工科電力電子技術(shù)課程的教學改革與實踐探索

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電氣與電子工程學院 黑龍江哈爾濱 150080

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工科電力電子技術(shù)課程的教學改革與實踐探索

高晗瓔 李文娟 劉端增 周美蘭 周永勤 金寧治
哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院 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)課程教學的基礎上，深入分析了該課程在教學過程中存在的諸多問題，如課堂與實驗教學效果不理想，學生的實際動手能力不強，理論與實踐嚴重脫節(jié)等。同時，深入地論述了該課程的理論教學和實驗教學如何進行改革探索，以更好地啟發(fā)學生思維，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生分析、綜合以及應用的能力。

關鍵詞：電力電子；探索；實踐能力

電力電子技術(shù)是對電能進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用[1]。電力電子技術(shù)涉及電力工程、電子信息、計算機等多領域的新興技術(shù)，是電氣相關專業(yè)學生的必修課程。該課程的特點是教學難度大，而目前的教學內(nèi)容、教學方法和實驗方法凸顯出很多的弊端，已不能滿足當前社會對人才培養(yǎng)的要求，因此，我們對電力電子技術(shù)課程的課堂教學和實驗教學進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)課程的教學與實踐的現(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)這門課的學習效果，因此教學難度較大[3]。同時，該領域還在不斷地出現(xiàn)更多的新器件、新方法，因此，如何使學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)課程的課堂教學和實驗教學環(huán)節(jié)中普遍存在以下不足。

1.1 教材老化、內(nèi)容與實際脫節(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，其應用呈下降的趨勢，正在被IGBT和MOSFET全控型功率器件所取代。因此，在20世紀90年代之前，晶閘管的應用還比較廣泛，但在20世紀90年代以后，出現(xiàn)了以IGBT 和MOSFET等為代表全控器件，由于其具有開關頻率高、驅(qū)動簡單等特點，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)、開關電源技術(shù)介紹很少，且沒有相應的實驗內(nèi)容；此外，目前具有廣闊應用前景的可再生能源，如風能、光伏等并沒有相關章節(jié)進行介紹。

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

1.2 傳統(tǒng)教學方法呆板、效果差

電力電子器件在開關及放大狀態(tài)時，其對應的電路模型也相應變化，由此涉及大量的功率拓撲、大量的公式推導以及復雜的波形分析，由此造成了教師的教學難度大、學生學習效果差的狀況，因此必須對授課方法加以改進。

1.3 實驗教學內(nèi)容少、對象單一

電力電子技術(shù)課程是對實踐性要求很強的課程，實驗教學環(huán)節(jié)是不可缺少的一部分，也是對課堂教學的一種補充。在實驗教學環(huán)節(jié)中學生可以有效地增強實踐能力，同時可以更好地鞏固和理解理論知識。目前，多數(shù)工科院校電氣學科的電力電子技術(shù)實驗教學平臺通常只能進行晶閘管觸發(fā)、調(diào)壓等少數(shù)幾個實驗，且多為驗證性試驗，而在實際使用較多的PWM整流、升降壓斬波、功率器件串并聯(lián)、開關電源等內(nèi)容并無相關實驗，學生只能被動地接受實驗結(jié)果，學習興趣不高。

1.4 實驗教學平臺創(chuàng)新不足、開放性差

目前，實驗教學平臺多采用模擬電路構(gòu)成的電力電子裝置，不僅系統(tǒng)設計復雜、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)設計簡單，與模擬系統(tǒng)相比具有更大的優(yōu)勢。同時，學生只能機械地按實驗指導書的規(guī)定進行連線，卻不知系統(tǒng)各單元如何實現(xiàn)，更不會理解實驗和所學知識之間的聯(lián)系，不僅沒達到實踐教學環(huán)節(jié)的目的，而且大大挫傷學生的學習興趣。

1.5 一線年輕教師的教學和實踐經(jīng)驗不足

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，理論性強而實踐環(huán)節(jié)弱是他們的共性，難免在課堂教學中存在“理論”脫離“實際”的問題，從而導致教學內(nèi)容枯燥乏味，這樣既影響了學生的學習興趣，反過來又會影響到教師的教學心態(tài)，形成惡性循環(huán)。

目前的課堂和實驗教學存在著諸多問題，如授課方法機械單一，過分強調(diào)理論學習，嚴重忽視實踐環(huán)節(jié)，不利于學生發(fā)現(xiàn)和解決問題能力培養(yǎng)。

改進電力電子技術(shù)課程過時、單一的教學方法，適應時代和技術(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、實用性強，隨著新器件、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，課程內(nèi)容、教學方法也必須做出相應調(diào)整。筆者在該課程的教學中從以下三方面進行改進，以改善教學效果，激發(fā)學生的學習熱情。

2.1 課程教學內(nèi)容的改革

2.1.1 教學內(nèi)容的改進

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

2.1.2 緊跟學科前沿發(fā)展動向

當前，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)、高效功率拓撲結(jié)構(gòu)在節(jié)能領域的作用越來越明顯，因此在電力電子技術(shù)課程中應包含這部分知識。在講解這部分內(nèi)容時，適時地將高效PWM整流技術(shù)、風力發(fā)電、光伏發(fā)電等內(nèi)容引入到課堂教學中，拓寬了學生的知識面，激發(fā)了學生的學習熱情。

2.2 課堂教學手段的改革

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

針對以上教學現(xiàn)狀，提出如下的改進措施。

2.2.1 “預習+討論”引入課堂教學

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

實踐證明，“預習+討論”的教學方法，通過師生之間、同學之間互動，大大提高了學習的主動性，培養(yǎng)學生的自學能力，同時，互動教學使師生之間、同學之間關系更為和諧、融洽；也促進了課程學習。

2.2.2 采用多種教學方式進行課堂教學

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間，又可使學生在課堂上獲得更大的信息量。

此外，學生還可利用電力電子技術(shù)課程的網(wǎng)絡教學平臺，隨時進行預習、復習；同時，教師可以隨時掌握學生的學習進展。

2.3 實踐教學的改革

實踐教學環(huán)節(jié)可以鞏固、檢驗課堂上所學的基礎理論知識，強化學生的實踐技能，提高學生的實際動手能力，是課堂教學的必要補充。

2.3.1 精心安排實踐教學內(nèi)容

該課程實驗由學生獨立完成，在課程總學時有限的情況下，精選出以下實驗作為學生獨立實驗內(nèi)容。

(1)晶閘管半波整流電路，結(jié)合實驗掌握單結(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)合實驗掌握雙極性、VVVF變頻、MOSFET和IGBT驅(qū)動、自舉驅(qū)動等知識。

(3)軟開關電路，結(jié)合實驗掌握移相PWM技術(shù)、零電壓、零電流等知識。

2.3.2 開展仿真實驗教學

Matlab、PSPICE等為常用電力電子仿真軟件，具有精度高、重復性好、簡單、調(diào)節(jié)容易等優(yōu)點，通過仿真，可加深對課本知識的理解；同時，又為系統(tǒng)設計、系統(tǒng)調(diào)試奠定基礎。學生在學習完相關內(nèi)容后，可根據(jù)教師布置的習題，自行進行系統(tǒng)仿真，以此加深對理論知識的理解。

2.3.3 開放實驗室教學

除了課內(nèi)實驗和課后的仿真實驗練習外，還可充分利用本人研發(fā)的電力電子實驗教學平臺，包括PWM變流，BOOST，BUCK，功率開關管MOSFET串并聯(lián)裝置、反激式開關電源等實驗教學平臺。

(1)PWM變流實驗平臺

通過實踐，可以使學生學習到PWM整流、逆變、三相橋式功率拓撲的工作原理，并加深對單極性、雙極性等概念的理解；通過實驗平臺，可對理論知識加以驗證和強化。

(2)BOOST和BUCK實驗平臺

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

(3)MOSFET串并聯(lián)實驗平臺

通過實踐，可以使學生掌握MOSFET串并聯(lián)的工作原理以及“自舉”驅(qū)動的設計方法。

(4)反激式開關電源實驗平臺

通過實踐，可以使學生掌握反激式的工作原理和高頻變壓器設計方法；同時，可對反激式電源的理論知識加以驗證和強化。

3 課堂教學和實驗教學的改革效果

通過對電力電子技術(shù)課程的教學改革，取得如下成效：學生學習興趣大大增加，教改前后學生考試的平均成績從69.6分提高到80.2分；同時，同學的實踐能力大為提高，參與教師科研項目的學生增多，幾乎全班學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“三菱電機杯”全國大學生競賽中3人次獲二等獎，并申請國家專利6項。

4 結(jié)束語

實踐表明，筆者的課程改革和探索大大提高學生的學習興趣，課堂氣氛十分活躍，學生積極主動地進行預習、復習，在課堂上能認真、主動，師生間形成了良好互動。在實踐教學中，能積極、主動進行系統(tǒng)搭建、調(diào)試。同時，課程改革和探索拓寬了學生的思維，提高了教學質(zhì)量和學生的綜合素質(zhì)，大大增強了學生的工程實踐能力，受到了學生的好評。

參考文獻

[1] 王兆安.電力電子技術(shù)[M].第五版.北京:機械工業(yè)出版社,2009．

[2] 王春鳳,李旭春,薛文軒.電力電子技術(shù)實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):127-129.

[3] 孔祥新,閆紹敏.“電力電子技術(shù)”課程教學改革探討[J].中國電力教育,2011(21):180-181．

[4] 周元一,湯德榮.電力電子技術(shù)課程項目化教學改革[J].湖北經(jīng)濟學院學報:人文社會科學版,2013(3):181-182．

[5] 陳佩軍.電力電子技術(shù)課程的應用型教學改革探索[J].大學教育,2015(2):161-162．

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。

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目(編號：JG2014010795)。