鄒夢麗 李建軍 王憲磊 羅繼東 侯寶華

摘要：隨著高校教育的不斷深化改革，為培養(yǎng)復(fù)合型工程技術(shù)人才，文章在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下，對電力電子技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)踐過程等方面進(jìn)行了創(chuàng)新型改革與探索，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：CDIO模式;電力電子技術(shù);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）40-0076-03

在高校電氣工程專業(yè)中，“電力電子技術(shù)”是一門非常重要的專業(yè)必修基礎(chǔ)課，主要研究電源的控制，指的是利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制，橫跨電力、電子和控制三個(gè)領(lǐng)域[1]，其內(nèi)容變化之大、發(fā)展之快、應(yīng)用之廣以及新技術(shù)和知識(shí)點(diǎn)之多是該課程的主要特點(diǎn)。這門課程掌握得好壞程度，會(huì)決定后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的好壞，直接影響到學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力的運(yùn)用。因此進(jìn)行該課程的教學(xué)改革，是十分必要且有實(shí)際意義的。

CDIO（Conceiving—Designing—Implementing—Operation）是國際工程教育與人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，該模式強(qiáng)調(diào)綜合創(chuàng)新能力、個(gè)體與社會(huì)協(xié)調(diào)能力的培育，更加關(guān)注工程實(shí)踐能力的提升[2]。近年來逐漸被國內(nèi)教育認(rèn)可并廣泛采用，為本課程的教學(xué)改革起到積極性的指導(dǎo)作用。

一、教學(xué)改革的主題思路

（一）目前課程教學(xué)存在的問題

電力電子技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容較多，很難在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)講完。變流技術(shù)中基本電路按照電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和基本公式計(jì)算及應(yīng)用進(jìn)行講解。其中工作原理不易理解，電路分析過程抽象，尤其是波形的動(dòng)態(tài)變化過程，沒有動(dòng)態(tài)圖輔助，學(xué)生很難整理清楚思路。此外，知識(shí)體系緊密，公式計(jì)算多且煩瑣，有時(shí)計(jì)算復(fù)雜的內(nèi)容需要借助高級(jí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算，這要求學(xué)生的數(shù)學(xué)功底十分夯實(shí)。該課程在工程實(shí)際中有大量的應(yīng)用，多數(shù)的知識(shí)重點(diǎn)內(nèi)容與難點(diǎn)內(nèi)容需要具體的工程實(shí)例講解，學(xué)生才能聽懂并明白其重要性。針對課堂存在的問題，采用當(dāng)下流行的CDIO國際工程教育理念，可有效培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際及工程創(chuàng)新的能力[3]。

（二）教學(xué)目標(biāo)定位

電力電子技術(shù)是一門研究電源變換的課程，隨著科技的發(fā)展，其技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力、制造、機(jī)械等領(lǐng)域。教學(xué)過程中應(yīng)積極探索本課程縱深向多門課程貫通的發(fā)展，力求基礎(chǔ)和前沿并重發(fā)展，優(yōu)化、精簡課程內(nèi)容，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，制定合適的教學(xué)目標(biāo)，以培養(yǎng)出知識(shí)面較全面、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力強(qiáng)的技術(shù)人才。

（三）教學(xué)方法及教學(xué)手段改革

教學(xué)方法要多樣化，例如引入活動(dòng)探究法、直觀演示法、知識(shí)遷移對比法、案例教學(xué)法、討論分析法、系統(tǒng)教學(xué)法等。把這些教學(xué)方法按照“提出問題—分析問題—解決問題—總結(jié)問題—遷移應(yīng)用”的思路最后歸納出“認(rèn)知、學(xué)習(xí)、應(yīng)用、總結(jié)、提高”五層次教學(xué)模式：在“認(rèn)知”模塊中，難于理解的知識(shí)點(diǎn)盡量利用多種方式進(jìn)行生動(dòng)化的展示，如圖表形式、動(dòng)畫形式、視頻形式等，充分激發(fā)學(xué)生興趣，營造積極向上的學(xué)習(xí)氛圍;在“學(xué)習(xí)”模塊中，通過多媒體課件傳統(tǒng)講解，配合多種方式的教學(xué)方法，結(jié)合仿真軟件觀測電壓電流波形的變化，使學(xué)生掌握電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識(shí);在“應(yīng)用”模塊中，通過組織學(xué)生討論實(shí)際案例，對實(shí)際問題進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生自行解決討論問題的能力;在“總結(jié)”模塊中，運(yùn)用系統(tǒng)歸納法，將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串接，使得學(xué)生能夠全面、系統(tǒng)地建立知識(shí)架構(gòu);在“提高”模塊中，利用問題導(dǎo)向法，將理論和實(shí)踐完全結(jié)合，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[4]。

二、創(chuàng)新型教學(xué)改革實(shí)踐

（一）優(yōu)化整合課程內(nèi)容，提高課程的綜合化程度

把電力電子技術(shù)看成是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，就課程本身進(jìn)行全面、系統(tǒng)、科學(xué)的研究。該課程的主要內(nèi)容應(yīng)以電力電子器件為核心，以四種變流技術(shù)和兩種控制方法為基礎(chǔ)，以四類變換器的應(yīng)用為目標(biāo)，兼顧當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展[4]，同時(shí)考慮課程學(xué)時(shí)、數(shù)目的限制，通過與往屆畢業(yè)生交流溝通，咨詢調(diào)查行業(yè)職能的實(shí)際要求，認(rèn)真聽取建設(shè)性意見，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際精選教學(xué)課程內(nèi)容，進(jìn)而優(yōu)化、整合課程內(nèi)容，突出重難點(diǎn)，詳略得當(dāng)，使得課程內(nèi)容具有科學(xué)性和新穎性，充分體現(xiàn)先進(jìn)的教學(xué)理念，兼顧知識(shí)與能力的培養(yǎng)，切實(shí)提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

（二）借鑒其他高校的教學(xué)模式

通過外出調(diào)研的機(jī)會(huì)，與疆外其他高校教電力電子技術(shù)課程的教師溝通交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對比分析自身缺陷，對該課程進(jìn)行教學(xué)改革。調(diào)研分析，大部分高校的電力電子技術(shù)課時(shí)數(shù)目相近，少的安排有48學(xué)時(shí)，多的達(dá)到56學(xué)時(shí)。普遍反映都是課時(shí)少、內(nèi)容多。任課老師需要精選備課，認(rèn)真選取教學(xué)案例及素材，使課程教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)相結(jié)合，合理安排課程及主要教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)該課程的價(jià)值。各高校在該課程的教學(xué)中，多數(shù)都采用案例式教學(xué)，針對電力電子技術(shù)涉及的相關(guān)其他課程的應(yīng)用列舉大量的工程實(shí)例，重視每種變換電路的應(yīng)用，尤其是在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹。具體章節(jié)上普遍認(rèn)為第二章電力電子器件關(guān)于動(dòng)態(tài)特性可不必占用過多的課堂時(shí)間，會(huì)應(yīng)用電氣電子器件，能夠掌握基本特性即可。第二章電力電子技術(shù)課與第九章電力電子器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)等內(nèi)容合并講解，重點(diǎn)掌握晶閘管、MOSFET、IGBT。第三章至第六章的課程核心內(nèi)容的四大變換電路中重點(diǎn)掌握整流電路和逆變電路，控制方法。第七章PWM控制技術(shù)重點(diǎn)與逆變電路結(jié)合講解。第十章電力電子技術(shù)的應(yīng)用，個(gè)別學(xué)校有組織學(xué)生自學(xué)，或開展討論課程等形式，多數(shù)教師是自己插編入相應(yīng)變換電路中進(jìn)行實(shí)例講解。實(shí)驗(yàn)方面，各高校都配有實(shí)驗(yàn)室，完成相關(guān)基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。個(gè)別高校將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)、創(chuàng)新和探究型。局域?qū)嵺`課時(shí)安排，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)為學(xué)生自主、自愿選擇。

（三）與相關(guān)企業(yè)聯(lián)系，搜集教學(xué)素材

結(jié)合往屆電氣專業(yè)畢業(yè)生的去處，到學(xué)校所處的新疆區(qū)域中相關(guān)生產(chǎn)一線的發(fā)電企業(yè)及地方的國家電網(wǎng)等單位進(jìn)行調(diào)研，了解社會(huì)對電力電子技術(shù)課程的要求，搜集經(jīng)典案例，注重教學(xué)內(nèi)容與其他課程的交叉性，調(diào)整授課結(jié)構(gòu)，整理上課的主線脈絡(luò)。調(diào)研結(jié)果反映，電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、光伏電站等，因此學(xué)生在學(xué)校期間應(yīng)夯實(shí)基本的理論，具備靈活的實(shí)踐能力，以為學(xué)生從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。當(dāng)前，隨著電力電子器件的不斷更新，技術(shù)的先進(jìn)發(fā)展，呈現(xiàn)出自動(dòng)化、集成化、綠色化和智能化的發(fā)展趨勢。因此，器件設(shè)備的控制技術(shù)不易掌握。目前除個(gè)別核心技術(shù)被壟斷、出故障需廠家維修外，要求工作人員具備查錯(cuò)、糾錯(cuò)的能力。通過到相關(guān)企業(yè)單位調(diào)研，可以搜集實(shí)際應(yīng)用案例，收集拍攝相關(guān)的素材，后期通過整理形成先進(jìn)的教學(xué)材料運(yùn)用到教學(xué)中[5]。這樣學(xué)生就能明白如何將課堂的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，有利于學(xué)生加深對理論的理解，真正地掌握課本知識(shí)，增加學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）對畢業(yè)設(shè)計(jì)中涉及電力電子技術(shù)的選題進(jìn)行問卷調(diào)查

電力電子技術(shù)課程開設(shè)在學(xué)生的第5學(xué)期，專門以本院電氣化專業(yè)學(xué)生為例，選取近兩年涉及電力電子技術(shù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題進(jìn)行問卷調(diào)查與實(shí)證分析，對學(xué)生對該課程的評價(jià)及畢設(shè)中所體現(xiàn)的課程發(fā)展趨勢與思路進(jìn)行對比與總結(jié)，最后結(jié)果顯示，總體上逐年提高了這兩年電力電子技術(shù)課程所選的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的典型性、綜合性和可行性，逐步提升了工作量和難易度，綜合反映了學(xué)生的專業(yè)綜合素養(yǎng)有了一定的提高。

（五）將科研競賽成果引入教學(xué)中

大部分教師都主持或承擔(dān)了與課程相關(guān)的科研項(xiàng)目，或多或少地運(yùn)用到了電力電子技術(shù)中的電源變換內(nèi)容。此外，電氣專業(yè)的學(xué)生在參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)電源類競賽、“挑戰(zhàn)杯”、全國大學(xué)生智能汽車競賽、全國大學(xué)生機(jī)器人大賽、全國節(jié)能減排大賽等比賽中都要涉及變流技術(shù)的基本理論。因此在教學(xué)中，可以結(jié)合科研項(xiàng)目以及學(xué)生大賽的優(yōu)秀作品案例，給學(xué)生介紹具體的案例及應(yīng)用，現(xiàn)身說法，引起學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們向榜樣學(xué)習(xí)的欲望，促使學(xué)生本身愿意去學(xué)。

三、基于CDIO工程教育理念的《電力電子技術(shù)》課程的實(shí)踐創(chuàng)新

在CDIO（構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)行）工程教育理念的指導(dǎo)思想，對電力電子技術(shù)進(jìn)行課程實(shí)踐的創(chuàng)新改革，以期強(qiáng)化并培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)、實(shí)踐和創(chuàng)新等綜合應(yīng)用能力[6]。為拾級(jí)而上、循序漸進(jìn)、漸次提升學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新意識(shí)，將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入大學(xué)教育的每個(gè)環(huán)節(jié)、每個(gè)項(xiàng)目中，因此需要全力打造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)。創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)包括校內(nèi)平臺(tái)建設(shè)和校外平臺(tái)建設(shè)兩部分。校外實(shí)踐教學(xué)將充分依托阿拉爾光伏發(fā)電站，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)平臺(tái)。在本課程學(xué)習(xí)末期，帶領(lǐng)學(xué)生參觀阿拉爾光伏電站，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)物實(shí)際情況，把從發(fā)電、輸送電到最后給用戶供電的相關(guān)電力系統(tǒng)知識(shí)對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)梳理，加強(qiáng)專業(yè)綜合能力的培養(yǎng)。

校內(nèi)平臺(tái)計(jì)劃采用“專業(yè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)+綜合實(shí)驗(yàn)+虛擬實(shí)驗(yàn)”的建設(shè)模式。其中專業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合我校電氣化專業(yè)的電力電子實(shí)驗(yàn)室對課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并觀測波形，讓學(xué)生比對通過實(shí)驗(yàn)實(shí)際元件得到的波形與課本理論波形，從而使其有一個(gè)更為清楚的認(rèn)識(shí)，以便于打好學(xué)生的理論基礎(chǔ)[7]。綜合實(shí)驗(yàn)屬于多知識(shí)點(diǎn)融合的能力訓(xùn)練，以知識(shí)、能力、素質(zhì)為教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)與職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)要求，將教學(xué)的重點(diǎn)知識(shí)穿插到電力四大變換器的項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演練，如精選的調(diào)光燈電路、晶閘管-電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等典型項(xiàng)目。調(diào)光燈電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是基于單結(jié)晶體管的觸發(fā)電路，采用雙向晶閘管調(diào)控，綜合應(yīng)用電力變換中的AC-DC和AC-AC;開關(guān)穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是把電源流出的交流電經(jīng)整流變成直流，濾波后經(jīng)穩(wěn)壓供給用戶，在生活中應(yīng)用廣泛;晶閘管電機(jī)調(diào)速，在單閉環(huán)的基礎(chǔ)上逐步升級(jí)為雙閉環(huán)，保證了調(diào)速的可靠性……實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)立是為了引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索電力電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)和技能，全面鍛煉學(xué)生能力;虛擬實(shí)驗(yàn)是基于MATLAB仿真軟件，可完成典型電力電子電路的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬試驗(yàn)以及波形觀測[7]。通常虛擬實(shí)驗(yàn)是結(jié)合著綜合實(shí)驗(yàn)一起進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)電路仿真通過的前提下進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)成功率。此外，校內(nèi)平臺(tái)的搭建還為學(xué)科研究做了鋪墊，對于有能力的學(xué)生，可以自己設(shè)計(jì)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、計(jì)算電路參數(shù)，選擇電子元件，仿真軟件驗(yàn)證，最后焊接調(diào)試[8]。這樣學(xué)生有機(jī)地將學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐相結(jié)合，不僅加深了對理論的理解，還鍛煉了實(shí)際的工程應(yīng)用能力，一舉多得;這也為學(xué)生提供了良好的鍛煉平臺(tái)，有效地提高了學(xué)習(xí)效率，更能為相關(guān)的學(xué)科競賽做好扎實(shí)的準(zhǔn)備。

四、結(jié)束語

通過基于CDIO工程教育理念的《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐創(chuàng)新，積極探索將理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)該課程與專業(yè)的有機(jī)結(jié)合，擴(kuò)展學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促使其將知識(shí)不斷內(nèi)化成能力，不斷提高工程應(yīng)用能力，以期培養(yǎng)成符合社會(huì)需求的復(fù)合型人才。

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