“三全育人”背景下的课堂教学方法探讨——以电力电子电路为例

The Teaching Method on the Background of the “San Quan Education”—Taking Power Electronic Circuits as an Example

摘要: “三全育人”综合改革是对育人项目、载体、资源的整合，也是对长远育人格局、体系、标准的重新建构。大学课堂是教书育人的重要载体，本文通过Sepic和Cuk电路课堂教学内容的思考与整理，首先探讨两种电路的优缺点，然后将两者进行有机结合，团结协作，共同完成更好的性能。从而将知识传授与育人理念相融合，为探索优质大学课堂建设，办好中国特色社会主义大学、构建三全育人体系奠定基础。

Abstract: The comprehensive reform of “three-quan education” is not only the integration of educational projects, education carriers and resources, but also the reconstruction of long-term education, system and standards. The classroom education is a vehicle of teaching and educating. In this pa-per, the advantages and disadvantages of the two circuits including Sepic and Cuk converters are discussed at first, and the two circuits are organically combined to achieve better performance. Then, a method integrating knowledge and education is presented based on the teaching contents of Sepic and Cuk converters. This method can lay a foundation for the exploring quality classroom construction and good universities with Chinese characteristics.

1. 引言

党的十九大以来，教育部启动了“三全育人”综合改革试点，指导建设了省级高校思想政治教育中心，和思想政治工作创新发展中心，倡导高校要从“教”走向“育”，构建育人新模式，营造育人新生态，全面提升人才培养水平。大学课堂是高等教育最主要、最直接的教育阵地，是高等学校人才培养的重要环节和主要渠道，课堂教学状况的好与坏直接影响人才培养的质量，并关系到大学教育培养目标的实现 [1] - [8] 。因此，要实现“知识传授、能力培养、素质提高”的教育目标，深化课堂教学模式的改革和创新，具有重要而深远的意义。本文从Sepic和Cuk电力电子变换器的课堂教学出发，探索一种新的讲解方法。先给出两种电路结构，分析两种结构的异同点，然后将针对设计环境，将两者相结合，构造新型电路结构，同时在整个课堂过程中，增加师生之间，学生之间的互动，期望达到教书与育人相融合的教学效果。

2. Sepic和Cuk变换器

现代电力电子技术课程中，Sepic和Cuk变换器是两种重要的基本电路结构 [1] [2] [3] 。然而在实际教学中，我们发现许多学生对这两种电路结构的理解不够深刻，而且对电路的认识也相对孤立，经常混淆两种电路的特点，引起了作者在教学过程的深入思考。本文探索了一种新的教学模式，使同学在知识层面上既能理解两种变换器各自的特点，又能将两种变换器进行优势互补，组合应用。同时在思想意识层面进一步延伸，有意识引导同学之间的互相认同，乐于团结协作。这样的教学模式既能加深学生对概念的理解能力，又能增强同学之间的互动性，还能进一步引领学生培养良好的道德品质，为“三全育人”做好基础工作。

首先在基本Boost变换器的基础上给出Sepic变换器的电路结构，如图1所示。讲解时，可以强调Sepic变换器就是在Boost变换器基础上插入一个电容和电感网络，从而可以实现升降压功能，且输出电压与输入电压相比为同向输出。可以向同学们简要介绍其基本工作原理：当S₁导通时U_in-L₁-S₁回路和C₁-S₁-L₂回路导通，L₁，L₂储能。S₁关断时U_in-L₁-C₁-D₁-负载回路和L₂-D₁-负载回路导通，此时U_in，L₁，L₂共同向负载供电。这时可以设置一个问题：这样的Sepic电路在实际使用的过程中有什么优点和缺点？

然后给出Cuk电路结构如图2所示。首先提示这个变换器的输入端与基本Boost变换器也完全相同，让同学们心理上放松，觉得并没有他们想象的那么复杂。进一步讲解时，可以从结构上强调：将Sepic变换器的电感L₂与其输出二极管互换位置就构成了Cuk变换器。其基本工作原理：S₂导通时U_in-L₃-S₂回路和C₃-S₂-C₄-L₄回路导通，L₃，L₄储能。S₂关断时U_in-L₃-C₃回路和L₄-D₂-负载回路导通，L₃，L₄放电。需要提醒同学们Cuk电路的特点是输出电压与输入电源电压反向，但其输出端的电感可以起到抑制电流波动的作用。

Figure 1. Sepic chopper circuit

图1. Sepic斩波电路

Figure 2. Cuk chopper circuit

图2. Cuk斩波电路

从现有文献看，单独使用两种变换器的实际应用仍然不多。在这里设置一个问题：如要实现更高的升压变比，而且功率开关管的电压应力不能增加，如何实现？提示：假设每个同学能提起在物体的重量分别为G1和G2，如果需要将一重量为G1 + G2的重物移动，同学们可以使用什么办法？显然，两个同学合作，就可以将重量为G1 + G2的重物移动。大家自然可以想到：如果把两个变换器进行组合，让它们共同来完成更高的升压变比，是不是可以解决上述问题？先将这个问题留给同学分组讨论，各组在合作的基础上整合各自想法给出方案，不仅能增强同学们自主学习的能力，也能使同学们互相协作，发现彼此的思维特点，纠正自身的思维定势，而且增强了课堂的趣味性。

3. Sepic和Cuk变换器的结合

可以把Sepic和Cuk两个变换器分别看作两个生命体，假设它们从欣赏和包容的角度去看待彼此，就会发现彼此的优点和自身的不足，从而走向合作的路径。由于上述两个电路的输入端相同，所以可以并联连接；又由于输出端极性与输入电源的极性相反，所以可以串联连接，这样就可以构造出能够完成上述功能的Sepic-Cuk变换器(图3)。接着让同学们体会组合后Sepic-Cuk变换器的特点，自主分析其工作做原理。必要时可以提醒组合后与单个变换器的工作原理是否发生了变化？组合后的变换器是否保留了独立变换器的优点？目的是让同学们体会为了很好的完成某一任务(如课堂秩序，课堂教学效果等)，即便个人的力量可能非常薄弱，如果能做到同学们之间相互合作，相互配合；师生之间互相包容，互相取长补短，就会为营造优质课堂打下坚实的基础。然后再对该组合变换器进行知识点的分析。

Figure 3. Combined Sepic-Cuk converter

图3. 组合式Sepic-Cuk变换器

变换器工作原理简要分析方法

假设电容C₁、C₃很大，变换器工作在稳态时，电容C₁、C₃电压基本保持不变，在不同工作状态下组合变换器的工作模态和关键波形如图4和图5所示。接着引导同学们推导出电路的关键参数，并在MATLAB/Simulinnk仿真环境中进行验证，学会观察波形的方法。

(a) (b) (c) (d)

Figure 4. Current continuous mode equivalent circuit

图4. 电流连续模式等效电路

Figure 5. Key waveforms of the Sepic-Cuk converter

图5. Sepic-Cuk变换器的关键波形

4. 课堂互动环节的进一步设置

为了培养学生独立思考和互相协作的能力，关于Sepic-Cuk组合变换器工作在DCM模式下的工作过程留给同学们分组讨论。另外可以进一步引导学生进行发散性思维，将学过的典型变换器进行总结，分析各个变换器的优缺点。然后，以实现高电压增益，低电压应力的功能为目标，来调动学生的积极性和主动性，要求每组进行课堂讲解，能否发现哪些变换器可以进行类似的组合。这种教学模式既能加强同学之间、师生之间的交流与合作，又有利于对彼此思想的了解与包容，有利于培养德智体美劳全面发展的高素质优秀人才。

5. 结论

本文从电力电子电路的课堂教学出发，将知识传授与育人理念相融合，将“三全育人”的思想逐步落实到课堂教学中，为构建教书育人一体化平台，全面提升人才培养水平奠定坚实的基础。

基金项目

本文得到安徽工业大学教育教学研究重点项目(2016jy09)和安徽省高等学校省级教学研究项目(2017jyxm1231)的支持！