“電力電子技術(shù)”實驗教學改革初探

摘要：針對目前“電力電子技術(shù)”實驗教學中存在的問題，指明了“電力電子技術(shù)”實驗教學的改革方向，即改革實驗教學平臺，開展研究性教學，同時提供實驗開放教學。通過這些行之有效的方法，激發(fā)了學生科研的興趣，提高了學生的創(chuàng)新能力，在“電力電子技術(shù)”實驗教學過程中取得了良好的教學成果。

關(guān)鍵詞：綜合性與設(shè)計性實驗；研究性教學；計算機仿真；電力電子技術(shù)

作者簡介：李小武（1979-），男，湖南邵陽人，湖南科技學院電子工程系，講師；張新安（1956-），男，湖南永州人，湖南科技學院電子工程系，副教授。（湖南永州425000）

基金項目：本文系湖南省教育廳教改項目（編號：湘教通[2009]321號序號350、湘教通[2010]243號序號377）的研究成果。

中圖分類號：Ｇ642.423#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）13-0093-02

隨著科學技術(shù)的不斷進步，電氣工程與自動化技術(shù)正以令人矚目的發(fā)展速度，改變著我國工業(yè)的整體面貌。電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，也就是使用電力電子器件（如晶閘管、GTO、IGBT等）對電能進行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。[1]電力電子電路吸收了電子學的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。[2]利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同組成各種用途的整機稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。由此，“電力電子技術(shù)”課程對于電子信息工程專業(yè)以弱電為主要學習對象的學生來說具有一定的難度，該專業(yè)的學生學習“電力電子技術(shù)”實驗課程總覺得索然無味，一堂課學下來迷茫如初。筆者針對這一問題進行了多年的“電力電子技術(shù)”實驗課程教學探討與改革，對其教學方法和內(nèi)容進行了研究和實驗。

一、“電力電子技術(shù)”實驗教學中存在的問題

“電力電子技術(shù)”課程是一門基礎(chǔ)課程，也是實驗性很強的一門課程，其實驗環(huán)節(jié)占據(jù)十分重要的地位，但是目前的實驗教學存在很多問題。

1.教學內(nèi)容模式化，綜合性、設(shè)計性實驗缺乏

目前，“電力電子技術(shù)”所開實驗都為驗證理論課程中的一些原理電路，例如：單相橋式全控整流電路的驗證；三相橋式全控整流電路的驗證。[3]即80%的實驗都為驗證性實驗，是為驗證理論書中的某個原理電路圖而開設(shè)，不能激發(fā)學生的創(chuàng)新、設(shè)計的欲望，只為實驗而實驗，從而使學生的學習主動性極低，沒有達到綜合運用知識的目的，導(dǎo)致畢業(yè)生“原始創(chuàng)新活動少，模仿性創(chuàng)新不多，高水平的創(chuàng)新成果更少”。[4]

2.綜合性實驗平臺缺乏

“電力電子技術(shù)”實驗室一般采用的實驗設(shè)備比較陳舊，目前所使用的元件大部分為半控型器件晶閘管，很少用到全控型器件，同時缺乏綜合性實驗平臺，這就導(dǎo)致教學工作與工程實踐脫節(jié)，很多學生走向工作崗位后感覺課堂上學的內(nèi)容不能服務(wù)于工作。

基于以上分析，實驗教學過程中學生只為實驗而實驗，沒有充分調(diào)動他們學習的主動性、創(chuàng)新性，不利于他們的就業(yè)。因此，為了提高“電力電子技術(shù)”實驗課程的學習效率，該課程的改革勢在必行。

二、“電力電子技術(shù)”實驗教學改革的基本思路

結(jié)合電力電子技術(shù)基礎(chǔ)的課堂教學內(nèi)容以及“電力電子技術(shù)”課程特點，實驗教學內(nèi)容必須包括電力電子器件工作原理、基本電力電子電路原理、典型電力電子系統(tǒng)應(yīng)用等，在每個實驗內(nèi)容選擇、設(shè)計以及實驗指導(dǎo)等環(huán)節(jié)上，必須堅持以培養(yǎng)學生的實踐能力、理論與實踐相結(jié)合為宗旨的實驗教學理念，使學生既動手又動腦，能充分調(diào)動學生綜合運用所學課程知識的積極性，同時豐富工程實踐知識，并且能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合能力，提高他們應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。

1.“電力電子技術(shù)”實驗教學平臺的改革

由于電力電子技術(shù)是一門弱電控制強電的技術(shù)，對于初次接觸該門實驗課程的學生來說操作起來具有很大難度，操作不當對元器件的影響也是可想而知的，特別是弱電和強電的接口部分?，F(xiàn)在大部分的電力電子實驗室設(shè)備基本能夠滿足驗證性實驗的需要，但是綜合性設(shè)計性實驗就有待提高了。所以為了培養(yǎng)學生的實踐技能、動手能力和分析問題解決問題的能力，在實驗室中不僅可以做基本原理實驗，同時也能開設(shè)綜合、設(shè)計性實驗，在電力電子實驗臺中可以配置電腦，對于綜合性、設(shè)計性實驗可以利用MATLAB/ Simulink 仿真軟件對電力電子技術(shù)實驗進行仿真。MATLAB是矩陣（Matrix）和實驗室（Laboratory）兩個英文單詞的前三個字母的組合，它是一種以矩陣運算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，著重針對科學計算、工程計算和繪圖的要求，現(xiàn)已成為大學教學和科研中最常用且必不可少的工具。[5]目前MATLAB已推出了 MATLAB 6.5及以上版本。MATLAB提供的動態(tài)仿真工具Simulink 可以有效地對系統(tǒng)進行建模，由于仿真過程是交互式的，可以靈活改變仿真參數(shù)，并且可以立即得到修改參數(shù)后的仿真結(jié)果。[6]在電力電子領(lǐng)域通常利用Simulink 建立電力電子裝置的簡化模型并連接成系統(tǒng)，即可直接進行控制器的設(shè)計和仿真，這樣可以彌補模擬實驗設(shè)備的不足，同時又能在基礎(chǔ)實驗臺中開設(shè)綜合性、創(chuàng)新性實驗，降低了實驗成本，減少實驗室的投入，同時又提高了學生綜合運用知識的能力。

2.在“電力電子技術(shù)”實驗中開展研究性教學

自1916年美國教育家杜威在《民主主義與教育》一書中創(chuàng)立了“問題教學法”之后，他的學生克伯屈依據(jù)其“從做中學”的教育思想創(chuàng)建了“設(shè)計教學法”，研究性教學法遂成為歐美國家綜合性實踐類課程的主要教學方法。在我國，為落實《2003～2007年教育振興行動計劃》，實施高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程，教育部于 2005 年在《關(guān)于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中提出，要“積極推動研究性教學，提高大學生的創(chuàng)新能力”，[4]要求高等學校在驗證性實驗的基礎(chǔ)上為提高學生綜合運用所學知識的能力增加綜合性與創(chuàng)新性實驗，積極推進討論式教學、案例教學等教學方法和合作式學習方式，提高學生自主學習和獨立研究的能力。[7]

研究性教學以來自實踐的真實問題為基礎(chǔ)，讓學生在接近真實的情境中學習。研究性教學旨在培養(yǎng)學生的學習能力、解決問題的能力、團隊合作能力和創(chuàng)新能力，通過這些能力的培養(yǎng)能增強學生對未來工作的適應(yīng)能力。其核心問題是如何充分發(fā)揮學生在學習過程中的主動性、積極性和創(chuàng)造性，變被動學習為主動學習，但其著力點卻是變革教師的教學思想、觀念、策略和方法，使教師由普通意義上的傳授者、灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)榇偈箤W生主動學習的組織者、指導(dǎo)者、幫助者和促進者。因此，可以說研究性大學開展研究性教學對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有重要的意義。

在“電力電子技術(shù)”實驗中為了突破以驗證性實驗為主的實驗教學模式，可以將實驗劃分為由易到難的三個層次：基本實驗、課程設(shè)計、創(chuàng)新研究課題。學生在理解和實踐基本實驗的同時參與課程設(shè)計、創(chuàng)新研究課題，在設(shè)計和創(chuàng)新中發(fā)現(xiàn)問題，促使學生需要自學一些內(nèi)容才能理解和自主設(shè)計課題的方案，對于培養(yǎng)學生自主學習和獨立設(shè)計的能力、分析問題和解決問題的能力具有重要意義。同時在某一個課題中可能跨一門課內(nèi)容或多門課的相關(guān)內(nèi)容，使學生將所學課程有機整合起來，使他們的知識結(jié)構(gòu)更加系統(tǒng)化，這樣有利于學生工程實踐能力和綜合能力的提高。

3.“電力電子技術(shù)”實驗實行開放性教學

由于“電力電子技術(shù)”傳統(tǒng)實驗內(nèi)容確定，方法單一，實驗過程程序化，在某種程度上學生只能機械地按圖索驥，這樣的實驗教學模式不利于學生形成良好的學習習慣，也阻礙了學生創(chuàng)新思維的形成。[8]而開放性教學可以讓學生自己擬訂實驗方案、制訂實驗步驟，獨立地通過實驗的觀察和分析去探索研究。但是由于“電力電子技術(shù)”實驗課程的特點，電力電子技術(shù)實驗室開放存在很多困難，因為學生的基本實驗技能有限，如果任何一個實驗都作為開放實驗放手讓他們操作，儀器、元件故障發(fā)生率會比較頻繁，同時由于學生儀表操作不規(guī)范，儀器、元件設(shè)備燒損也不可避免，這使得實驗正常開放困難重重，同時對實驗經(jīng)費提出了更高的要求，這些問題對開放實驗是不利的。[9]同時開放實驗主要是為有探索要求的學生而開設(shè)，所以實驗室為了避免在開放實驗中上述問題的發(fā)生，實驗可以采取由易到難的模式：首先是每個學生都必須參與的傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，其次是對有興趣想做設(shè)計性、探索性實驗的學生提供模擬實驗環(huán)境，最后是對有極強實踐要求的學生，在其通過MATLAB/ Simulink 仿真軟件仿真實驗成功之后提供實驗室，在實驗臺上完成他們仿真成功的設(shè)計方案。[10]這樣一套循序漸進三級模式實驗可以滿足不同需求學生的學習需要，對“電力電子技術(shù)”實驗室開放也提供了可行性方案，在提高實驗室實驗臺利用率的同時也能提高實驗室的教學效率。

三、結(jié)束語

本文針對目前大學本科階段“電力電子技術(shù)”實驗教學的特點和存在的問題進行了分析，提出了“電力電子技術(shù)”實驗教學改革的方向，即改革教學平臺，開展研究性教學，同時對主動積極學習的學生提供實驗開放教學。這些行之有效的方法必將對“電力電子技術(shù)”實驗教學改革產(chǎn)生深遠的影響，有助于本專業(yè)學生人才素質(zhì)的提高。

參考文獻：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)(第4版)[M].北京:機械工業(yè)出版社，

2000.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)(第5版)[M].北京:機械工業(yè)出版社，

2009.

[3]王魯楊.電力電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書[M].北京:中國電力出版社，2011.

[4]吳曉蓓，等.企事業(yè)單位對自動化專業(yè)人才培養(yǎng)意見與建議的調(diào)查報告[J].理工科通訊，2005，(9).

[5]薛定宇，陽泉.基于MATLAB/ SIMU LINK 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社，2002.

[6]王沫然.MATLAB與科學計算[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.

[7]王明彥.“電力電子技術(shù)”實驗環(huán)節(jié)開展研究性教學的探索[J].中國電力教育，2009，(5):137-139.

[8]王松山，胡之德.創(chuàng)造教育概論[M].蘭州:蘭州大學出版社，1992.

[9]趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學出版社，1995.

[10]王云亮，等.電力電子技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

（責任編輯：王祝萍）