怎样准确地掌握运行的状态呢？如何把一种直流电变为另一种电压或电流可调的直流电呢？怎样定量计算？针对问题学生会积极思考，知识点的讲解也就变得水到渠成。
总之，教师要定位好教学活动中的角色，引导学生，让学生自己“看”到应用，展开思考，激发进一步探究的兴趣。这样不仅能够促使学生主动掌握理论知识，而且分析解决问题的能力也得到了锻炼。
二、项目教学法的运用
项目教学法是将传统学科体系中的知识内容转化为若干个教学项目，围绕着项目组织和展开教学，使学生直接参与项目全过程的一种教学方法。[4]在项目教学中，学习过程成为一个人人参与的创造实践活动，注重的不是最终的结果，而是完成项目的过程。学生在项目实践过程中，理解和把握课程要求的知识和技能，体验创新的艰辛与乐趣，培养分析问题和解决问题的方法。这与CDIO工程教育的目标是一致的。
1.恰当设置项目题目
电力电子技术是一门紧密联系实际的课程，因此，以项目组织知识点，采用项目驱动法可大大激发学生的学习兴趣。变流技术是这门课程的主要内容，每一种电力变换电路都有很好的应用场景。比如在学习整流电路时，可以首先给学生提出一个设计要求，设计一个三相交流电到直流电的变换电路，给出这个直流电源的具体性能指标，如输出电压的变化范围、电流大小、电压纹波系数等等，要求自己选择元器件，设计电路，并最终实现（或仿真验证）。把问题抛给学生，然后展开课堂的讲述，这时学生就会带着问题听讲，并有目的地查阅资料，学习目标明确，效果自然得到改善。当整流电路这一章讲完之后，学生已经有了大体的设计思路，完成主电路的设计。但是从理论到最终一个直流电源的实现还需要考虑许多因素，如根据设计要求计算主要参数、选择什么样的元器件、设计怎样的保护电路、怎样改善功率因数等等。通过这样一个设计题目，几个学生组成一个团队，分工合作，完成从构思、设计、实现到运行整个过程，从中得到各个方面能力的锻炼，并且具有牢固的理论知识。
巧妙地设计题目是项目教学法运用成功的保证，既不能太难，让学生望而却步，又不能太简单，没有挑战性。这就要求教师平时的知识积累。电力电子技术实力较强的几个院校的积极尝试为我们提供了较好的参考。浙江大学将“功率因数校正实验”等部分实验项目列为创新设计型实验，由学生自主设计实验内容和方法，提高学生创新能力。[5]哈尔滨工业大学以直流脉宽调速系统驱动电源的设计为课程设计的主要内容。[6]南京航空航天大学开发了“软开关逆变电源实验装置”课程设计教学平台，以此设计若干个课程设计题目。[7]中国石油大学选择反激式开关电源为课程设计题目。[8]这些题目既紧密联系书本知识，又有创新的空间，值得借鉴。
2.考核方法
对于项目完成质量和学生能力的科学评价是保护学生求知欲、进取心的关键步骤，也是学生了解应该掌握哪些知识和能力的导向标。这一环节不可忽视。根据CDIO所提倡的四个层次能力的培养，我们采用了教师根据制定的设计要求对项目完成质量进行评估和学生互评两种方式相结合的考核方法。
教师从设计文档是否规范、设计思路是否合理、基本的设计要素是否齐全、是否具有创新性、各种技术指标是否满足、是否最终实现等几方面给学生打分。学生互评则更能检测出学生的人际交往、与人沟通、团队协作能力的差异。
3.MATLAB、PSpice等仿真软件的应用
电力电子技术包括很多的波形分析内容，各种繁杂的波形不仅要花费很多时间来画出这些波形，而且手工绘出的波形还缺乏灵活性，采用软件对电力电子进行仿真，从示波器上直接观察到各个电路的电压、电流波形，对帮助学生理解将起到较好的辅助作用。[8]许多学校开设了电子仿真软件的选修课程，使学生对MATLAB、PSpice等仿真软件的基本使用方法有所掌握。所缺乏的是对电力电子元器件库的了解。教师可将Simulink中电力模型库介绍给学生，并通过演示几个小示例鼓励学生课下学习软件的使用方法。并布置电路的仿真作业让学生掌握基本的仿真方法。通过仿真，学生能够直观地感受到电路参数的变化对波形的影响，巩固课上的知识点，并且增强学生设计能力和学习信心。
三、结语
CDIO改革计划的主旨是，在真实工程情境中，向学生一边传授工程专业的基础理论知识，一边通过构思、设计、实施和运作促其动手实践能力的发展，旨在培养全面发展的工程师。目前，CDIO并没有对专业课程的教学计划、教学大纲、教学内容以及教学手段等教学环节在操作层面做出具体的规定。CDIO更像是表达一种工程教育的理念和框架，其“细节”则是教师在教授每一门课程的过程中不断探索和实践的成果积累。本文从电力电子技术课程教学的角度提出了自己对CDIO工程教育理念的解读。强调教师角色的合理定位以及项目教学法的运用等，从操作层面给出了课程教学改革的思考。
参考文献：
[1]顾佩华,沈民奋.重新认识工程教育——国际CDIO培养模式与方法[M].陆小华,译.北京:高等教育出版社,2009.
[2]CDIO简介[Z].http://www.chinacdio.cn/about.asp.
[3]李曼丽.用历史解读CDIO及其应用前景[J].清华大学教育研究,
2008,(10):78-87.
[4]鲁明丽,吕庭.基于项目教学的《电力电子技术》课程教学改革[J].科技资讯,2008,(19):178.
[5]潘再平,马皓.浙江大学“电力电子技术”精品课程建设研究[A].第四届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集(下册)[C].2007.
[6]李久胜,王明彦,孙铁城.电力电子技术课程设计的探索与实践[J].电气电子教学学报,2008,(S1):81-84.
[7]肖岚.逆变器综合课程设计教学平台的开发[J].电气电子教学学报,
2005,(2):73-75.
[8]赵仁德,王艳松,张加胜,等.“电力电子技术”课程设计的内容与考核方法探讨[J].电气电子教学学报,2011,(S1):59-65.
（责任编辑：麻剑飞）
关键词：CDIO；教学改革；电力电子技术；项目教学法
作者简介：董冀媛（1976-），女，山西阳城人，北京科技大学自动化学院，讲师；李晓理（1971-），男，满族，辽宁沈阳人，北京科技大学自动化学院自动化系主任，教授。（北京 100083）
基金项目：本文系教育部第五批高等学校特色专业建设项目——自动化CDIO特色建设经费支持项目（项目编号：TS2422）的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）35-0097-02
CDIO（Conceive-构思，Design-设计，Implement-实现，Operate-运行）是2004年由MIT和瑞典几所大学在Wallenburg 基金会的资助下创立的。[1]该教育模式以构思、设计、实施、运行产品、过程和系统的全生命周期为教育背景，通过有机联系的课程体系和CDIO教学标准的制定，使学生主动地学习，从实践过程中通过经验学习来获取工程能力。迄今为止，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，其中机械系和航空航天系全面采用CDIO工程教育理念和教学大纲，取得了良好效果，按此模式培养的学生受到了社会与企业欢迎。[2]我校于2010年3月成为教育部第二批CDIO电气类试点高校，在自动化专业全面展开CDIO模式的教学探索与实践。作为自动化专业的主干技术基础课，电力电子技术在工业技术中具有广泛的应用，尤其在电力系统，如柔性输电系统、无功补偿和谐波抑制、静止无功发生器、有源电力滤波器以及电能质量的控制等都是电力电子技术的成功应用。因此，电力电子技术是一门理论紧密联系实际的课程。如何既能传授给学生扎实的基础理论知识，又能增强学生的实际动手能力、使其熟悉产品从构思、设计、实现到运行整个产品的研发过程，并从中使自己的人际交往能力、沟通协作能力、责任感得到提升，结合自身的教学实践，笔者就CDIO工程教育模式下电力电子技术的课程教学谈谈自己的几点思考和体会。
一、CDIO理念下教师的角色转变
CDIO模式定义了工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力这四个层面的能力培养，给工程教育设置了一个开放的教育理念、愿景和标准。对于具体的课程教学活动，怎样在操作层面对CDIO的教育理念加以解读和实施呢？不同的教师、不同的专业需求必然使得教学设计丰富多彩，没有统一的操作流程和步骤。CDIO更像是一个资源开放、宽松自由、包容性强的改革计划，[3]所提出的教育理念赋予了教师宽阔的发挥空间。笔者认为，教师在具体的教学活动中应将CDIO的教育理念贯穿始终，注重教师自身角色的定义和转变。
CDIO强调以熟悉产品研发的生命周期为工程背景的“做中学”的学习方式，这不是对教师主导作用的弱化，相反对教师在整个教学活动过程中的掌控能力，自身的知识水平提出了更高的高求。教师既不能像传统教学方式那样一味地灌输知识，又不能在学生主动学习过程中“袖手旁观”。教师的角色应定义为一个引路人，引导学生在专业知识的海洋中遨游，引导学生看到一幅又一幅激动人心的科技画卷，从而激发学生的好奇心和学习兴趣，为学生设计短期/长期的学习目标，激励学生寻找达到目标的路径和方法，在此过程中得到知识的累积和能力的提升。这就要求理论知识的掌握不仅有一定的广度，还有必要的深度，具备解决问题的能力。
电力电子技术是一门应用极为广泛的技术，在生产生活的应用随处可见。教学伊始，应当认真准备绪论部分的内容，让学生亲身体会到电力电子技术在工业生产、交通运输、电力系统、家用电器、航空航天等领域的广阔应用，认识到电力电子技术在节能环保中的重要作用。在这部分我们举了一个生活中常遇到的节能灯的例子。节能灯使用电子镇流器启辉，减少了无功电流和有功损耗，使灯管的寿命比普通白炽灯延长了3～5倍、可节电50%，而其重量仅为电感式镇流器的10%。电子镇流器的关键技术就是高频电力电子变换器，如果加以推广，则节能节电的效益十分显著。电厂发电总量的10%～15%消耗在电气照明上，假设对白炽灯推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量（139亿度/年）。当讲到这里时，小小的节能灯与巨大的节能效益的强烈对比往往会使学生睁大了眼睛，激发起他们浓厚的学习兴趣。
电力电子器件是构成电力电子变换电路的基础，这一部分内容涉及半导体物理的知识。器件内部载流子运动的复杂性是一个难点，单纯讲解器件的各种参数的含义也使学生感到抽象，立刻失去了学习的兴趣。这一部分，教师应当对教学内容有所取舍。课堂教学的学时有限，应当重视各种器件的外部特性的讲解，从使用的角度让学生了解其应用的场合，参数的含义，设置这几个参数的意义。内部结构和工作原理的详细分析可让学生自己通过阅读和查资料深入了解。电力电子器件不断发展，教师在课堂上可着重讲述几种典型的器件如晶闸管、电力场效应管和IGBT等，然后让学生自己查资料了解各种新型器件的原理、特性和应用，扩展学生的知识面。在讲每一种变换电路之前，应当先把学生引导到某一个应用场景下，这时学生会主动思考在这种情境下电能需要怎样变换才能满足应用需求，变被动灌输为主动探究式的有效学习。例如，在讲斩波电路之前，可先引出一个电车的应用场景。电车是常见的交通工具，车顶两根长长的辫子与城市直流输电线相连。从直流电网得到的是固定的直流电压，而电车会有加速、减速、停止、启动等多种运行状态，而且车内的人数也是随机变化的，固定的直流电压如何使得直流电机具有这么多的运动状态呢？那需要什么样的变换电路呢？怎样准确地掌握运行的状态呢？如何把一种直流电变为另一种电压或电流可调的直流电呢？怎样定量计算？针对问题学生会积极思考，知识点的讲解也就变得水到渠成。
总之，教师要定位好教学活动中的角色，引导学生，让学生自己“看”到应用，展开思考，激发进一步探究的兴趣。这样不仅能够促使学生主动掌握理论知识，而且分析解决问题的能力也得到了锻炼。
二、项目教学法的运用
项目教学法是将传统学科体系中的知识内容转化为若干个教学项目，围绕着项目组织和展开教学，使学生直接参与项目全过程的一种教学方法。[4]在项目教学中，学习过程成为一个人人参与的创造实践活动，注重的不是最终的结果，而是完成项目的过程。学生在项目实践过程中，理解和把握课程要求的知识和技能，体验创新的艰辛与乐趣，培养分析问题和解决问题的方法。这与CDIO工程教育的目标是一致的。
1.恰当设置项目题目
电力电子技术是一门紧密联系实际的课程，因此，以项目组织知识点，采用项目驱动法可大大激发学生的学习兴趣。变流技术是这门课程的主要内容，每一种电力变换电路都有很好的应用场景。比如在学习整流电路时，可以首先给学生提出一个设计要求，设计一个三相交流电到直流电的变换电路，给出这个直流电源的具体性能指标，如输出电压的变化范围、电流大小、电压纹波系数等等，要求自己选择元器件，设计电路，并最终实现（或仿真验证）。把问题抛给学生，然后展开课堂的讲述，这时学生就会带着问题听讲，并有目的地查阅资料，学习目标明确，效果自然得到改善。当整流电路这一章讲完之后，学生已经有了大体的设计思路，完成主电路的设计。但是从理论到最终一个直流电源的实现还需要考虑许多因素，如根据设计要求计算主要参数、选择什么样的元器件、设计怎样的保护电路、怎样改善功率因数等等。通过这样一个设计题目，几个学生组成一个团队，分工合作，完成从构思、设计、实现到运行整个过程，从中得到各个方面能力的锻炼，并且具有牢固的理论知识。
巧妙地设计题目是项目教学法运用成功的保证，既不能太难，让学生望而却步，又不能太简单，没有挑战性。这就要求教师平时的知识积累。电力电子技术实力较强的几个院校的积极尝试为我们提供了较好的参考。浙江大学将“功率因数校正实验”等部分实验项目列为创新设计型实验，由学生自主设计实验内容和方法，提高学生创新能力。[5]哈尔滨工业大学以直流脉宽调速系统驱动电源的设计为课程设计的主要内容。[6]南京航空航天大学开发了“软开关逆变电源实验装置”课程设计教学平台，以此设计若干个课程设计题目。[7]中国石油大学选择反激式开关电源为课程设计题目。[8]这些题目既紧密联系书本知识，又有创新的空间，值得借鉴。
2.考核方法
对于项目完成质量和学生能力的科学评价是保护学生求知欲、进取心的关键步骤，也是学生了解应该掌握哪些知识和能力的导向标。这一环节不可忽视。根据CDIO所提倡的四个层次能力的培养，我们采用了教师根据制定的设计要求对项目完成质量进行评估和学生互评两种方式相结合的考核方法。
教师从设计文档是否规范、设计思路是否合理、基本的设计要素是否齐全、是否具有创新性、各种技术指标是否满足、是否最终实现等几方面给学生打分。学生互评则更能检测出学生的人际交往、与人沟通、团队协作能力的差异。
3.MATLAB、PSpice等仿真软件的应用
电力电子技术包括很多的波形分析内容，各种繁杂的波形不仅要花费很多时间来画出这些波形，而且手工绘出的波形还缺乏灵活性，采用软件对电力电子进行仿真，从示波器上直接观察到各个电路的电压、电流波形，对帮助学生理解将起到较好的辅助作用。[8]许多学校开设了电子仿真软件的选修课程，使学生对MATLAB、PSpice等仿真软件的基本使用方法有所掌握。所缺乏的是对电力电子元器件库的了解。教师可将Simulink中电力模型库介绍给学生，并通过演示几个小示例鼓励学生课下学习软件的使用方法。并布置电路的仿真作业让学生掌握基本的仿真方法。通过仿真，学生能够直观地感受到电路参数的变化对波形的影响，巩固课上的知识点，并且增强学生设计能力和学习信心。
三、结语
CDIO改革计划的主旨是，在真实工程情境中，向学生一边传授工程专业的基础理论知识，一边通过构思、设计、实施和运作促其动手实践能力的发展，旨在培养全面发展的工程师。目前，CDIO并没有对专业课程的教学计划、教学大纲、教学内容以及教学手段等教学环节在操作层面做出具体的规定。CDIO更像是表达一种工程教育的理念和框架，其“细节”则是教师在教授每一门课程的过程中不断探索和实践的成果积累。本文从电力电子技术课程教学的角度提出了自己对CDIO工程教育理念的解读。强调教师角色的合理定位以及项目教学法的运用等，从操作层面给出了课程教学改革的思考。
参考文献：
[1]顾佩华,沈民奋.重新认识工程教育——国际CDIO培养模式与方法[M].陆小华,译.北京:高等教育出版社,2009.
[2]CDIO简介[Z].http://www.chinacdio.cn/about.asp.
[3]李曼丽.用历史解读CDIO及其应用前景[J].清华大学教育研究,
2008,(10):78-87.
[4]鲁明丽,吕庭.基于项目教学的《电力电子技术》课程教学改革[J].科技资讯,2008,(19):178.
[5]潘再平,马皓.浙江大学“电力电子技术”精品课程建设研究[A].第四届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集(下册)[C].2007.
[6]李久胜,王明彦,孙铁城.电力电子技术课程设计的探索与实践[J].电气电子教学学报,2008,(S1):81-84.
[7]肖岚.逆变器综合课程设计教学平台的开发[J].电气电子教学学报,
2005,(2):73-75.
[8]赵仁德,王艳松,张加胜,等.“电力电子技术”课程设计的内容与考核方法探讨[J].电气电子教学学报,2011,(S1):59-65.
（责任编辑：麻剑飞）