“電力電子技術(shù)”課程工程實(shí)踐的教學(xué)改革

張紅娟， 路秀芬， 孟海濤

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

“電力電子技術(shù)”課程工程實(shí)踐的教學(xué)改革

張紅娟， 路秀芬， 孟海濤

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

為了提高學(xué)生運(yùn)用電力電子技術(shù)理論進(jìn)行工程設(shè)計(jì)能力，在“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)上增設(shè)設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室；采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)相融合的方法，將硬件實(shí)物設(shè)計(jì)和虛擬仿真相結(jié)合，有效解決實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)相脫節(jié)的問(wèn)題。

電力電子技術(shù)；工程實(shí)踐；教學(xué)改革

“電力電子技術(shù)”是高等院校電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化與信息工程以及機(jī)電一體化等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程[1]。課程的應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)對(duì)于提高學(xué)生實(shí)踐能力和啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維具有重要意義[2-3]。

為了提高學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)的理解和應(yīng)用，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)和畢業(yè)后從事相關(guān)專(zhuān)業(yè)工作奠定堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，“電力電子技術(shù)”課程的工程實(shí)踐教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，“電力電子技術(shù)”課程現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新較慢，多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行簡(jiǎn)單線路連接，大多數(shù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題缺乏主動(dòng)性和積極性，往往以應(yīng)付或抄襲的方式完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)只作為理論教學(xué)的輔助部分，不單獨(dú)作為一個(gè)考核環(huán)節(jié)。

作為實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，課程設(shè)計(jì)的目的是加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論及重要規(guī)律的理解，提高學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。但是現(xiàn)有課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要采用仿真軟件，如Matlab、ORCAD和Multisim等，對(duì)整流電路、逆變電路以及其它開(kāi)關(guān)變換電路進(jìn)行仿真研究。課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)完全分隔，沒(méi)有有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，學(xué)生不能很好將理論仿真和實(shí)際電路融合在一起，并且很難在較短時(shí)間里掌握和靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。本研究課題分析了目前存在的問(wèn)題，著手從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改革和創(chuàng)新。

(1)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，增設(shè)設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)。單獨(dú)設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，并將實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理和學(xué)生考勤管理結(jié)合起來(lái)，作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核的一個(gè)環(huán)節(jié)。

(2)將課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論仿真和硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的工程實(shí)踐模式教學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

1)增設(shè)設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)

為了改變實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀，“電力電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取著手，除了優(yōu)化驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)之外，增設(shè)了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)順序遵循驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)→設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)→研究型實(shí)驗(yàn)的原則。其中驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)旨在要求學(xué)生了解和熟悉整流電路、逆變電路、直流斬波電路和交流變換電路等典型電路，掌握實(shí)現(xiàn)電能變換的基本特點(diǎn)和規(guī)律，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以接觸到具體的電力電子器件、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、主電路等，從而掌握電力電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及基本的實(shí)驗(yàn)技能和方法，為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開(kāi)設(shè)與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，教師只是提出實(shí)驗(yàn)的要求，具體的實(shí)驗(yàn)方案和進(jìn)度需要學(xué)生自己設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前自己做好充分的準(zhǔn)備，爭(zhēng)取在實(shí)驗(yàn)課堂上完成，如果完不成，可以在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間內(nèi)完成。在以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)應(yīng)用價(jià)值高、反映最新發(fā)展的研究型實(shí)驗(yàn)。該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)具有一定的挑戰(zhàn)性，需要學(xué)生查閱相關(guān)書(shū)籍和資料，或請(qǐng)教指導(dǎo)教師，依靠自己努力，才能很好完成，并且完成該實(shí)驗(yàn)可能需要花較多時(shí)間。所以研究型實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置為實(shí)驗(yàn)教學(xué)選修的環(huán)節(jié)，學(xué)生可以針對(duì)自己的能力和時(shí)間來(lái)選擇。該類(lèi)型實(shí)驗(yàn)可以給那些成績(jī)優(yōu)秀、精力充沛，又特別愛(ài)好本課程的學(xué)生提供一個(gè)很好的實(shí)踐平臺(tái)。通過(guò)研究型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的鍛煉，不僅促使學(xué)生充分掌握電力電子技術(shù)理論知識(shí)與應(yīng)用，而且提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、工程意識(shí)和合作意識(shí)。

2)獨(dú)立設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

在以往的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不作為單獨(dú)的環(huán)節(jié)考核，這使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性不高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不去積極思考，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)失去了意義，實(shí)驗(yàn)室豐富設(shè)備和資源不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。如果單獨(dú)設(shè)置電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并單獨(dú)作為一個(gè)考核環(huán)節(jié)，即內(nèi)容不變，要求發(fā)生變化，學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度也就發(fā)生了變化。為了激發(fā)學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的重視程度，有必要考慮實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的單獨(dú)設(shè)置和考核的問(wèn)題。

3)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放和學(xué)生考勤管理。

如何很好完成設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)以及實(shí)施實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)獨(dú)立設(shè)置，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放是實(shí)現(xiàn)的前提條件和保障。在實(shí)驗(yàn)課上沒(méi)有很好完成的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以利用自己的業(yè)余時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間段去完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室需要設(shè)置人員、時(shí)間、所使用設(shè)備等信息登記，實(shí)驗(yàn)室的管理信息可以作為本實(shí)驗(yàn)課程的考核環(huán)節(jié)。所以將實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放管理和學(xué)生考勤管理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性，而且可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力。

3 課程設(shè)計(jì)改革

針對(duì)現(xiàn)有課程設(shè)計(jì)僅局限于仿真研究，結(jié)合我院現(xiàn)有的研究條件，將電力電子技術(shù)應(yīng)用的仿真研究與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。在課程設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇課題，對(duì)課題要求的任務(wù)和目標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，并要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)積累的經(jīng)驗(yàn)和成果融合進(jìn)來(lái)，完成從方案設(shè)計(jì)、器件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件仿真到硬件調(diào)試及撰寫(xiě)報(bào)告等整套工作。

下面以“單相SPWM逆變電路”這一課題為例，介紹課程設(shè)計(jì)是如何開(kāi)展的。

(1)該課題先采用ORCAD軟件搭建單相逆變電路和SPWM控制電路，并通過(guò)變頻控制和波形分析，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的頻率調(diào)節(jié)。單相SPWM逆變電路仿真電路和電壓輸出波形如圖1所示。

(2)利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)單相SPWM逆變電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。單相SPWM逆變電路實(shí)驗(yàn)電路及電壓輸出波形如圖2所示。

(張紅娟等文)

圖1 仿真電路和電壓輸出波形

圖2 實(shí)驗(yàn)電路及電壓輸出波形

通過(guò)將理論仿真研究和實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，該課程設(shè)計(jì)更好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了他們對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，開(kāi)闊了他們的視野，為以后的課程和教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)單獨(dú)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性管

理，增加了學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手實(shí)踐的條件，使學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動(dòng)型向主動(dòng)型轉(zhuǎn)變。這些措施不僅鞏固了學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)，而且提高了我們的動(dòng)手能力。電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將虛擬仿真和硬件實(shí)物設(shè)計(jì)相對(duì)比，有效解決了實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)相脫節(jié)的問(wèn)題，提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力。該工程實(shí)踐改革不僅給學(xué)生提供了積極探索和實(shí)踐的空間，而且提高了學(xué)生的自學(xué)、獨(dú)立工作、解決問(wèn)題的能力。

[1] 王兆安，劉進(jìn)軍，電力電子技術(shù)(第5版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 王曉剛，王佳慶，林婷，“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革的探索[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(2)：13-15

[3] 陳佩軍，電力電子技術(shù)課程的應(yīng)用型教學(xué)改革探索[J]. 廣西：大學(xué)教育，2015，2：161-162

[4] 朱海榮，楊奕，王娟等，電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革[J]. 北京：中國(guó)教育技術(shù)裝備，2013，24：88-89

[5] 王卓，王強(qiáng)，曹晶人等，“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探討與實(shí)踐[J].北京：中國(guó)電力教育，2013，11：37-38

Teaching Reform on the Engineering Practice of Power Electronic Technology Course

ZHANG Hong-juan, LU Xiu-fen, MENG Hai-tao

(CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

To improve engineering practice ability by using power Electronic Technology for students, the experiments of design and research in Power Electronic Technology course teaching are added, and the laboratory opening and student′s attendance management are done. The method for integration of the experimental teaching and curriculum design is adopted. Then the virtual simulation is combined with hardware design. However the problem of separation for the teaching practice and theory lectures is effectively solved.

power electronic technology; engineering practice; teaching reform

2015-07-06;

2015-09- 04

2014年太原理工大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)踐教學(xué)改革研究”(02040332)

張紅娟(1974-)，女，博士，副教授，主要從事電力電子技術(shù)教學(xué)與科研，E-mail:zhanghj0925@163.com

TM921

A

1008-0686(2016)03-0127-03