產(chǎn)學(xué)研新模式下電力電子技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐

摘要：青年教師往往缺乏工程實(shí)踐能力和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，而電力電子技術(shù)是電氣自動(dòng)化專業(yè)的核心專業(yè)課之一，比較抽象難懂。論述了產(chǎn)學(xué)研新模式下電力電子技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)技巧。首先，教師自身要通過(guò)產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)和新老教師結(jié)對(duì)子等形式提高工程實(shí)踐能力，夯實(shí)基礎(chǔ)，錘煉內(nèi)功，形成自己的教學(xué)風(fēng)格和教學(xué)體系。其次，教師要順應(yīng)技術(shù)發(fā)展，科學(xué)編排教學(xué)內(nèi)容，將現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段與電氣仿真技術(shù)融合到傳統(tǒng)教學(xué)藝術(shù)中。此外，創(chuàng)建專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)；多媒體教學(xué)；電氣仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）12-0039-02

電力電子技術(shù)的發(fā)展十分迅速，教學(xué)內(nèi)容從單一的可控硅整流到現(xiàn)在的四大變流電路，變化大、發(fā)展快、應(yīng)用廣是該課程的特點(diǎn)。[1-3]扎實(shí)深厚的專業(yè)知識(shí)和豐富廣博的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是教好電力電子技術(shù)的前提和保障。青年教師往往缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，容易照本宣科。為了克服這一點(diǎn)，青年教師應(yīng)該積極參加產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)等活動(dòng)來(lái)提高工程素質(zhì)、豐富工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)與老教授結(jié)成對(duì)子，學(xué)習(xí)寶貴教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷更新知識(shí)體系，提高教學(xué)技巧。本文從教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累、教學(xué)內(nèi)容編排、教學(xué)手段探究、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)建等方面對(duì)電力電子技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐進(jìn)行了初步的研究和探索。

一、教學(xué)能力提升：產(chǎn)學(xué)研豐富教師實(shí)踐能力，結(jié)對(duì)子提升教學(xué)水平

1.產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)計(jì)劃為青年教師助力啟航

電力電子技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，要求教師不但要具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)更要具備較高的工程素質(zhì)，而高校教師的工程素質(zhì)更是決定是否能培養(yǎng)合格的工程應(yīng)用型人才的關(guān)鍵所在。產(chǎn)學(xué)研合作是青年教師面向行業(yè)、在企業(yè)一線參與項(xiàng)目踐習(xí)、實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化、提高工程素質(zhì)和教學(xué)能力的有效途徑之一。近年來(lái)，上海市教委聯(lián)合高校為新進(jìn)教師制訂產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)計(jì)劃，青年教師在企業(yè)和高校兩名導(dǎo)師的幫助下，可以近距離了解企業(yè)的現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程、技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)、工程開發(fā)、工藝流程等；可以熟悉企業(yè)相關(guān)崗位職責(zé)、操作規(guī)范、管理制度及生產(chǎn)情況。2012年筆者在上海高校產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)計(jì)劃的資助下赴南京冠亞電源有限公司踐習(xí)，參與了500kw光伏并網(wǎng)逆變器方案設(shè)計(jì)和電站物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)系統(tǒng)項(xiàng)目，并將所參與的項(xiàng)目凝練為經(jīng)典案例。具體案例在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用如表1所示。此外，筆者與產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)單位建立長(zhǎng)期的合作關(guān)系，包括項(xiàng)目合作研發(fā)、工程碩士培養(yǎng)和本科生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地等方面的合作。

2.與資深教授結(jié)成對(duì)子，學(xué)習(xí)寶貴教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

青年教師的教育教學(xué)水平是決定高校人才培養(yǎng)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素。華東理工大學(xué)為幫助青年教師走好職業(yè)生涯的第一步，成立青年教師教學(xué)能力培訓(xùn)基地，充分利用學(xué)?，F(xiàn)有的國(guó)家精品課程和上海市精品課程群、上海市教學(xué)團(tuán)隊(duì)和高層次的企業(yè)校友團(tuán)隊(duì)，為青年教師搭建教學(xué)能力、工程能力訓(xùn)練的平臺(tái)。2012年筆者入選華東理工大學(xué)青年教師培訓(xùn)基地，與電力傳動(dòng)課題組資深教授結(jié)成對(duì)子，全程旁聽了“電力拖動(dòng)基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)”64學(xué)時(shí)的課程。筆者的教學(xué)導(dǎo)師有著多年從事電氣工程基礎(chǔ)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)歷，通過(guò)與資深教授結(jié)成對(duì)子，筆者在教學(xué)的諸多環(huán)節(jié)，比如怎樣把握課堂氣氛、理順講解思路、繪制黑板板書、制作多媒體課件、應(yīng)用仿真動(dòng)畫軟件、為學(xué)生解疑答惑等方面都受益良多。

二、教學(xué)內(nèi)容：科學(xué)編排教學(xué)內(nèi)容，順應(yīng)技術(shù)發(fā)展

近三十年來(lái)，全控型器件和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展為電力電子技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)新的革命。該課程的教材也幾經(jīng)改版，不斷將新器件、新技術(shù)更新到教材內(nèi)容中去。大多數(shù)電力電子技術(shù)的教材都是先介紹電力電子器件再介紹四大變流電路。[1，2]考慮到電力電子器件種類繁多，結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)各不相同，大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)又涉及到半導(dǎo)體物理的知識(shí)，半控型器件與全控型器件之間本身的關(guān)聯(lián)性也不大，如果混在一起教學(xué)，會(huì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)之初就產(chǎn)生畏難情緒。為了使得教學(xué)內(nèi)容能夠便于學(xué)生的理解和掌握，筆者考慮以電力電子技術(shù)的發(fā)展為主線，在授課之前對(duì)教材的章節(jié)重新做了調(diào)整與整合。

調(diào)整之后的授課內(nèi)容主要分為三部分，共40課時(shí)。第一部分介紹了晶閘管器件和可控硅整流電路。第二部分介紹了全控型器件和應(yīng)用全控型器件的變流電路。第三部分介紹了電力電子技術(shù)的應(yīng)用。課程教學(xué)安排的主線如圖1所示。整合后的授課安排順應(yīng)了電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程，從經(jīng)典的可控硅整流電路到目前應(yīng)用非常廣泛的全控型變流電路，讓學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)也能感受到技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)所在，使學(xué)生了解到正是半導(dǎo)體器件的發(fā)展和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步才帶來(lái)了電力電子技術(shù)的革新，從而讓學(xué)生對(duì)電氣工程培養(yǎng)方案中整個(gè)知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)和課程間相輔相成的關(guān)系理解得更加透徹。[4]

三、教學(xué)手段：將多媒體教學(xué)和電氣仿真技術(shù)融入傳統(tǒng)教學(xué)藝術(shù)中

1.多媒體教案的精心設(shè)計(jì)

好的內(nèi)容一定要有好的教學(xué)手段作為輔助才能取得好的教學(xué)效果。多媒體教學(xué)在電力電子技術(shù)的教學(xué)中發(fā)揮了很重要的作用，[5]比如筆者在講授脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的理論基礎(chǔ)“面積等效原理”時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)畫形象地展示了沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用在一個(gè)典型的慣性環(huán)節(jié)上輸出響應(yīng)的波形，并用模擬示波器畫出輸出響應(yīng)的時(shí)域和頻譜波形，讓抽象的理論知識(shí)簡(jiǎn)單明了地展現(xiàn)在學(xué)生面前。筆者進(jìn)一步設(shè)計(jì)動(dòng)畫，讓學(xué)生了解面積等效原理的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，演示如何將連續(xù)的正弦波切分成寬度相等幅值按正弦規(guī)律變化的窄脈沖，再根據(jù)面積等效原理利用等幅不等寬的矩形脈沖來(lái)代替正弦波脈沖，讓學(xué)生能完整并形象地了解SPWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。[1]

2.電氣仿真技術(shù)的嫻熟應(yīng)用

除了利用精心設(shè)計(jì)的PPT課件和動(dòng)畫演示，采用電氣仿真技術(shù)也是近年來(lái)電力電子教學(xué)過(guò)程中很好的趨勢(shì)之一。[6]仿真技術(shù)是現(xiàn)代電子電路研究分析和設(shè)計(jì)的重要手段之一，雖然該課程配備了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，但是如何在課堂上用最有限的時(shí)間形象地演示電路的工作過(guò)程，仿真環(huán)節(jié)起到了不可或缺的重要作用。MATLAB軟件具有電氣系統(tǒng)的仿真工具和專門的模塊庫(kù)。MATLAB/Simulink/Power System Blockset模型庫(kù)中包含了常用的電力電子器件模型，還提供了整流、逆變電路模塊及相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，為構(gòu)建和編輯電力電子電路并進(jìn)行調(diào)試和仿真提供了一個(gè)方便且功能齊全的平臺(tái)。[2，6]

在MATLAB仿真軟件中只需在輸入側(cè)和輸出側(cè)的觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置電壓和電流表，即可讓學(xué)生能清晰地觀察波形和相位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，電路仿真還可以方便地編輯電路的結(jié)構(gòu)，調(diào)整控制角的位置，更改負(fù)載的性質(zhì)等，使得原本教師單方面的授課變成了教師和全體學(xué)生都可以共同參與的電路調(diào)試與分析。MATLAB仿真使得原本比較難理解的章節(jié)如“變壓器漏抗對(duì)整流電路的影響”（如圖2所示）、“電容濾波對(duì)整流電路的影響”可以形象生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生，通過(guò)教學(xué)互動(dòng)，讓學(xué)生上講臺(tái)調(diào)節(jié)阻抗、容抗、調(diào)節(jié)輕載和重載，可以自如地分析不同情況對(duì)輸出側(cè)電壓波形的影響。

3.現(xiàn)代電氣化教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)藝術(shù)的有機(jī)結(jié)合

現(xiàn)代教學(xué)手段給教師和學(xué)生都帶來(lái)了便利，但是不能忽略傳統(tǒng)教學(xué)中教師精美的板書、步步深入的剖析、豐富而激昂的講解，這一切都為學(xué)生營(yíng)造了很好的教學(xué)氛圍。許多教室的多媒體設(shè)備安裝在教室的角落，教師如果忽略了傳統(tǒng)教學(xué)藝術(shù)的精髓，很容易將活動(dòng)范圍限制在電腦面前。[7]只有將現(xiàn)代教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)藝術(shù)有機(jī)結(jié)合，在演示電子教案的同時(shí)，走下講臺(tái)，與學(xué)生互動(dòng)，遇到疑難知識(shí)點(diǎn)與同學(xué)們一起分析電路、繪制波形、計(jì)算參數(shù)，這樣才能讓學(xué)生印象深刻，學(xué)有所獲。

四、創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：專業(yè)實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生實(shí)踐能力

電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以加深學(xué)生對(duì)專業(yè)課的認(rèn)識(shí)和提高學(xué)生的實(shí)踐能力。[8]為了配合電力電子技術(shù)的教學(xué)，同步開設(shè)了“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課”，一共分6個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，設(shè)有：鋸齒波同步移相觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)；單相橋式整流電路實(shí)驗(yàn)；三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)；三相全控整流電路及有源逆變實(shí)驗(yàn)；直流斬波電路實(shí)驗(yàn)；單相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）逆變電路實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)多鼓勵(lì)學(xué)生觀察和思考各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，啟發(fā)學(xué)生思考實(shí)際波形和電量計(jì)算值與理論值之間的差異，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。此外，還開設(shè)了新能源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生開設(shè)新能源發(fā)電、微電網(wǎng)運(yùn)行與控制方面的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，設(shè)有：三相光伏并網(wǎng)控制技術(shù)方法實(shí)驗(yàn)；孤島檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)；太陽(yáng)能最大功率跟蹤方法實(shí)驗(yàn)；微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)；微電網(wǎng)保護(hù)方法實(shí)驗(yàn)。

五、總結(jié)

為了能提高工程素質(zhì)，形成自己獨(dú)有的教學(xué)風(fēng)格，筆者參與了2012年度上海市產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)計(jì)劃，在企業(yè)和高校資深導(dǎo)師的指導(dǎo)下，完成了新能源項(xiàng)目的踐習(xí)，將所見所學(xué)凝練成為經(jīng)典教學(xué)案例，并在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)實(shí)踐等環(huán)節(jié)都進(jìn)行了有益的探索，總結(jié)為以下幾點(diǎn)：第一，教師自身要注重培養(yǎng)實(shí)踐能力，積累現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在行業(yè)應(yīng)用的大背景下教學(xué)，讓學(xué)生清晰地了解所學(xué)知識(shí)的重要意義，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)以致用的熱情。第二，電力電子技術(shù)的發(fā)展很快，教學(xué)內(nèi)容必須要適應(yīng)技術(shù)的革新，要做到在有限課時(shí)的教學(xué)中重點(diǎn)突出，層次清晰，難易有別。第三，電力電子技術(shù)注重電路和波形的分析，為了增強(qiáng)教學(xué)的效果，激發(fā)學(xué)生的興趣，要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)多媒體課件和動(dòng)畫演示，把電氣仿真技術(shù)引入課堂。第四，在教學(xué)過(guò)程中，要記住時(shí)刻以學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，一切以學(xué)習(xí)的效果為目的，走下講臺(tái)積極與學(xué)生互動(dòng)。第五，為了提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)的需求，要給學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐的平臺(tái)，配合課堂教學(xué)增加專業(yè)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

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（責(zé)任編輯：王意琴）