“電力電子系統(tǒng)與控制”研究生課程改革探索

師蔚

[摘? ? 要]根據(jù)我國(guó)新工科建設(shè)理念的要求，以及交通運(yùn)輸專業(yè)碩士人才培養(yǎng)模式及特點(diǎn)，對(duì)“電力電子系統(tǒng)與控制”的研究生學(xué)位課程進(jìn)行了改革探索。改革包括：將最新的電力電子新技術(shù)、新應(yīng)用以交通運(yùn)輸為主線導(dǎo)入課程;將交通行業(yè)思政的內(nèi)容導(dǎo)入課程;建設(shè)交通運(yùn)輸領(lǐng)域電力電子系統(tǒng)與控制的特色案例庫(kù);課堂教學(xué)中應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂等新教學(xué)方法。

[關(guān)鍵詞]電力電子系統(tǒng);交通運(yùn)輸專業(yè);教學(xué)方法

[中圖分類號(hào)] G642 ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1008-2549（2021） 10-0071-03

一、課程特點(diǎn)分析

“電力電子系統(tǒng)與控制”課程為上海工程技術(shù)大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)碩士的一門學(xué)科基礎(chǔ)專業(yè)課程。課程內(nèi)容主要研究電力電子學(xué)的基本原理、電能轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)建模方法以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。即首先介紹目前主流電力電子開(kāi)關(guān)控制器件，然后以四大類基本電能變換技術(shù)為主線，介紹各類電力電子系統(tǒng)與控制的動(dòng)態(tài)建模及分析方法。通過(guò)本課程使學(xué)生掌握各種電力電子系統(tǒng)與控制的工作原理、控制方法、設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。使學(xué)生具有一定的電力電子系統(tǒng)與控制的設(shè)計(jì)能力、具有一定的運(yùn)用仿真工具實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)與控制的靜動(dòng)態(tài)仿真的能力、具有綜合評(píng)價(jià)和分析電力電子系統(tǒng)與控制問(wèn)題的能力。掌握與本專業(yè)方向相關(guān)的電力電子系統(tǒng)與控制問(wèn)題的分析和解決的思路和手段，了解幾個(gè)領(lǐng)域中電力電子系統(tǒng)與控制運(yùn)用的現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

本門課程作為一門碩士學(xué)科基礎(chǔ)專業(yè)課程，與本學(xué)科的“電力電子技術(shù)”相關(guān)課程存在一定差異。體現(xiàn)在課程內(nèi)容方面就是研究生課程必須要體現(xiàn)“高、新、精”?！案摺币馕吨n程的起點(diǎn)較高，即在本科“電力電子技術(shù)”課程基本原理基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)電力電子系統(tǒng)及控制的動(dòng)態(tài)建模方法，以及基于動(dòng)態(tài)模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析方法。在課程“新”的方面主要使課程多反映電力電子系統(tǒng)與控制方面的新知識(shí)、新科技、新成果以及新應(yīng)用。課程的“精”主要體現(xiàn)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的電力電子系統(tǒng)與控制方面的應(yīng)用須具有專門案例庫(kù)，并對(duì)其主流共性問(wèn)題進(jìn)行精講。傳統(tǒng)的“電力電子系統(tǒng)與控制”的教學(xué)內(nèi)容雖選取經(jīng)典教材，但由于電力電子及控制技術(shù)的快速發(fā)展，已有的課程內(nèi)容不能完全反應(yīng)新技術(shù)及新應(yīng)用，無(wú)法體現(xiàn)課程“高”以及“新”的特點(diǎn)。同時(shí)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容中也未含有針對(duì)交通運(yùn)輸工程方向的應(yīng)用，需要進(jìn)行相應(yīng)案例庫(kù)的開(kāi)發(fā)。在課程中將思政教育與專業(yè)相結(jié)合，將“交通強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略要求、愛(ài)國(guó)主義情懷等課程思政內(nèi)容潛移默化地融入課程中去，激發(fā)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，努力成為具有民族擔(dān)當(dāng)?shù)臅r(shí)代新人。以教師“教授”為主的教學(xué)模式，也很難適應(yīng)新的人才培養(yǎng)理念及要求，必須進(jìn)行教學(xué)方式的改革，適應(yīng)我國(guó)新工科建設(shè)理念的要求，適應(yīng)新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)需求。

二、課程內(nèi)容的更新

在原有課程內(nèi)容基礎(chǔ)上進(jìn)行課程內(nèi)容的更新，引入目前能夠體現(xiàn)電力電子發(fā)展方向的新技術(shù)以及最新案例庫(kù)的討論，并貼合課程內(nèi)容融入思政要素，使學(xué)生提高對(duì)電力電子系統(tǒng)與控制的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

（一）電力電子系統(tǒng)及控制最新技術(shù)的導(dǎo)入

電力電子系統(tǒng)及控制新技術(shù)的導(dǎo)入主要涵蓋幾個(gè)主要的方面：電力電子新器件、電力電子功率模塊新技術(shù)以及電力電子系統(tǒng)與控制新應(yīng)用。

在電力電子器件方面，從歷史發(fā)展初期的晶閘管以及后期門極可關(guān)斷晶閘管、電力雙極性晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管為代表的全控型器件高速發(fā)展，一直到絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），成為現(xiàn)代電力電子器件的主要器件，并且以IGBT為核心的智能功率模塊不斷成熟。以硅材料為基礎(chǔ)的各種電力電子器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅、氮化鎵制造的電力電子器件，具有耐壓、低通態(tài)電阻、更好的熱穩(wěn)定性、耐射線輻射等優(yōu)異特性。新型碳化硅及氮化鎵功率器件因此具有功率密度大、開(kāi)關(guān)損耗小、適合高頻工作、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，逐步受到關(guān)注，并在電動(dòng)汽車及軌道交通車輛上得到了成功應(yīng)用，是電力電子器件新的發(fā)展方向。因此，課程在器件介紹中要加入碳化硅、氮化鎵的內(nèi)容。

在電力電子功率模塊方面，雙面冷卻技術(shù)顯著降低了芯片結(jié)溫，提升了功率模塊的可靠性，膜電容技術(shù)在功率模塊中的應(yīng)用也減小了功率模塊的體積。矩陣轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交交變流電路作為目前電力電子功率模塊以及功率模塊和牽引電機(jī)進(jìn)行集成驅(qū)動(dòng)的不斷發(fā)展，成為目前電力電子模塊的發(fā)展方向。

電力電子系統(tǒng)應(yīng)用主要針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的交通運(yùn)輸方向，側(cè)重交通運(yùn)輸方向的電力電子系統(tǒng)新應(yīng)用。交通運(yùn)輸對(duì)電力電子系統(tǒng)要求低造價(jià)、高功率密度及體積密度、高效及高可靠性，因此系統(tǒng)要朝著高集成化、高電壓、頻率等級(jí)、高的工作溫度以及控制智能方向發(fā)展。

（二）案例庫(kù)內(nèi)容的導(dǎo)入

案例教學(xué)是一個(gè)讓學(xué)生參與課程內(nèi)容，且以學(xué)生為主體的教學(xué)活動(dòng)。為保證案例教學(xué)活動(dòng)的效果，促進(jìn)師生的互動(dòng)交流，提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，我們同時(shí)兼顧知識(shí)傳授和學(xué)生能力培養(yǎng)，有針對(duì)性地建設(shè)課程案例庫(kù)。

在本課程案例庫(kù)建設(shè)中，首先考慮課程服務(wù)于專業(yè)碩士培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，即在課程案例選材中，根據(jù)我校交通運(yùn)輸專業(yè)碩士的特點(diǎn)，確定學(xué)生的研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄜ囕v工程方向。電力電子系統(tǒng)及控制技術(shù)應(yīng)用在軌道交通車輛領(lǐng)域，主要包括電力牽引及輔助供電，根據(jù)軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域的不同又分為城市軌道交通車輛及高速軌道車輛的應(yīng)用兩個(gè)方面。因此案例設(shè)置首選方向即是針對(duì)兩種典型車輛的兩個(gè)領(lǐng)域，促使學(xué)生的專業(yè)研究方向與課程案例內(nèi)容產(chǎn)生共鳴，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。在進(jìn)行具體案例設(shè)計(jì)中，選擇以上研究方向的有代表性、較前沿的、能夠反映我國(guó)軌道交通車輛領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題的案例。案例庫(kù)建設(shè)主要包含案例的描述、案例的主要研究方案、案例的性能評(píng)價(jià)幾個(gè)方面。案例描述要介紹案例的研究?jī)r(jià)值及研究?jī)?nèi)容，除文字介紹外，可以包含一些圖片、數(shù)據(jù)，甚至錄像和動(dòng)畫，多方面展示案例。在案例的研究方面，教師必須進(jìn)行基礎(chǔ)文獻(xiàn)的準(zhǔn)備，同時(shí)留有一定空間，讓學(xué)生自我進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，提高其調(diào)研的基本能力。隨著對(duì)案例探討的深入，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入剖析，引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)踐問(wèn)題的能力。案例的性能評(píng)價(jià)中，教師應(yīng)準(zhǔn)備基礎(chǔ)素材引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行反思，評(píng)價(jià)過(guò)程中要綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全、倫理等制約因素。

（三）思政內(nèi)容的導(dǎo)入

在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上，習(xí)近平總書(shū)記提出了提高學(xué)生思想政治素質(zhì)的明確要求，要把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人。因此，在本專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程中，必須從高校育人本質(zhì)出發(fā)，不斷深度挖掘提煉專業(yè)知識(shí)體系中所蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，增加課程的知識(shí)性、人文性，實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)體系與價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一。

修讀該課程的學(xué)生為交通運(yùn)輸專業(yè)碩士，主要的就業(yè)方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸方向。作為電力電子系統(tǒng)與控制的重要應(yīng)用——軌道交通車輛，是一個(gè)重要的課程思政切入點(diǎn)。因此要將“交通強(qiáng)國(guó)，鐵路先行”的理念融入課堂。如今，中國(guó)高鐵已經(jīng)成了我國(guó)一張靚麗的“名片”，我國(guó)高鐵里程已經(jīng)位居世界第一。我們要將以上內(nèi)容所承載的文化自信、民族自豪感、愛(ài)國(guó)情懷等傳播給學(xué)生。在我國(guó)的新基建中，“城際高速鐵路和城市軌道交通”建設(shè)如火如荼，無(wú)數(shù)軌道建設(shè)者默默奉獻(xiàn)，他們是我們時(shí)代的楷模，他們承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，他們堅(jiān)持科技強(qiáng)國(guó)、弘揚(yáng)工匠精神，我們要將這些內(nèi)容融入課程，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)自豪感，幫助學(xué)生樹(shù)立職業(yè)理想。

在電力電子系統(tǒng)及控制的動(dòng)態(tài)建模方法，以及基于動(dòng)態(tài)模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析方法這些理論教學(xué)過(guò)程中，要強(qiáng)調(diào)在學(xué)習(xí)、探索過(guò)程中求真務(wù)實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、精益求精。在進(jìn)行案例教學(xué)和學(xué)生進(jìn)行案例探索中，引導(dǎo)學(xué)生弘揚(yáng)探索創(chuàng)新精神。要加強(qiáng)學(xué)生職業(yè)道德培養(yǎng)，幫助學(xué)生樹(shù)立良好的職業(yè)道德觀，為日后進(jìn)入相關(guān)行業(yè)就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、課程教學(xué)方法的更新

研究生相對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)，具有相對(duì)更好一些的專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)理解及表達(dá)能力，因此在課程教學(xué)方法上，核心的理論模塊主要采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，并結(jié)合案例庫(kù)與翻轉(zhuǎn)課堂。

在進(jìn)行相關(guān)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)前，進(jìn)行案例內(nèi)容的布置。教師利用學(xué)?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)發(fā)布翻轉(zhuǎn)課堂任務(wù)，將教師準(zhǔn)備好的案例內(nèi)容、任務(wù)內(nèi)容及任務(wù)目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上發(fā)布。學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)查看教學(xué)資源，明確教學(xué)任務(wù)及教學(xué)目標(biāo)，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行群組討論以及與教師進(jìn)行交流。在核心任務(wù)內(nèi)容中，需要研究生針對(duì)案例，根據(jù)教師規(guī)定的核心研究?jī)?nèi)容進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，然后分組進(jìn)行資料整理與撰寫總結(jié)報(bào)告，制作匯報(bào)PPT并在課堂上匯報(bào)交流。在學(xué)生進(jìn)行資料收集整理及撰寫報(bào)告過(guò)程中鍛煉專業(yè)文獻(xiàn)獲取、綜合運(yùn)用和分析問(wèn)題的能力。通過(guò)課堂上匯報(bào)交流，充分調(diào)動(dòng)了研究生主動(dòng)研究案例內(nèi)容的積極性，激發(fā)了其內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力。在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與研究生進(jìn)行答疑交流，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研材料獲取，促使學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入思考。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，教師需要起到積極引導(dǎo)及過(guò)程評(píng)價(jià)作用。當(dāng)研究生進(jìn)行相關(guān)案例的內(nèi)容分享過(guò)程中，教師要針對(duì)學(xué)生的講解，從內(nèi)容的切題情況、廣度、深度對(duì)學(xué)生講解的內(nèi)容進(jìn)行記錄并評(píng)價(jià)。在學(xué)生進(jìn)行階段匯報(bào)結(jié)束后，要引導(dǎo)其他研究生與匯報(bào)學(xué)生進(jìn)行案例的討論，教師適時(shí)加入，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)及反思。

課后還需要針對(duì)本次翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行相關(guān)總結(jié)與客觀評(píng)價(jià)，這對(duì)促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)有積極推動(dòng)作用，并能保證后續(xù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的持續(xù)順利開(kāi)展。教師要對(duì)學(xué)生的匯報(bào)內(nèi)容、實(shí)際表達(dá)、交流過(guò)程三個(gè)主要方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，以正面評(píng)價(jià)為主，提出改進(jìn)意見(jiàn)，并利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行評(píng)價(jià)內(nèi)容的信息公開(kāi)，為后續(xù)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)匯報(bào)提供借鑒，不斷提高翻轉(zhuǎn)課堂的效果。

總之，研究生的“電力電子系統(tǒng)與控制”課程在內(nèi)容上要引入電力電子新技術(shù)，使專業(yè)課程貼近工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。通過(guò)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的電力電子系統(tǒng)與控制特色案例庫(kù)建設(shè)，提升學(xué)生文獻(xiàn)檢索能力，提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力。將課程思政的內(nèi)容導(dǎo)入課程，增強(qiáng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)道德。案例教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，改善教學(xué)效果，為相關(guān)課程改革提供參考。

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（責(zé)任編輯： 王義祥）