新工科背景下“電力電子技術(shù)”課程改革探索

蔣建波，楊念婷

（大理大學(xué)，云南大理 671003）

2017 年，在綜合性高校和工科優(yōu)勢高校的新工科建設(shè)研討會上，新工科理念〔1-2〕首次被提出，其具體內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。大理大學(xué)（以下簡稱“我?！保╇姎夤こ碳捌渥詣踊瘜I(yè)和儲能科學(xué)與工程專業(yè)是新時代背景下典型的工科專業(yè)，而“電力電子技術(shù)”課程是這兩個專業(yè)共同開設(shè)的一門專業(yè)教育必修課，其課程目標(biāo)是使學(xué)生掌握電力電子器件特性、各種基礎(chǔ)變換器、常規(guī)調(diào)制技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)，并培養(yǎng)學(xué)生的安全意識、創(chuàng)新意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。因此，為了實現(xiàn)該課程的目標(biāo)以及響應(yīng)新工科對人才培養(yǎng)所提出的新目標(biāo)，必須將新工科“立德樹人、應(yīng)對變化、塑造未來”等理念落實到“電力電子技術(shù)”課程的建設(shè)中。

“電力電子技術(shù)”課程的特點包括波形多且復(fù)雜、電路拓撲多樣化等〔3〕，同時，該課程還涉及調(diào)制技術(shù)、自動控制技術(shù)等，屬于電力學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科融合的綜合性課程。然而，我校的“電力電子技術(shù)”課程目前存在學(xué)時不足、教學(xué)手段單一、課程內(nèi)容陳舊、未充分融合課程思政等問題，對該課程進行必要的改革創(chuàng)新，已刻不容緩。

針對上述問題，我?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程組以新工科理念為指導(dǎo)思想，結(jié)合新時代背景下各相關(guān)產(chǎn)業(yè)對電力電子技術(shù)的新需求，對課程思政、教學(xué)手段、課程內(nèi)容等進行一系列的改革，以期培養(yǎng)符合新時代需求的多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。

1 “電力電子技術(shù)”課程存在的問題

結(jié)合新工科背景下對工科人才需要具備較強的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力的需求與新時代電力電子技術(shù)高頻、高功率密度的發(fā)展趨勢，綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，目前我?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程存在多個亟待解決的問題，以下將對這些問題進行詳細闡述。

1.1 課程內(nèi)容多而學(xué)時不足電力電子技術(shù)是一種應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，其核心內(nèi)容是利用電力電子器件對電能進行變換與控制。這門課程以模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路原理課程為基礎(chǔ)，并融合自動控制理論、電力系統(tǒng)分析、工程電磁場等課程的部分內(nèi)容。課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)以半導(dǎo)體開關(guān)器件為基礎(chǔ)，以4 種基本的電力電子變流電路（即直流-直流變流電路、交流-交流變流電路、整流電路和逆變器電路）為主體，并輔以調(diào)制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等，其特點包括拓撲結(jié)構(gòu)多樣化、特征波形多且復(fù)雜、開關(guān)邏輯各異等。

針對該課程內(nèi)容，理想的學(xué)時應(yīng)該是64 學(xué)時左右，然而，目前我校針對該課程所分配的學(xué)時不足，僅為48 學(xué)時，對該課程的教學(xué)造成不小的挑戰(zhàn)。由此也引申出其他方面的問題，如：為了囊括所有教學(xué)內(nèi)容，會造成知識點密集，使得學(xué)生難以完全接受，無法保證學(xué)生充足的反應(yīng)吸收時間，也必然會犧牲部分師生互動的時間等，以上問題必將降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1.2 教學(xué)手段單一目前的教學(xué)手段包括多媒體教學(xué)（PPT）、板書和單獨開設(shè)的實驗課。結(jié)合“電力電子技術(shù)”這門課的特點不難看出，目前的教學(xué)手段還有較大的改進空間。針對“電力電子技術(shù)”課程，作者認為理想的教學(xué)手段應(yīng)該是理論教學(xué)與實驗教學(xué)為主體，并以思想政治教育、該領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢的講解、各種先進工具的利用等為輔助，形成多樣化教學(xué)方式集合，進而針對不同受眾群體和教學(xué)目標(biāo)因材施教。

首先，受器件參數(shù)、電氣環(huán)境的影響，電力電子電路具有很強的非線性特征，而目前的教學(xué)皆以理想化條件為基礎(chǔ)展開分析。這種方法雖然便于理解，但與實際脫離嚴(yán)重，學(xué)生在今后實際工作中遇到類似電路時，會對相關(guān)波形等產(chǎn)生疑惑，無法達到學(xué)以致用的目的。

其次，新時代背景下，針對電力電子的仿真工具具有多樣化、精度高等特點。具有代表性的仿真軟件或平臺主要有Matlab 軟件的Simulink 工具箱〔4〕、PSIM〔5〕、硬件在環(huán)仿真平臺〔6-7〕等。雖然實驗課相比仿真更接近實際，但目前我校電力電子實驗設(shè)備較少，無法保證每位學(xué)生有充足的實驗時間，且實驗參數(shù)固定，無法隨意更改，不便于研究參數(shù)變化對變換器性能的影響。

最后，電力電子技術(shù)發(fā)展至今，仍處于高速發(fā)展階段，目前的課程教學(xué)中未涉及電力電子發(fā)展的前沿技術(shù)，學(xué)生對電力電子發(fā)展的趨勢不了解，也不熟悉電力電子行業(yè)發(fā)展相關(guān)的需求，進而可能限制學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1.3 課程內(nèi)容陳舊目前我校“電力電子技術(shù)”課程仍然沿用2009 年出版的教材及其相關(guān)的內(nèi)容體系，而至今為止，電力電子技術(shù)在十多年的發(fā)展歷程中涌現(xiàn)出許多新技術(shù)、新拓撲。雖然這些技術(shù)都是基于傳統(tǒng)電力電子技術(shù)衍生而來，但也存在許多差異。例如針對并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流紋波衰減問題，傳統(tǒng)的方法是采用分立形式的LCL 濾波器，然而，基于此問題，有學(xué)者提出了采用電磁能量轉(zhuǎn)移的方法將并網(wǎng)電流紋波轉(zhuǎn)移至其他不關(guān)鍵的支路中〔8〕，進而實現(xiàn)并網(wǎng)電流紋波衰減，同時也將分立的磁性元件進行集成，有效減小了濾波器體積。又如針對低功率的并網(wǎng)逆變器應(yīng)用，傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)通常選擇H 橋逆變器拓撲，但該拓撲會導(dǎo)致直流側(cè)存在兩倍頻功率振蕩，且無法實現(xiàn)升壓逆變，在光伏并網(wǎng)應(yīng)用中還存在共模漏電流問題，而針對這一問題，有學(xué)者提出一種由兩個Boost 變換器交錯級聯(lián)構(gòu)成的逆變器拓撲〔9〕，可以同時解決兩倍頻功率振蕩、共模漏電流和升壓逆變等問題，見圖1。

圖1 文獻〔9〕提出的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

諸如此類的新技術(shù)還很多，在此不做贅述。由此可以看出，目前的課程內(nèi)容體系已無法適應(yīng)新時代的發(fā)展，需要在此基礎(chǔ)上進行必要的革新。需要注意的是，原有知識點雖然陳舊，但對于學(xué)生理解基本原理具有不可替代的作用，因此對課程內(nèi)容的革新是在原有知識點的基礎(chǔ)上融入新的知識點，而不是完全的替代。

1.4 課程思政缺乏傳統(tǒng)教學(xué)中，教師更注重教學(xué)理論內(nèi)容，不同程度忽略了大學(xué)課程是傳授知識和思想政治教育相結(jié)合的。如何深入貫徹落實全國高校思想政治工作會議精神，為國家、為社會培養(yǎng)出明辨是非、德才兼?zhèn)涞膹?fù)合型人才是每個大學(xué)教師需要思考的問題。同樣，目前我?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程仍然偏重于理論教學(xué)，未充分融合課程思政，有待加強與改進。

2 “電力電子技術(shù)”課程改革探索

針對目前我?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程存在的諸多問題，結(jié)合已有資源，開展以下幾個方面的課程改革工作。

2.1 課程思政融入教學(xué)過程我校“電力電子技術(shù)”課程團隊堅持以“立德樹人”為根本原則，結(jié)合電力電子技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域開展課程思政工作。

首先，課程團隊成員通過研討會的方式，對“電力電子技術(shù)”相關(guān)課程內(nèi)容深入挖掘、總結(jié)出適合開展思政教育的知識點。例如在講授逆變電路知識點時，引申出光伏并網(wǎng)應(yīng)用，以光伏為代表的新能源發(fā)電具有零排放、無污染、環(huán)境友好的特點，在我國碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標(biāo)的推進中起到了舉足輕重的作用，而光伏逆變器是光伏并網(wǎng)的核心裝備，作為電氣、儲能專業(yè)的當(dāng)代大學(xué)生以及未來的工程人才，需要履行好實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的義務(wù)。

其次，通過歷史案例等形式探尋總結(jié)電力電子相關(guān)領(lǐng)域中存在的德育元素，在講解相關(guān)知識點的同時引出案例，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)與引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的價值觀、歷史責(zé)任感及文化自信。例如我國的高壓直流輸電技術(shù)中，以換流器、無功補償裝置等為代表的核心裝備，都是基于電力電子技術(shù)發(fā)展而來的，而我國的國產(chǎn)裝備也處于世界領(lǐng)先地位，這使得我國的高壓直流輸電技術(shù)巍然屹立于世界之巔。以此來激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，并由此培養(yǎng)學(xué)生作為未來工程人才的責(zé)任感。

2.2 豐富教學(xué)手段，增強學(xué)習(xí)興趣針對教學(xué)手段不夠豐富及學(xué)時不足的問題，我?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程團隊將先進的仿真工具引入課程教學(xué)中。前文所述3 種先進仿真工具中，以Matlab/Simulink 應(yīng)用較為廣泛，因此選擇這一工具來豐富教學(xué)手段。下面以一個簡單的案例設(shè)計來闡述該工具的作用。

以帶阻感負載的單相橋式全控整流電路為例來展示引入先進仿真工具后的教學(xué)效果。圖2 展示了利用Matlab/Simulink 搭建的帶阻感負載的單相橋式全控整流電路的仿真模型，根據(jù)理論分析（定義電感無窮大），該電路的關(guān)鍵波形見圖3，其中u2和i2為交流側(cè)電壓和電流，ud和id為直流側(cè)電壓和電流，uVTx和iVTx分別表示第x 個晶閘管的電壓和電流。

圖2 單相橋式全控整流電路仿真模型

圖3 單相橋式全控整流電路關(guān)鍵波形

可以看出理想條件下直流側(cè)電流是恒定的，交流側(cè)的電流為標(biāo)準(zhǔn)的方波。如此定義雖然便于分析，但與實際情況相差甚遠。圖4 展示了U2=100 V、L=10 mH、R=10 Ω、α=45°時的仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)與理論分析差距較大，這是由于實際應(yīng)用中電感值是有限的。這可能導(dǎo)致學(xué)生在今后工作中遇到類似問題時并不能完全理解這種現(xiàn)象，不能達到學(xué)以致用的目的。

圖4 單相橋式全控整流電路仿真波形

基于圖4 對該電路進行分析，以促進學(xué)生的理解與掌握?？梢钥闯鰧嶋H條件下，在交流電壓由正到負之后，電感電流并不能完全持續(xù)到下一個觸發(fā)信號的到來，這就造成在另一組晶閘管開通之前，前一組晶閘管就會提前關(guān)斷，關(guān)斷之前的工作模式與圖3 所示相同，另一組晶閘管的電壓等于電網(wǎng)電壓u2；關(guān)斷后晶閘管VT1承受一半的交流電壓u2/2，這也是圖4 中觸發(fā)信號到達之前晶閘管電壓出現(xiàn)跳變的原因。

為了驗證圖3 所示關(guān)鍵波形的合理性，需要引導(dǎo)學(xué)生不斷加大電感值進行重復(fù)仿真驗證，以逼近圖3 所示波形。圖5 展示了隨著電感值逐漸增加時直流側(cè)電流的波形，可以看出隨著電感值的增加，直流側(cè)電流從斷續(xù)變?yōu)檫B續(xù)，并逐漸趨于恒定，從而驗證了圖3 所示波形的合理性。

圖5 隨電感值增加時id 的仿真波形

從上述案例可以看出，通過Matlab/Simulink 工具的仿真實驗，可以清晰地展示參數(shù)變化情況下整流器的輸出特性，有利于加深學(xué)生對該電路工作原理的理解。同時，該仿真工具也被各電力企業(yè)廣泛應(yīng)用，通過仿真練習(xí)，也可以使學(xué)生掌握一門實用技能。此外，仿真練習(xí)安排學(xué)生以課外作業(yè)的形式完成，讓學(xué)生在課前就對知識點有清晰的認識；同時，利用雨課堂等互聯(lián)網(wǎng)工具加以輔助，豐富課外教學(xué)手段。綜上所述，通過先進仿真工具及互聯(lián)網(wǎng)工具的應(yīng)用，可以間接起到節(jié)約課時的作用，有利于提高學(xué)習(xí)效率。

2.3 科研與教學(xué)融合，擴展視野課堂內(nèi)所講授的知識點，大部分都具有基礎(chǔ)性較強、新穎性不足的特點。筑牢學(xué)生的基礎(chǔ)固然重要，但如果能在扎實的基礎(chǔ)之上再輔以創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，則更有利于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

針對這一問題，我校“電力電子技術(shù)”課程團隊的教師將自己近期取得的科研成果在適當(dāng)?shù)牡胤?，以知識拓展的形式融入課程教學(xué)中。例如，圖1 所示的逆變器拓撲即為作者在攻讀博士期間所提出的一種新拓撲，主要應(yīng)用于低功率的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。此部分內(nèi)容可以在講解H 橋逆變電路的時候引入，H 橋逆變器的優(yōu)點是拓撲結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，適合以此為例向?qū)W生講解逆變器的原理。然而，當(dāng)H 橋逆變器被應(yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)時存在3 個方面的問題：共模漏電流、直流側(cè)兩倍頻功率振蕩和無法升壓逆變。針對這個問題，作者利用兩個升壓直流變換器（一個由圖1 中的L1、S1和C1構(gòu)成，另一個則由圖1 中的L2、S2和C2構(gòu)成）通過巧妙的交錯級聯(lián)方式構(gòu)成圖1 所示的新型逆變器拓撲。該拓撲交流側(cè)和直流側(cè)共地，從而完全消除了共模漏電流；還提出一種兩倍頻功率解耦策略以消除直流側(cè)功率振蕩；最后，該拓撲還具有升壓逆變能力。因此，所提出的新拓撲完全解決了上述3 個問題。

此類例子還有很多，但其共同點都類似，即基于基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)，通過巧妙的構(gòu)思加以改進，實現(xiàn)不一樣的功能，解決當(dāng)下工業(yè)界存在的問題。通過科研例子的擴展，能夠打開學(xué)生的眼界，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。科研反哺教學(xué)的主要方式包括但不限于：向?qū)W生講授科研創(chuàng)新點推導(dǎo)思路，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力；向?qū)W生介紹通過需求導(dǎo)向型方式取得的科研成果，培養(yǎng)學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力。

2.4 改進課程內(nèi)容，適應(yīng)時代潮流如前所述，我?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程目前仍然沿用2009 年出版的教材，無法適應(yīng)當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展。針對這一問題，首先對教材內(nèi)容知識點進行了改進，改進的方式包括增加部分新內(nèi)容、替換部分已被淘汰的內(nèi)容；其次，對實踐教學(xué)內(nèi)容也進行了相應(yīng)的改進。

在增加新內(nèi)容方面，主要體現(xiàn)在增加一些目前被廣泛應(yīng)用的變流電路，以及上文中所述的增加一些科研成果進行知識拓展。例如，在整流電路應(yīng)用中，目前被廣泛采用的是PWM 整流器，其優(yōu)勢是不會向電網(wǎng)注入低次諧波，進而影響電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性。這部分內(nèi)容加入相控式晶閘管整流電路之后，可以起到承上啟下的作用，同時也可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思路與能力。

在替換內(nèi)容方面，主要體現(xiàn)在一些理論知識晦澀難懂且目前已被先進技術(shù)淘汰的知識點。例如，在晶閘管整流電路的相位控制實現(xiàn)方面，以前的方式是采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，該電路本質(zhì)上是一種運行邏輯多變、拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件較多的模擬電路，學(xué)生對此類電路的理解掌握能力較差。此外，該電路功耗高，可靠性較差，目前已被可靠性高、多功能化的集成電路所替代，如果再占用較多課時（3 個課時左右）對此類內(nèi)容進行講解，將得不償失。因此，此部分內(nèi)容被替換為常用的集成電路系列的功能與應(yīng)用介紹。

在實踐教學(xué)內(nèi)容方面，將鋸齒波同步移相觸發(fā)電路實驗移除，增加了基于Matlab/Simulink 仿真平臺的PWM 整流電路仿真實驗，采用實際試驗臺操作與仿真實驗相結(jié)合的方式進行理論驗證，一方面將實際實驗的真實性與仿真實驗的靈活性進行優(yōu)勢互補，另一方面也一定程度上彌補了實驗設(shè)備不足的缺點。

3 改革成效

由于本次課程改革處于初期探索階段，因此本研究僅對比了改革前后兩屆學(xué)生的期末考試情況及學(xué)生評價情況，雖然樣本數(shù)量不夠充足，但在一定程度上也能反映本次改革的成效。改革前后兩屆學(xué)生的總?cè)藬?shù)均為58 人，圖6 所示為改革前后兩屆學(xué)生的期末考試成績對比圖，及格率從89.7%上升至96.6%，80 分以上的同學(xué)從8.6%增加至27.6%?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過課程改革以后學(xué)生成績得到了明顯的提升，不及格人數(shù)由6 人減少至2 人，對應(yīng)占比由10.3%下降至3.4%；60～69 分區(qū)間人數(shù)由21 人下降至12 人，對應(yīng)占比由36.2%下降至20.7%；70~79 分區(qū)間人數(shù)由26 人增加至28 人，對應(yīng)占比由44.8%增加至48.3%；80~89 分區(qū)間人數(shù)由5 人增加至14 人，對應(yīng)占比由8.6%增加至24.1%；90 分以上的學(xué)生也實現(xiàn)了從0 人到2 人的突破。同時，改革后的期末考試成績也由改革前的輕度偏態(tài)分布轉(zhuǎn)變?yōu)檎龖B(tài)分布。在學(xué)生評價方面，主要通過學(xué)生網(wǎng)絡(luò)評教和紙質(zhì)打分的形式，通過統(tǒng)計，改革前后評價的平均分也從90.3 分上升至92.5分；在同行評價方面，通過與云南民族大學(xué)等同行教師相互交流，得到了“教學(xué)手段豐富多樣、教學(xué)思維新穎”等好評。

圖6 改革前后期末考試成績對比

此外，通過此次改革以及后續(xù)的努力，以期實現(xiàn)以下目標(biāo)：

3.1 弘揚文化自信，提升歷史責(zé)任感通過理論教學(xué)與課程思政的高度融合，以有效激發(fā)學(xué)生的民族自豪感與歷史責(zé)任感，使其深刻體會到作為未來工程人才所肩負的責(zé)任，進而培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀，激發(fā)學(xué)生的斗志，使其更加努力地投入到理論學(xué)習(xí)中。

3.2 應(yīng)用仿真工具，提高學(xué)習(xí)效率通過先進仿真工具的應(yīng)用，以起到預(yù)習(xí)的作用，在課程講解過程中學(xué)生能夠快速進入狀態(tài)，起到了事半功倍的效果；其次，充分調(diào)動學(xué)生向老師提問的積極性，進而提升學(xué)習(xí)主動性，以達到提高學(xué)習(xí)效率的目的。

3.3 豐富學(xué)生技能，拓寬學(xué)生視野首先，Matlab/Simulink 仿真工具是眾多電力企業(yè)廣泛使用的一種仿真工具，力求學(xué)生在本課程的學(xué)習(xí)中熟練掌握這一工具的使用方法，豐富學(xué)生的技能庫，提升競爭力；其次，通過科研成果的拓展，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，激發(fā)其創(chuàng)新思維能力，拓寬學(xué)生對本專業(yè)應(yīng)用的視野。

大理大學(xué)“電力電子技術(shù)”課程團隊針對目前課程教學(xué)所凸顯的一系列問題，以新工科理念為思想指導(dǎo)，采用融入思政教育、課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)改進、結(jié)合先進工具與科研成果等方式進行改革與探索。目前已取得了初步成效，但仍然存在許多需要完善的地方，下一步將從深入貫徹課程思政教育、提高科研反哺教學(xué)的力度與范圍、繼續(xù)豐富完善教學(xué)手段等方面進一步對“電力電子技術(shù)”課程進行改革與完善。