《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)方法探討

王英男，朱鳳武，胡俊海

摘要：從教師自身建設(shè)出發(fā)，根據(jù)《電力電子技術(shù)》課程的特點，試著從教學(xué)內(nèi)容、多媒體教學(xué)和實踐教學(xué)等多個方面提出可行性建議，提出了在教學(xué)過程中進(jìn)行教學(xué)改革實踐和探索的思路和做法。

關(guān)鍵詞：《電力電子技術(shù)》課程；能力培養(yǎng)；教學(xué)實效

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0086-03

一、引言

電力電子技術(shù)是一門綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科，在電氣專業(yè)當(dāng)中，“電力電子技術(shù)”好比一個中樞，地位突出。電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域：（1）用電領(lǐng)域中的電力電子技術(shù)。①為直流、交流電動機(jī)供電的可控整流電源是電力電子裝置。②高能量密度的電源應(yīng)用。如不間斷電源（UPS）、新型環(huán)保綠色電動汽車和混合動力汽車的能源供應(yīng)。（2）通信領(lǐng)域。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。（3）發(fā)電領(lǐng)域中的電力電子技術(shù)。①發(fā)電機(jī)的直流勵磁。②水輪發(fā)電機(jī)的變頻勵磁。③新能源發(fā)電。（4）儲能領(lǐng)域中的電力電子技術(shù)。①蓄電池與電容器組儲能。②抽水儲能發(fā)電。③超導(dǎo)線圈的磁場儲能。本課程的掌握程度直接關(guān)系到學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)思維方式的養(yǎng)成，理論聯(lián)系實踐作風(fēng)的培養(yǎng)，靈活機(jī)智處理工程問題方法的建立。如何為培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才奠定良好的理論基礎(chǔ)，改革課程教學(xué)結(jié)構(gòu)，改變傳統(tǒng)教學(xué)手段，重構(gòu)實踐教學(xué)體系等成為本課程主講教師所要面對的課題。

二、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容使其適合學(xué)生的學(xué)習(xí)

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得《電力電子技術(shù)》這門課程內(nèi)容不斷地增加。因而教學(xué)要從講授內(nèi)容劃分過細(xì)及知識點聯(lián)系實際薄弱向知識整體性和創(chuàng)造性解決能力的方向轉(zhuǎn)變。為此需要做到更新教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行整體知識整合。

1.掌握相關(guān)課程之間的聯(lián)系。教師應(yīng)該熟悉掌握本課程與相關(guān)課程的聯(lián)系，例如了解先修課“電路”、“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”三門課程的教學(xué)情況和后續(xù)課“電力拖動自動控制系統(tǒng)”的安排，處理好它們之間的關(guān)系，使整個專業(yè)課程體系前后銜接，避免內(nèi)容的重復(fù)和疏漏。例如講“半導(dǎo)體電力開關(guān)器件”一章時，模擬電子技術(shù)中已講過小功率晶體管結(jié)構(gòu)、原理、特性及應(yīng)用。在本門課程中，對晶體管應(yīng)重點講述其與小功率晶體管的不同之處。模擬電子技術(shù)中講述的晶體管其工作特性在線性放大區(qū)，而在電力電子技術(shù)中，晶體管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)之間，使用的是其開關(guān)特性。對于晶閘管相控有源逆變的應(yīng)用部分，重點講解在整流、有源逆變兩種狀態(tài)下，直流電機(jī)四象限傳動系統(tǒng)的特性，也就是直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于電樞電流，轉(zhuǎn)速正比于電樞電壓，改變電樞電壓、電流的方向，就可以使直流電機(jī)四象限運(yùn)行，為后續(xù)課程《電力拖動自動控制系統(tǒng)》中的直流調(diào)速部分做好鋪墊工作。

2.導(dǎo)論是說明編者寫作意圖、本書內(nèi)容的主要特點、背景及主要內(nèi)容的知識體系和概要等，同時還向?qū)W習(xí)者指明了學(xué)習(xí)本教材的學(xué)習(xí)方法，因此，教材的導(dǎo)論部分對學(xué)習(xí)者的入門學(xué)習(xí)起到了提綱挈領(lǐng)的重要作用。我們在每學(xué)年的第一節(jié)導(dǎo)論課時，通常要給學(xué)生做一個專題講座，以圖文并茂的形式詳細(xì)介紹電力電子技術(shù)領(lǐng)域最新的發(fā)展動態(tài)、國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用等，開闊學(xué)生的視野，使其對本課程有個大概的了解，引導(dǎo)學(xué)生充分認(rèn)識到本課程在現(xiàn)實生活中及在本專業(yè)中的重要性。

3.電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，四類基本變流電路（AC/DC、DC/DC、AC/AC、DC/AC）是電力電子技術(shù)的研究核心。教學(xué)內(nèi)容大致分為三部分：（1）電力電子器件。主要包括電力二極管、晶體三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)、應(yīng)用特性等問題。（2）四種基本的電力電子電路。對于直流斬波電路，主要電路為BUCK、BOOST、CUK斬波電路等。重點講解BUCK、BOOST斬波電路的原理，輸出電壓電流波形的畫法，改變占空比的方式：脈沖寬度調(diào)制PWM，脈沖頻率調(diào)制PFM。逆變電路是主要依賴于全控型開關(guān)器件，重點講解正弦波脈沖寬度調(diào)制SPWM基本原理，單極性、雙極性倍頻正弦波脈沖寬度調(diào)制逆變器的原理及其控制方式。以半控型器件晶閘管為主的整流電路部分，主要包括晶閘管驅(qū)動和保護(hù)、整流電路及有源逆變電路。交流電路的器件為雙向晶閘管，電路為單相交流調(diào)壓電路、單相調(diào)功電路、三相調(diào)壓電路及觸發(fā)電路等內(nèi)容的講解。

三、注重教師自身建設(shè)，提高綜合素質(zhì)

在教學(xué)中，教師必須先對所教課程的內(nèi)容刻苦鉆研，做到深刻理解、全面掌握。深刻理解就是要了解課程內(nèi)容的每一個組成部分，不能含糊不清。

1.在講授《電力電子技術(shù)》這門課程內(nèi)容的時候，教師不能只講課程教學(xué)大綱或教科書的內(nèi)容，還要廣泛涉獵其他有關(guān)的教材和參考書，形成自己的獨到見解。因此，任課教師對電力電子技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，理論如何與實際相聯(lián)系，必須要有所了解。例如在講授直流斬波電路時，可以引出該電路可以使用在開關(guān)電源、太陽能發(fā)電系統(tǒng)中；在講解整流變換時，介紹其在電力機(jī)車的啟動、調(diào)速與制動中的應(yīng)用，有源逆變電路可應(yīng)用到變頻空調(diào)、電梯、計算機(jī)不間斷電源；逆變變換可聯(lián)系太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電；在講授交流電路時，說明其在可調(diào)光臺燈、異步電動機(jī)軟啟動裝置中的應(yīng)用。通過以上講解就可以使學(xué)生了解所學(xué)的書本知識在實際生活中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.教師要定期地閱讀最新的與電力電子技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)期刊，及時瀏覽相關(guān)的專業(yè)技術(shù)網(wǎng)站，掌握本學(xué)科前沿發(fā)展的動向，熟悉本學(xué)科和相鄰學(xué)科的新成果、新進(jìn)展。

3.教師還要承擔(dān)一些與電力電子技術(shù)相關(guān)的科研工作，將科研與教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，把科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)資源，將科研成果和科研體會引進(jìn)課堂教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)專業(yè)教學(xué)水平的提高。

四、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)課堂效果

《電力電子技術(shù)》課程的特點之一是理論性強(qiáng)，邏輯思維嚴(yán)密，涉及到電路、模擬、數(shù)字電子技術(shù)、自控控制原理等許多課程的知識。因此，在講授課程之前，應(yīng)首先去了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，研究學(xué)生的狀態(tài)和需求，在開始的幾節(jié)課里多與學(xué)生接觸，了解情況。開課后，教師應(yīng)爭取在最短的時間內(nèi)熟悉學(xué)生們的實際學(xué)習(xí)情況，作為安排教材、決定教學(xué)進(jìn)度和選擇教學(xué)方法的依據(jù)。

1.充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。教師要學(xué)會調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，才能培養(yǎng)出高質(zhì)量的人才。教師對內(nèi)容相似或易于理解的內(nèi)容予以精簡，選擇一部分內(nèi)容留給學(xué)生去自學(xué)，然后讓學(xué)生站在老師的角度去給別的同學(xué)講解所理解的內(nèi)容，讓學(xué)生畫出主電路波形圖，通過相互交流，互相促進(jìn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.平等待人，積極鼓勵。在近幾年教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生中有消極待學(xué)的現(xiàn)象，這部分學(xué)生或沉迷于游戲，或忙于出外打工賺錢，嚴(yán)重地影響了其學(xué)業(yè)，考試成績也不理想。對于這部分學(xué)生，教師一定要找到癥結(jié)所在，積極引導(dǎo)、平等對待、不斷勉勵。要重視學(xué)生的個性培養(yǎng)，積極鼓勵學(xué)生求新、求異、求難、質(zhì)疑、進(jìn)取的精神，對于部分考研的學(xué)生，他們認(rèn)為凡是和考研有關(guān)的課程就認(rèn)真對待，無關(guān)的就不學(xué)，對于這樣的學(xué)生，我們的做法是將考研數(shù)學(xué)的傅里葉變換與電力電子技術(shù)中的基波和諧波的概念結(jié)合起來，既加強(qiáng)了考研知識學(xué)習(xí)，又解決了電力電子技術(shù)中的知識難點掌握問題，使其認(rèn)識到課程之間都是相關(guān)的，只有這樣才能使師生之間建立一種平等、和諧、融洽的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生在課堂上的思維能力。

五、運(yùn)用多種教學(xué)手段，提高教學(xué)效果

《電力電子技術(shù)》課程本身特點是概念多、器件多、電路多。在對電路進(jìn)行分析時，從電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷變化過程出發(fā)，以波形分析為主要手段，教授學(xué)生學(xué)習(xí)掌握不同器件所組成的變流電路的工作原理、波形畫法、電路中主要物理量的計算。

1.從以上對課程特點的分析可以看出，只采用黑板板書的方法對課程進(jìn)行講授的話，教師勢必會在概念、電路圖、波形圖及參數(shù)變化對波形圖的影響方面的書寫花費大量的時間。而若只采用多媒體進(jìn)行教學(xué)的話，在波形和物理計算公式的推導(dǎo)的講解過程中，講解速度雖然會加快，但是與學(xué)生的互動也會相應(yīng)減少。這樣勢必不利于啟發(fā)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力。教師在講授的過程中應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容確定使用哪種方法進(jìn)行講解。文字內(nèi)容比較多的情況，可采用多媒體輔助教學(xué)。利用PPT向?qū)W生展示學(xué)習(xí)內(nèi)容中涉及到的實物照片，這樣不僅可以增加教學(xué)內(nèi)容的知識量，而且可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如果講解的是可控電路的工作原理和輸出波形，可采用多媒體（電路圖演示）和板書教學(xué)（波形圖繪制）相結(jié)合的方法。

2.實驗是培養(yǎng)理論聯(lián)系實際、學(xué)生動手能力的重要手段。對電力電子技術(shù)實驗，保留原有的晶閘管整流驗證性實驗，使學(xué)生對本課程的應(yīng)用有初步認(rèn)識，對直流斬波電路以及正弦波同步移相觸發(fā)電路實驗，則可當(dāng)成設(shè)計型實驗，由教師給出電路圖及參數(shù)，由學(xué)生自行設(shè)計，選擇器件及其驅(qū)動電路、保護(hù)電路，進(jìn)而完成實驗，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

3.課程設(shè)計作為實踐課教學(xué)中的重要組成部分，在人才培養(yǎng)中起著舉足輕重的作用。因此切實提高課程設(shè)計的質(zhì)量，具有重要意義?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程設(shè)計教學(xué)模式分以下幾個方面：（1）課程設(shè)計走進(jìn)實驗室。建立開放式綜合性實驗，將實驗時間交給學(xué)生，讓他們自行安排。而日常生產(chǎn)和生活中，有許多實用的電力電子產(chǎn)品，其電路相對簡捷，很接近教材，非常具有代表性，例如手機(jī)的充電器、錄音機(jī)用的變壓器，可以把它引入到課程設(shè)計中來。通過這樣的過程，學(xué)生能夠更真切地理解電力電子技術(shù)的基本內(nèi)容、基本原理，更加真實地感受電力電子電路的設(shè)計、調(diào)試過程。（2）課程設(shè)計引入計算機(jī)輔助設(shè)計。傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)實驗，基本上是學(xué)生利用protel軟件畫出PCB板圖，再利用電力電子開關(guān)器件、電阻、電容等元件搭建電路來獲得電子線路的感性知識。但在教學(xué)實踐中，由于電路板連線可靠性差，學(xué)生的操作技術(shù)不夠熟練，產(chǎn)生錯誤的概率較高。為了解決上述問題，我們引入了計算機(jī)仿真軟件MATLAB，Simulink作為MATLAB軟件下的仿真系統(tǒng)，通過它下面的工具箱可以對電力電子技術(shù)進(jìn)行建模、仿真分析，實現(xiàn)高效率開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。

六、結(jié)語

本文針對近幾年的《電力電子技術(shù)》課程理論教學(xué)和實踐教學(xué)理念和改革思想進(jìn)行了探討，有針對性地創(chuàng)新教學(xué)方法的研究，使課程內(nèi)容體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展動態(tài)、學(xué)科前沿內(nèi)容并提出有待解決的問題，實行開放式教學(xué)，對教學(xué)內(nèi)容刪繁就簡，吐故納新，實行教學(xué)內(nèi)容對學(xué)科與專業(yè)發(fā)展的跟蹤，并且將課程教育與素質(zhì)教育相結(jié)合，將素質(zhì)教育融入專業(yè)教育之中，有效地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，提高了教學(xué)效果。

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作者簡介：王英男（1971-），男，吉林長春人，博士，講師，研究方向：電力電子與拖動。