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摘要：为了提升高校教师的实践教学能力和学生的实践创新能力，落实基于问题、基于项目的“三阶功能”实践教学方法，实现高校实践教学平台再设计及功能重构的价值导向，以适应当今高等教育对学生创新能力培养的新要求。文章以学生稳压电源实验项目教学为例，说明高校“三阶功能”教学平台在基础教学、技术应用、能力提升三阶段教学中应达到的教学目的，每阶教学平台在学生实践能力培养中有着不可替代的作用，并以学生省级电子竞赛获奖、实用新型专利获批、国家级创新项目立项及发明型专利公布等成绩，支撑了“三阶功能”教学平台在创新教学方法中的重要性与必要性。
关键词：教学平台；三阶；实践教学能力；稳压电源；DC-DC
本文引用格式：戴圣伟,等.高校“三阶功能”教学平台在实践教学中的创新应用——以电源教学为例[J].教育现代化,2019,6(44):35-39,57.
Innovative Application of“Three Stages”University Teaching Platform in Practical Teaching--Taking Power Teaching as the Example
DAI Sheng-wei1,ZENG Jin-hui1,XIAO Shen-ping1,HE Run-min1,WANG Yan-ping2
(1.Institute of Electrical and Information Engineering of Hunan University of Technology,Zhuzhou,China;2.Hunan Chemical Vocation Technology College.Zhuzhou,China)
Abstract:In effort to improve teachers’abilities of practical teaching and students’abilities of practical innovation,to implement“three stages”practical teaching method based on questions and projects,to realize the value guidance of redesigning and reconstruction functions of university practical teaching platform,to adapt the new requirement of cultivating students’innovation,this paper takes voltage-stabilized source for student as an example,to illustrate the teaching objective that“three stage”teaching platform should achieve in fundamental teaching,technology application and abilities improvement these three stages.Based on the achievements of student’s award of province level electrical competition,approval of innovation patent,setting up national innovation project and invention patent publishment,to support the significance and necessity of“three stages”teaching platform in innovative teaching method.
Key words:Teaching platform;Three stages;Practical teaching ability;Voltage-stabilized source;DC-DC
一 引言
李克强总理提出的“大众创业，万众创新”是我国转型发展时期的创新发展战略，她全面驱动了高等教育深化改革的步伐，成为了高校教师探究式教学方法改革并突出学生实践能力与创新能力培养的推动力[1]。高校学生的智力资本打造与应用能力创新有赖于教学认知环节与实践环节的创新实践和方法的积累[2-4]，创新能力培养平台功能的分阶发展则是实现高校学生“实践创新”的重要载体之一，一系列研教融合的实践教学创新成果亦充分展示了培养平台再设计及功能重构的价值导向。为落实重基础、重能力、重创新的实践教学方法，提出培养学生实践创新能力的“三阶功能教学平台”[5-7]。即：培养学生基础实验能力的基础知识教学平台；培养学生应用技术能力的应用技术教学平台；培养学生研究创新能力的科学创新提升平台。
二 培养学生创新能力的三阶功能教学平台
（一） 基础知识教学平台以+12V直流稳压电源实验为例，详述基础知识教学平台中应掌握的3内容：实验框图及工作原理；实验电路及元器件选择；电路测试及数据分析[8-10]。实验框图及工作原理 +12V直流稳压电源由变压、整流、滤波、稳压、负载五部分电路模块组成，见图1所示。交流电源U1经变压模块降压得U 2；U 2经整流模块整流得U 3；U 3经滤波模块滤波得U 4；U 4经稳压模块稳压得U 0；输出电压U 0给负载提供+12V电源。实验电路及元器件的选择实验电路 实验电路见图2所示。变压器T完成降压功能，实现图1中U1至U 2电压波形的变换；二极管D1D4构成整流模块，实现图1中U 2至U 3电压波形的变换，其中流过整流二极管D1、D4的电流I 与I 相等、流过二极管D、D3的电流I 与3相等，其电流方向见图2所示。电容C完成滤波功能，实现图1中U 3至U 4电压波形的变换；Ci、7812、C0组成稳压电路，实现图1中U 4至U 0电压波形的变换；RL为负载，其两端电压为U 0[11]。元器件选择整流二极管(D1至D4)的选择 整流二极管的选择由流过二极管的实际电流ID及二极管两端承受的反向电压URM确定。根据式（1）至式（4），确定整流二极管ID、URM，即完成了整流二极管的选择。
滤波电容(C)的选择滤波电容的选择由C的容量及C的耐压确定，C的耐压由式（4）确定，C的容量由式（5）得。式（5）中，T为工频交流电的周期，根据式（4）与式（5），确定滤波电容的URM、C的容量，即完成了滤波电容的选择。
三端稳压器7812的选择 三端稳压器7812常用的有三种型号：78L12（输出电流100mA）、78M12（输出电500mA）、7812（输出电流1.5A），根据式（1）可确定三端稳压器7812实际流过的电流，即可完成三端稳压器7812的选择。变压器的选择主要由变压器次级流过的电流I、变压器容量S及变压器的变比K确定；根据式（3），确定U2；根据式（6）至式（8），确定变压器的I、S、K；即可完成变压器的选择。
电路测试及数据分析依据元器件选用原则，按图2所示，确定电路各元件实验参数，并搭建完实验电路；测量以下实验数据：输出电压U 0、最大载电流I 0m、输出电阻R0、稳压系数S等，自拟表格，记录实验数据；根据所得实验数据，判断实验正误，找出实验不足，完善实验方法，提升实验能力。
在基础知识教学平台中，学生需重点掌握实验框图与实验电路中具体元件的对应；实验电路中各实验元件的选型；各实验数据的测量；在此基础上，逐步模仿已有电路，尝试自行设计实验电路，为尽早步入应用技术教学平台学习打下坚实基础。
（二） 应用技术教学平台
以程控直流开关稳压电源为例，在基础知识平台训练过关的前提下，掌握应用技术平台教学中的4内容：设计要求；设计思路；设计电路；设计程序。设计要求：程控方式下，输出电压U 0可调范围0-15V；最大输出电流4A；输出噪声纹波电压V；DC-DC变换器的效率70%[12]。设计思路程控直流开关稳压电源设计思路见图3所示；以实现DC-DC变换的Bust降压电路为核心，由整流滤波模块，MSP430G2553单片机控制模块，采样电路等组成；DC-DC变换器采用芯片TL594构成Buck降压电路，实现降压输出；整流模块采用整流桥将交流电转换为脉冲直流；通过单片机内部双通道AD闭环反馈，控制开关器件IRF9540的占空比，实现稳压输出；通过12864显示电压、电流值；采用AMS1117芯片作为辅助电源控制芯片，用于电路各芯片供电。
设计电路以实现DC-DC变换的TL594 Buck降压电路及辅助电源电路为例说明。Bust降压电路采用以TL594为核心的Buck降压电路进行DC-DC变换。通过控制开关器件的占空比来控制输出电压。实现输出电压的0-15V可调，其输出纹波可以通过EMI电路抑制。电路见图4所示。
辅助电源电路采用线性稳压电源，通过220/18伏变压器以及整流滤波电路，输出26伏左右电压，通过稳压管AMS1117稳定输出+5V和+3.3V电压，给12864液晶、各芯片及单片机供电。电路见图5所示。
设计程序通过A/D对输出的电压、电流信号进行采样，并在12864上显示电压、电流的数值。同时，也可通过键盘进行电压电流值预置，随时调整输出电压、电流值。程序流程图见图6所示。
在应用技术教学平台中，学生得掌握如何根据设计要求，理顺设计思路，完成电路设计，且能实现程序控制，在此基础上，勤加练习，为步入科学创新提升平台打下基础。
（三） 科学创新提升平台
以双向DC-DC增量式PID电压精度控制方法为例，在应用技术平台训练过关的前提下，实践科学创新平台中的创新方法与实现。当前双向DC-DC电源控制方法是：通过比较器对预设电压与双向DC-DC输出电压进行比较，再控制PWM波形控制器输出相应占空比的PWM波形，进而控制双向DC-DC的电压输出值，该控制方法因比较器输出值难以实时精准控制PWM波的占空比，故输出电压值精度较低，针对这一困境，提出双向DC-DC增量式PID电压精度控制方法。
双向DC-DC增量式PID电压精度控制方法创新思路见图 7 所示。系统开启后，设定增量式PID 控制器中 PID 的参数，得到预设电压 UK UK 与平均值滤波器输出的采样电压 U( K 1) 求差，得到差值电压 UK ， UK 一路送入增量式 PID控制器内反馈回路 1 中，动态调节并更新UK ；另一路送入 PWM 控制器，控制输出电压 U ，PWM
控制器、双向 DC-DC、输出采样、平均值滤波器形成反馈回路 2，实时采样 U0 ，动态调节并更新采样电压U( K 1) ；在双反馈回路的循环作用下，控制 PWM 控制器，使U0 逼近预设电压UK ，从而得到高精度的U0 。
科学创新提升平台主要培养学生的创新意识，在前两级教学平台的实践基础上，以电路、程序等多种形式，实现本身的创新意图，达到全新的电路性能指标，解决实践中的实际问题。
三 “三阶功能”教学平台对学生创新能力的培养效果
（一） 省级电子竞赛获奖谌军、唐一文、等获湖南省“互联网 +”大学生创新创业竞赛二等奖，见图 8 所示；成敏、刘鹏程、郑泽龙队获湖南省大学生电子设计竞赛一等奖，见图 9 所示。
（二） 实用新型专利获批徐格、夏玮杰、蔡胜强等学生获批的实用新型专利“ 一种程控可调开关稳压电源”（ 专利号： ZL2015202501283）。
（三） 国家级大学创新训练项目立项骆娇项目组--天煌DZX-3电子学综合实验装置模电部分改进设计与实现（项目编号：201611535004）。肖刚毅项目组--多通道参数采集智能空气净化器（项目编号：201611535005）。
（四） 发明型专利公布李志斌、肖刚毅、李明等申报的发明型专利“一种双向DC-DC增量式PID电压精度控制方法”已进入发明公布阶段（专利申请号：2016102332104；公告号：CN 105703606 A）。
四 结语
高校的教学质量与人才培养的质量最终取决于教师的创新教学能力与技术积累水平，“三阶功能”式教学平台是实践教学方法创新的一种有效范式，对实现高校创新型应用人才培养的质量水平有一定的促进与借鉴意义。其中，基础知识教学平台重在培养学生对理论的融会贯通和基本分析方法的掌握；应用技术教学平台重在培养学生针对具体的知识应用思路进行可行性设计，以达到控制要求；科学创新提升平台则重在培养学生在现有研究基础上，探索最新科学方法，以达到全新的创新目标。“三阶功能”教学平台模式的具体应用，是创新教学手段、提高培养效果的有益尝试[13-15]。
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