高晗瓔 李文娟 劉端增 周美蘭 周永勤 金寧治哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150080

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工科電力電子技術(shù)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐探索

高晗瓔 李文娟 劉端增 周美蘭 周永勤 金寧治
哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150080

摘 要：在總結(jié)多年從事本科電力電子技術(shù)課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，深入分析了該課程在教學(xué)過程中存在的諸多問題，如課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想，學(xué)生的實(shí)際動手能力不強(qiáng)，理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)等。同時(shí)，深入地論述了該課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何進(jìn)行改革探索，以更好地啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合以及應(yīng)用的能力。

關(guān)鍵詞：電力電子；探索；實(shí)踐能力

電力電子技術(shù)是對電能進(jìn)行控制和變換的技術(shù)，雖起步較晚，但發(fā)展十分迅速，目前已在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中得到了廣泛應(yīng)用[1]。電力電子技術(shù)涉及電力工程、電子信息、計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域的新興技術(shù)，是電氣相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課程。該課程的特點(diǎn)是教學(xué)難度大，而目前的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)方法凸顯出很多的弊端，已不能滿足當(dāng)前社會對人才培養(yǎng)的要求，因此，我們對電力電子技術(shù)課程的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了大膽改革和嘗試，并收到了較好的效果[2]。

1 電力電子技術(shù)課程的教學(xué)與實(shí)踐的現(xiàn)狀

電力電子技術(shù)課程涉及電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動控制原理等前期課程，對這些相關(guān)課程的掌握程度都將直接影響到電力電子技術(shù)這門課的學(xué)習(xí)效果，因此教學(xué)難度較大[3]。同時(shí)，該領(lǐng)域還在不斷地出現(xiàn)更多的新器件、新方法，因此，如何使學(xué)生既能全面掌握電力電子技術(shù)的基本內(nèi)容，又能兼顧其發(fā)展前沿，成為授課教師普遍面對的問題。

目前，各工科院校在電力電子技術(shù)課程的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中普遍存在以下不足。

1.1 教材老化、內(nèi)容與實(shí)際脫節(jié)

目前，電力電子技術(shù)課程的教材內(nèi)容包括電力電子器件、變流技術(shù)、PWM技術(shù)，教材以晶閘管為主，其內(nèi)容占全書篇幅的1/3[4]。由于晶閘管屬于半控型，以該器件為核心構(gòu)成的電力電子裝置具有功率因數(shù)低、諧波成分大的缺點(diǎn)，其應(yīng)用呈下降的趨勢，正在被IGBT和MOSFET全控型功率器件所取代。因此，在20世紀(jì)90年代之前，晶閘管的應(yīng)用還比較廣泛，但在20世紀(jì)90年代以后，出現(xiàn)了以IGBT 和MOSFET等為代表全控器件，由于其具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動簡單等特點(diǎn)，目前正成為電力電子器件的主流[5]。然而，在電力電子技術(shù)課程教材中全控型器件的核心內(nèi)容，如變頻技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)介紹很少，且沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；此外，目前具有廣闊應(yīng)用前景的可再生能源，如風(fēng)能、光伏等并沒有相關(guān)章節(jié)進(jìn)行介紹。

由此可見，電力電子技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容與該學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀、實(shí)際應(yīng)用存在脫節(jié)，教學(xué)內(nèi)容已跟不上時(shí)代的發(fā)展，不利于學(xué)生掌握該學(xué)科最新的知識和科研成果。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)方法呆板、效果差

電力電子器件在開關(guān)及放大狀態(tài)時(shí)，其對應(yīng)的電路模型也相應(yīng)變化，由此涉及大量的功率拓?fù)洹⒋罅康墓酵茖?dǎo)以及復(fù)雜的波形分析，由此造成了教師的教學(xué)難度大、學(xué)生學(xué)習(xí)效果差的狀況，因此必須對授課方法加以改進(jìn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容少、對象單一

電力電子技術(shù)課程是對實(shí)踐性要求很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是不可缺少的一部分，也是對課堂教學(xué)的一種補(bǔ)充。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生可以有效地增強(qiáng)實(shí)踐能力，同時(shí)可以更好地鞏固和理解理論知識。目前，多數(shù)工科院校電氣學(xué)科的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺通常只能進(jìn)行晶閘管觸發(fā)、調(diào)壓等少數(shù)幾個實(shí)驗(yàn)，且多為驗(yàn)證性試驗(yàn)，而在實(shí)際使用較多的PWM整流、升降壓斬波、功率器件串并聯(lián)、開關(guān)電源等內(nèi)容并無相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能被動地接受實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)習(xí)興趣不高。

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺創(chuàng)新不足、開放性差

目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺多采用模擬電路構(gòu)成的電力電子裝置，不僅系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積龐大、抗干擾性差、參數(shù)整定煩瑣，而且控制性能也不好。而現(xiàn)階段的電力電子裝置主要采用模數(shù)混合或純數(shù)字控制系統(tǒng)，數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，與模擬系統(tǒng)相比具有更大的優(yōu)勢。同時(shí)，學(xué)生只能機(jī)械地按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的規(guī)定進(jìn)行連線，卻不知系統(tǒng)各單元如何實(shí)現(xiàn)，更不會理解實(shí)驗(yàn)和所學(xué)知識之間的聯(lián)系，不僅沒達(dá)到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的目的，而且大大挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.5 一線年輕教師的教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足

目前，電力電子技術(shù)課程的授課教師多為剛參加工作的年輕教師，理論性強(qiáng)而實(shí)踐環(huán)節(jié)弱是他們的共性，難免在課堂教學(xué)中存在“理論”脫離“實(shí)際”的問題，從而導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容枯燥乏味，這樣既影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，反過來又會影響到教師的教學(xué)心態(tài)，形成惡性循環(huán)。

目前的課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著諸多問題，如授課方法機(jī)械單一，過分強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)，嚴(yán)重忽視實(shí)踐環(huán)節(jié)，不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題能力培養(yǎng)。

改進(jìn)電力電子技術(shù)課程過時(shí)、單一的教學(xué)方法，適應(yīng)時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展要求，已迫在眉睫。

2 電力電子技術(shù)教學(xué)新方法研究

電力電子技術(shù)課程涵蓋的知識內(nèi)容多、難度大、實(shí)用性強(qiáng)，隨著新器件、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，課程內(nèi)容、教學(xué)方法也必須做出相應(yīng)調(diào)整。筆者在該課程的教學(xué)中從以下三方面進(jìn)行改進(jìn)，以改善教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.1 課程教學(xué)內(nèi)容的改革

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

近年來，由于全控型器件正成為電力電子器件的核心，因此筆者在教學(xué)中適當(dāng)?shù)販p少了晶閘管的教學(xué)內(nèi)容和授課時(shí)間，適當(dāng)?shù)卦黾恿巳匦推骷蘒GBT，MOSFET內(nèi)容的講解，重點(diǎn)講述PWM逆變、變頻等內(nèi)容。

2.1.2 緊跟學(xué)科前沿發(fā)展動向

當(dāng)前，全世界能源供需狀況日趨緊張，我國的能源形勢尤其緊迫，因此節(jié)能減排成為時(shí)代的主題。由于電力電子技術(shù)，如高效PWM變流技術(shù)、高效功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在節(jié)能領(lǐng)域的作用越來越明顯，因此在電力電子技術(shù)課程中應(yīng)包含這部分知識。在講解這部分內(nèi)容時(shí)，適時(shí)地將高效PWM整流技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等內(nèi)容引入到課堂教學(xué)中，拓寬了學(xué)生的知識面，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 課堂教學(xué)手段的改革

教學(xué)過程是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的過程，學(xué)生是內(nèi)因、主體，因此教師在授課時(shí)要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生積極主動，這樣才會收到事半功倍的效果。當(dāng)前，高等院校多采用 “教師講、學(xué)生聽”的授課模式，難以形成師生間的互動，教學(xué)效果不理想。

針對以上教學(xué)現(xiàn)狀，提出如下的改進(jìn)措施。

2.2.1 “預(yù)習(xí)+討論”引入課堂教學(xué)

在保證每堂課教學(xué)內(nèi)容完整性的基礎(chǔ)上，為了克服學(xué)生依賴性，培養(yǎng)其自學(xué)能力，將“預(yù)習(xí)+討論”的教學(xué)方法作為輔助手段引入到課程教學(xué)中，由教師在每堂課中精選出一部分內(nèi)容留給學(xué)生事先去思考，然后在課堂上進(jìn)行討論。如在講授PWM的工作原理時(shí)，將其中重要概念——沖量等效原理留給學(xué)生思考，然后在課堂教學(xué)中進(jìn)行討論。

實(shí)踐證明，“預(yù)習(xí)+討論”的教學(xué)方法，通過師生之間、同學(xué)之間互動，大大提高了學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，同時(shí)，互動教學(xué)使師生之間、同學(xué)之間關(guān)系更為和諧、融洽；也促進(jìn)了課程學(xué)習(xí)。

2.2.2 采用多種教學(xué)方式進(jìn)行課堂教學(xué)

考慮到本課程中電路圖、波形圖較多的部分，采用掛圖方式，這樣既保證了授課時(shí)間，又可使學(xué)生在課堂上獲得更大的信息量。

此外，學(xué)生還可利用電力電子技術(shù)課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，隨時(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)；同時(shí)，教師可以隨時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展。

2.3 實(shí)踐教學(xué)的改革

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以鞏固、檢驗(yàn)課堂上所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐技能，提高學(xué)生的實(shí)際動手能力，是課堂教學(xué)的必要補(bǔ)充。

2.3.1 精心安排實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

該課程實(shí)驗(yàn)由學(xué)生獨(dú)立完成，在課程總學(xué)時(shí)有限的情況下，精選出以下實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(1)晶閘管半波整流電路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)掌握單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路的工作原理。

(2)單相變壓變頻調(diào)速電路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)掌握雙極性、VVVF變頻、MOSFET和IGBT驅(qū)動、自舉驅(qū)動等知識。

(3)軟開關(guān)電路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)掌握移相PWM技術(shù)、零電壓、零電流等知識。

2.3.2 開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Matlab、PSPICE等為常用電力電子仿真軟件，具有精度高、重復(fù)性好、簡單、調(diào)節(jié)容易等優(yōu)點(diǎn)，通過仿真，可加深對課本知識的理解；同時(shí)，又為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試奠定基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)完相關(guān)內(nèi)容后，可根據(jù)教師布置的習(xí)題，自行進(jìn)行系統(tǒng)仿真，以此加深對理論知識的理解。

2.3.3 開放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)

除了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課后的仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)外，還可充分利用本人研發(fā)的電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，包括PWM變流，BOOST，BUCK，功率開關(guān)管MOSFET串并聯(lián)裝置、反激式開關(guān)電源等實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

(1)PWM變流實(shí)驗(yàn)平臺

通過實(shí)踐，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)到PWM整流、逆變、三相橋式功率拓?fù)涞墓ぷ髟?，并加深對單極性、雙極性等概念的理解；通過實(shí)驗(yàn)平臺，可對理論知識加以驗(yàn)證和強(qiáng)化。

(2)BOOST和BUCK實(shí)驗(yàn)平臺

通過實(shí)踐，可以使學(xué)生掌握電感儲能、釋能、續(xù)流以及多級升壓、降壓DC-DC變換等。

(3)MOSFET串并聯(lián)實(shí)驗(yàn)平臺

通過實(shí)踐，可以使學(xué)生掌握MOSFET串并聯(lián)的工作原理以及“自舉”驅(qū)動的設(shè)計(jì)方法。

(4)反激式開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)平臺

通過實(shí)踐，可以使學(xué)生掌握反激式的工作原理和高頻變壓器設(shè)計(jì)方法；同時(shí)，可對反激式電源的理論知識加以驗(yàn)證和強(qiáng)化。

3 課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革效果

通過對電力電子技術(shù)課程的教學(xué)改革，取得如下成效：學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大大增加，教改前后學(xué)生考試的平均成績從69.6分提高到80.2分；同時(shí)，同學(xué)的實(shí)踐能力大為提高，參與教師科研項(xiàng)目的學(xué)生增多，幾乎全班學(xué)生都參加過各類電子科技競賽，其中，在近幾年的挑戰(zhàn)杯比賽中20多人次獲省一、二等獎，在“三菱電機(jī)杯”全國大學(xué)生競賽中3人次獲二等獎，并申請國家專利6項(xiàng)。

4 結(jié)束語

實(shí)踐表明，筆者的課程改革和探索大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課堂氣氛十分活躍，學(xué)生積極主動地進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，在課堂上能認(rèn)真、主動，師生間形成了良好互動。在實(shí)踐教學(xué)中，能積極、主動進(jìn)行系統(tǒng)搭建、調(diào)試。同時(shí)，課程改革和探索拓寬了學(xué)生的思維，提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合素質(zhì)，大大增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，受到了學(xué)生的好評。

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Reform of Teaching and Experiment for Course of Power Electronics Technology

Gao Hanying, Li Wenjuan, Liu Duanzeng, Zhou Meilan, Zhou Yongqin, Jin Ningzhi
College of Electrical & Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China

Abstract:On the basis of the author’s summary of teaching experience, the problems of the power electronics technology course for undergraduate are analyzed in this paper. In the current teaching, the course and experiment teaching result is not satisfactory, the students’ability to operate practically is not strong enough, and the theory can’t mesh with the practice. To solve the problems, the method of reform and exploration of theory and experiment teaching is discussed in depth. The teaching practice shows that the applied teaching reform and exploration can inspire the students’ innovative thinking, mobilize their learning interests, and thus cultivate their abilities of analyzation, synthesization and application.

Key words:power electronics; exploration; practical ability

收稿日期：2015-09-08

作者簡介：高晗瓔，博士，教授。李文娟，博士，教授。劉端增，碩士，工程師。周美蘭，博士，教授。周永勤，博士，教授。金寧治，博士，副教授。

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(編號：JG2014010795)。