電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在新工科培養(yǎng)模式下改革與探索

劉飛 查曉明 徐箭

摘 ?要：新工科強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)模式由學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)為產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，電氣學(xué)科與能源、環(huán)境、交通、信息以及人工智能等領(lǐng)域有學(xué)科交叉特點(diǎn)，教學(xué)培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)向多課程、多學(xué)科融合。因此文章闡述了武漢大學(xué)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程在新工科背景下教學(xué)創(chuàng)新的必要性與建設(shè)目標(biāo)，并提出了新能源發(fā)電、柔直輸電以及電機(jī)變頻調(diào)速的本科教學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)方案，以期增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電力電子在新能源應(yīng)用的理論知識(shí)理解，并提升對(duì)電力電子這門課程學(xué)習(xí)與創(chuàng)新興趣，滿足新工科電力電子人才培養(yǎng)的需要。

關(guān)鍵詞：新工科;學(xué)科交叉;人才培養(yǎng);綜合性實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）12-0129-03

Abstract： The new engineering emphasizes that the talent training mode is changed from the discipline-orientation to the industrial demand orientation. The electrical engineering has interdisciplinary characteristics in the fields of energy， environment， transportation， information and artificial intelligence， and the teaching and training mode transfers to multi-curricular and multi-disciplinary integration. Therefore， this paper expounds the necessity and construction goal of the teaching innovation of Wuhan University's power electronic technology experiment courses under the background of new engineering， and proposes a comprehensive experimental program of undergraduate teaching， which contains renewable energy power generation， flexible DC power transmission and variable frequency motor speed control， expecting to enhance the students' understanding of theoretical knowledge of power electronics in the application of renewable energy， and raise their interests in the course of power electronics， to meet the needs of new engineering power electronics talents training.

Keywords： new engineering; interdisciplinary; talent training; comprehensive experiment

一、以新能源建設(shè)平臺(tái)促進(jìn)多學(xué)科交叉

武漢大學(xué)作為百年名校，是中華人民共和國教育部直屬重點(diǎn)綜合性大學(xué)和國家“雙一流”建設(shè)A類高校。改革開放以來，武漢大學(xué)在理科和文科領(lǐng)域已取得了豐碩的國內(nèi)外領(lǐng)先研究成果，但學(xué)科壁壘也使這些優(yōu)秀的科研成果未能在工程學(xué)科方面得到很好的發(fā)揮應(yīng)用。一方面使武漢大學(xué)的學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)未能得到發(fā)揮，另一方面也制約了學(xué)校工程相關(guān)學(xué)科對(duì)國內(nèi)學(xué)科發(fā)展前沿的占據(jù)。特別是工程領(lǐng)域的電氣工程、自動(dòng)化傳統(tǒng)學(xué)科，近年來處于較為緩慢的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，無一入選國家“雙一流”重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科，不僅學(xué)科排名與武漢大學(xué)的國內(nèi)著名大學(xué)地位不符，而且在人才引進(jìn)和培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)、科研項(xiàng)目以及高水平學(xué)術(shù)論文發(fā)表等諸多方面，難以滿足國家未來能源戰(zhàn)略的發(fā)展需求。這將導(dǎo)致武漢大學(xué)的工程學(xué)科無法在關(guān)乎國家與民族未來的能源領(lǐng)域發(fā)揮與學(xué)校地位相稱的核心作用，使武漢大學(xué)的綜合發(fā)展受到嚴(yán)重制約。而我校電氣工程學(xué)科在新能源動(dòng)力學(xué)特性、預(yù)測(cè)方法、調(diào)度控制、海上風(fēng)電開發(fā)等方面的研究，動(dòng)力、機(jī)械和自動(dòng)化學(xué)科在風(fēng)電裝備制造與并網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)方面的研究，計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)在互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等方面研究，物理和化學(xué)在新能源裝備材料和高效儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的研究，水利水電科學(xué)在抽水蓄能技術(shù)領(lǐng)域的研究成果，測(cè)繪和遙感學(xué)科研究成果在新能源預(yù)測(cè)領(lǐng)域的深化應(yīng)用，使武漢大學(xué)在新能源發(fā)展涉及的發(fā)電預(yù)測(cè)、接入與消納、材料與裝備、儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)等方面，呈現(xiàn)出學(xué)科門類齊全，研究基礎(chǔ)良好、可提供多學(xué)科交叉支撐等巨大優(yōu)勢(shì)。因此，以新能源科學(xué)技術(shù)為切入點(diǎn)促進(jìn)測(cè)繪遙感、物理、化學(xué)，水利水電、計(jì)算機(jī)等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科在新能源領(lǐng)域的深化應(yīng)用，培育優(yōu)勢(shì)學(xué)科在新能源領(lǐng)域形成領(lǐng)先新增長點(diǎn)，助推傳統(tǒng)工程學(xué)科發(fā)展的“彎道超車”發(fā)揮重要作用。

貫徹黨的十九大精神，推進(jìn)“雙一流”建設(shè)，是學(xué)校進(jìn)入新的發(fā)展階段所面臨的新任務(wù)。世界能源轉(zhuǎn)型加速、巴黎協(xié)定的簽署、“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念的提出，對(duì)學(xué)校發(fā)展既是重要機(jī)遇、也是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此，面對(duì)全球新能源研究熱潮帶來的新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，布局發(fā)展新能源學(xué)科領(lǐng)域是學(xué)校在新發(fā)展形勢(shì)下需要做出的重大戰(zhàn)略決策，對(duì)于搶占新能源研究的至高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)綜合性、研究型、國際化大學(xué)的發(fā)展目標(biāo)，具有重要的促進(jìn)作用。為了克服學(xué)校目前在新能源領(lǐng)域研究力量較為分散、總體建設(shè)力度不夠大的不足，從整體把握新能源學(xué)科領(lǐng)域的布局規(guī)劃和明確發(fā)展重點(diǎn)，對(duì)于大力支持基礎(chǔ)良好、發(fā)展?jié)摿Υ蟮男履茉磳W(xué)科方向，加快推進(jìn)新能源學(xué)科的建設(shè)發(fā)展。在學(xué)科建設(shè)方面，有利于積極開展跨學(xué)科交叉研究，將武漢大學(xué)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)學(xué)科與工程學(xué)科相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)科間的交叉融合與相互扶持，不同學(xué)院、不同學(xué)科的教師和研究人員的合作與交流。

二、創(chuàng)新教育方式與教育手段的需要

目前隨著科技創(chuàng)新不斷整合信息與工業(yè)，在傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)上催生新工科發(fā)展。根據(jù)教育部組織討論的新工科建設(shè)路線，新工科教育模式下知識(shí)的集合包括學(xué)科知識(shí)+工作場(chǎng)所知識(shí)，該發(fā)展范式著重突出技術(shù)發(fā)展更新工程人才知識(shí)體系;以學(xué)生志趣求創(chuàng)新工程教育方式和手段。即要求人才培養(yǎng)基地的高等學(xué)校建立更多樣化和個(gè)性化的工程教育培養(yǎng)模式與教育手段[1]。

隨著新能源以及新材料技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，電氣工程學(xué)科具有了更加廣泛的內(nèi)涵和外延。電氣與能源、環(huán)境、交通、信息以及人工智能等領(lǐng)域都表現(xiàn)出跨學(xué)科交叉融合的大趨勢(shì)，尤其是以二次能源電為載體的能源互聯(lián)與應(yīng)用將成為未來發(fā)展與研究熱點(diǎn)，也為電氣工程學(xué)科成為新工科專業(yè)創(chuàng)造機(jī)遇。為了滿足新工科發(fā)展需求，人才培養(yǎng)模式將由學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向;由專業(yè)體系分區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缃缃徊嫒诤?。過去本科教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式將不再適應(yīng)新工科背景下的人才培養(yǎng)需要，必須盡快調(diào)整培養(yǎng)模式與方案以吸引與電氣工程學(xué)科關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的外專業(yè)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)合型才能。

以教育部《國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心管理辦法》、高等學(xué)校電氣類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)《電氣類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》和《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）》、《武漢大學(xué)學(xué)院（系）實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)與管理辦法》為依據(jù)。

在新工科以及武漢大學(xué)建設(shè)“大機(jī)大電”的背景下，我院已建成的新能源發(fā)電高效變換及傳輸學(xué)科實(shí)證平臺(tái)擁有太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)物平臺(tái)、風(fēng)力（直驅(qū)/雙饋）并網(wǎng)發(fā)電模擬平臺(tái)、超級(jí)電容儲(chǔ)能變換模擬平臺(tái)、柔性直流輸電試驗(yàn)平臺(tái)等科研實(shí)證平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了智能電網(wǎng)的智能發(fā)電系統(tǒng)。這些科研實(shí)證平臺(tái)在建設(shè)過程中，偏重學(xué)科前沿問題，與基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)在一定程度上脫節(jié)。當(dāng)今電力電子、能源變換及傳輸是電氣工程中兩大引擎，推動(dòng)著電氣工程學(xué)科的第二次革命。在本科與研究生教學(xué)大綱中，新能源方面的課程重要性逐步提升，但與之配套的教學(xué)實(shí)驗(yàn)一直未能有效開展。因此，將科研實(shí)證平臺(tái)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合建設(shè)新能源發(fā)電與靈活輸電本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室勢(shì)在必行。

根據(jù)國務(wù)院《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，面對(duì)武漢大學(xué)建成中國特色世界一流大學(xué)，打造一流學(xué)科的目標(biāo)，我校面臨嚴(yán)峻的形勢(shì)。尤其作為推動(dòng)著電氣工程學(xué)科的第二次革命的兩大引擎——電力電子、能源變換及傳輸，其知識(shí)日新月異。急需加強(qiáng)新型電力電子拓?fù)渑c控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K與方法建設(shè)，創(chuàng)新面向本科生和研究生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c內(nèi)容。以適應(yīng)新工科與新經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求。

三、建設(shè)方案

（一）打通科研實(shí)證平臺(tái)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間界限，提高新工科背景下復(fù)合人才培養(yǎng)能力

通過對(duì)現(xiàn)有電力電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改造與修購，將其與科研實(shí)證平臺(tái)融合，豐富教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法，使得學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)掌握最新的科研成果，訓(xùn)練電力電子科研實(shí)踐的基本技能，拓寬專業(yè)視野，提高對(duì)電力電子、電力傳動(dòng)、新能源發(fā)電等學(xué)科的認(rèn)知和興趣。最終實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜工程問題的解決過程、基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知過程、學(xué)科專業(yè)人才興趣和能力培養(yǎng)過程融合起來，實(shí)現(xiàn)復(fù)合型、高素質(zhì)人才培養(yǎng)的目標(biāo)[2，3]。

（二）構(gòu)建電氣工程、能源動(dòng)力、電子通信等多專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新軟硬件平臺(tái)

通過電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)開放、舉行電力電子專業(yè)技能培訓(xùn)、設(shè)置電力電子學(xué)生創(chuàng)新支撐項(xiàng)目、組織并指導(dǎo)學(xué)生參加各種電力電子大賽、鼓勵(lì)和引進(jìn)專業(yè)教師擔(dān)任指導(dǎo)老師，構(gòu)建電力電子專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新的軟硬件平臺(tái)[4-7]。

以本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)為中心，以實(shí)驗(yàn)中心“十三五”發(fā)展規(guī)劃為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌規(guī)劃，合理布局，分時(shí)間、分步驟地進(jìn)行電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。通過定制化開發(fā)可編程電壓型PWM變流器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊，創(chuàng)新電力電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與模式。同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備配置需具有一定的前瞻性，將具有新時(shí)代電力專業(yè)特色、反映電力電子學(xué)科動(dòng)態(tài)的技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，即滿足常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，又緊跟科技變革的潮流，具備一流大學(xué)一流學(xué)科培養(yǎng)一流專業(yè)人才的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。

主要完成可編程電壓型PWM變流器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊、多用戶端實(shí)時(shí)電力電子仿真平臺(tái)、三端輕型直流輸電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、異步電機(jī)變頻調(diào)速器、電力電子器件與裝備展示平臺(tái)的設(shè)備購置和建設(shè)工作，構(gòu)建電力電子與新能源綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1. 可編程電壓型PWM變流器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊

針對(duì)當(dāng)前電力電子裝備主流拓?fù)洹妷盒蚉WM變流器，采購可編程電壓型PWM變流器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊。該模塊不僅可以完成全控型器有關(guān)的驅(qū)動(dòng)、斬波、PWM逆變等教學(xué)實(shí)驗(yàn)，還提供了可編程接口和相關(guān)輔助軟件功能模塊，幫助學(xué)生針對(duì)電壓型變流器開展各種PWM調(diào)制、保護(hù)與控制算法的編程實(shí)訓(xùn)。

2. 多用戶端實(shí)時(shí)電力電子仿真平臺(tái)

利用現(xiàn)有的電力電子實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)——RT-lab系統(tǒng)，擴(kuò)展多用戶端功能，構(gòu)建可供多人遠(yuǎn)程同步上機(jī)分時(shí)操作的多用戶端仿真系統(tǒng)。培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握電力電子系統(tǒng)仿真技能，進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)電力電子拓?fù)渑c控制的理解。

通過以上兩個(gè)功能的建設(shè)，可建成國內(nèi)首套基于實(shí)時(shí)仿真與可編程功能模塊的電力電子仿真與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

3. 三端輕型直流輸電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該平臺(tái)主要面向本科生專業(yè)方向必修課《電力電子裝置與系統(tǒng)》的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，開展電力電子裝置功率控制策略、保護(hù)策略、建模驗(yàn)證等方面的教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)，同時(shí)是未來與電機(jī)及新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)室互聯(lián)的重要接口。通過該平臺(tái)（如圖1）可以實(shí)現(xiàn)新能源接入、交直流配電網(wǎng)等系統(tǒng)功能研究。

4. 異步電機(jī)變頻調(diào)速器

異步電機(jī)變頻調(diào)速是電力電子技術(shù)應(yīng)用最早也是最廣的領(lǐng)域之一，通過采購現(xiàn)有成熟的變頻調(diào)速器，學(xué)生一方面可以加強(qiáng)實(shí)踐認(rèn)識(shí)，另一方面可以通過實(shí)際調(diào)速實(shí)驗(yàn)掌握與理解異步電機(jī)變頻調(diào)速的原理與特性。該設(shè)備可以與電機(jī)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

5. 電力電子器件與裝備展示平臺(tái)

該平臺(tái)展示常用電力電子器件實(shí)物、各種電力電子裝備的實(shí)物圖片，通過說明介紹文字，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解。

四、結(jié)束語

通過對(duì)現(xiàn)有電力電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改造與修購，將其與科研實(shí)證平臺(tái)融合，豐富教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法，使得學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)掌握最新的科研成果，訓(xùn)練電力電子科研實(shí)踐的基本技能，拓寬專業(yè)視野，提高對(duì)電力電子、電力傳動(dòng)、新能源發(fā)電等學(xué)科的認(rèn)知和興趣。最終實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜工程問題的解決過程、基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知過程、學(xué)科專業(yè)人才興趣和能力培養(yǎng)過程融合起來，實(shí)現(xiàn)復(fù)合型、高素質(zhì)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

通過電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)開放、舉行電力電子專業(yè)技能培訓(xùn)、設(shè)置電力電子學(xué)生創(chuàng)新支撐項(xiàng)目、組織并指導(dǎo)學(xué)生參加各種電力電子大賽、鼓勵(lì)和引進(jìn)專業(yè)教師擔(dān)任指導(dǎo)老師，構(gòu)建電力電子專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新的軟硬件平臺(tái)。

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