應(yīng)用型技術(shù)本科電力電子技術(shù)教學(xué)改革探索與實(shí)踐*

賈渭娟 羅 平 沈國(guó)杰 薛靜楠

（重慶大學(xué)城市科技學(xué)院 重慶永川 402167）

引言

應(yīng)用型技術(shù)本科強(qiáng)調(diào)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的實(shí)用性和實(shí)踐性。與研究型高校不同，其旨在培養(yǎng)具有素質(zhì)高、能力強(qiáng)、知識(shí)面寬和基礎(chǔ)扎實(shí)的高級(jí)應(yīng)用型人才。重慶大學(xué)城市科技學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱我校）是教育部“中國(guó)應(yīng)用科技大學(xué)改革試點(diǎn)戰(zhàn)略研究”項(xiàng)目37所參研高校之一和重慶市首批轉(zhuǎn)型發(fā)展聯(lián)盟6所高校成員之一。[1]

電力電子技術(shù)是采用電力電子器件對(duì)電力進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、家用電器、新能源技術(shù)以及節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域。電力電子技術(shù)課程是高校電氣工程及自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)核心課。而我校的電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是2015年重慶市本科高?！叭匦袆?dòng)計(jì)劃”特色專(zhuān)業(yè)。[2]

針對(duì)新時(shí)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特征，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)課程的教學(xué)模式已經(jīng)不適用于應(yīng)用型技術(shù)本科學(xué)生的人才培養(yǎng)要求。因此，我校根據(jù)應(yīng)用型本科教育培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況進(jìn)行教學(xué)改革探索和實(shí)踐，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。

一、課程現(xiàn)狀

目前，應(yīng)用型技術(shù)本科高校電力電子技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)，主要存在以下幾方面問(wèn)題：

（1）教學(xué)內(nèi)容雖然分為電力電子器件、AC／DC、DC／DC、DC／AC、AC／AC五部分。但是重點(diǎn)仍然是以晶閘管為核心的電路。這與現(xiàn)在電力市場(chǎng)發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)。

（2）教學(xué)方法仍然是以理論教學(xué)為主，以往實(shí)踐教學(xué)只是作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)附屬環(huán)節(jié)，沒(méi)有被引起足夠的重視。這樣學(xué)生無(wú)法真正通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)來(lái)掌握工程技能和方法，偏離了實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的最主要目標(biāo)。

（3）教學(xué)手段仍然是傳統(tǒng)的課堂啟發(fā)式教學(xué)。課堂以教師為主，學(xué)生被迫接受知識(shí)。這樣學(xué)生容易出現(xiàn)厭學(xué)的情緒，學(xué)習(xí)效率不高。

（4）課程考核仍然采取期末成績(jī)60%，平時(shí)成績(jī)30%和實(shí)驗(yàn)成績(jī)10%的方式。其弊端是即使學(xué)生最終成績(jī)分?jǐn)?shù)很高，但其動(dòng)手能力不一定強(qiáng)。

二、教學(xué)改革措施

針對(duì)以上存在的一些教學(xué)問(wèn)題，探索適用于應(yīng)用型技術(shù)本科高校學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和積極性，獲得良好教學(xué)效果，具體的教學(xué)改革措施如下。

1.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

目前，電力電子裝置如變頻器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、新能源發(fā)電逆變器、開(kāi)關(guān)電源等在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和關(guān)注。而PWM控制技術(shù)在變頻調(diào)速技術(shù)中已成為核心控制手段。在這些裝置中基本是以全控型器件MOSFET、IGBT為核心構(gòu)成的，而半控型器件——晶體管組成的應(yīng)用電路逐步減少。并且新時(shí)代電力電子技術(shù)正朝著輕量化、小型化及智能化的方向發(fā)展。這就要求我們?cè)陂_(kāi)展電力電子技術(shù)課程時(shí)需要優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

具體將教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為電力電子器件、AC／DC、DC／DC、DC／AC、AC／AC和電力電子技術(shù)的應(yīng)用等六部分，但是要壓縮晶閘管整流電路、直流-直流變流電路、交流-交流變流電路和逆變電路有關(guān)的教學(xué)課時(shí)，除典型電路及實(shí)際應(yīng)用較多的電路精講外，其余作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)內(nèi)容。增加全控型器件為核心的逆變電路的課時(shí)；加大PWM控制技術(shù)的教學(xué)課時(shí)。通過(guò)這種優(yōu)化使電力電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容既實(shí)用又豐富。[3]

2.豐富教學(xué)模式

（1）情景教學(xué)，因材施教

以我校15級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生來(lái)說(shuō)，高考成績(jī)普遍在480分左右。這說(shuō)明他們的基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱，高中所學(xué)知識(shí)難以支撐大學(xué)階段的學(xué)習(xí)，并且不擅長(zhǎng)大篇幅的理論學(xué)習(xí)。如果采用理論授課的方式，不僅不能引起學(xué)生的興趣，反而會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生厭煩心理。但是我校該專(zhuān)業(yè)學(xué)生動(dòng)手能力并不差，他們對(duì)未知領(lǐng)域有著一種探索的沖勁。因此造成的現(xiàn)象就是學(xué)生喜歡動(dòng)手實(shí)踐，不喜歡枯燥的理論講解。[4]

因此我們采用情景教學(xué)，因材施教。主要做法是在開(kāi)課之初，通過(guò)實(shí)物展示、多媒體視頻觀看等，讓學(xué)生對(duì)于電力電子技術(shù)課程內(nèi)容有一個(gè)整體的認(rèn)知。然后初次嘗試讓學(xué)生分組討論日常生活中的變頻空調(diào)、洗衣機(jī)、充電器和電源適配器等與電力電子技術(shù)課程的關(guān)聯(lián)之處，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。在接著后期的理論中，仍然要伴隨典型案例實(shí)物來(lái)講授。比如，在講單相半波整流電路時(shí)，首先實(shí)物展示手機(jī)充電器，然后讓學(xué)生分組討論手機(jī)充電器的工作原理。等學(xué)生闡述自己的觀點(diǎn)后，再講授手機(jī)充電器的原理是從城市電網(wǎng)（墻壁電源）中獲得交流電，然后通過(guò)整流器將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，最后給手機(jī)電池充電。以此案例引入整流的概念，然后再和學(xué)生一起研究電路不同負(fù)載時(shí)的工作原理、波形分析、數(shù)量關(guān)系等知識(shí)點(diǎn)，這樣講解就更顯通俗易懂了，學(xué)生能快樂(lè)的接收并吸收知識(shí)。隨著學(xué)習(xí)的深入，讓學(xué)生們來(lái)剖析所謂的“充電5分鐘通話2小時(shí)”、“快速充電”的原理結(jié)構(gòu)。從充電器到充電寶就引申出逆變和組合電路，為后續(xù)知識(shí)的講解做出了形象的鋪墊。

因?yàn)榍榫敖虒W(xué)，因材施教的模式中采用學(xué)生是主體，教師是引導(dǎo)，讓學(xué)生充分發(fā)揮課堂上的主觀能動(dòng)性，完全成為課堂的主人。所以在實(shí)踐該模式中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的上課積極性很高，并且學(xué)習(xí)興趣很濃厚，而且能快樂(lè)的接收并吸收知識(shí)。

（2）課件講授，板書(shū)鞏固

電力電子技術(shù)課程由于存在大量的數(shù)學(xué)計(jì)算和波形分析，對(duì)我校學(xué)生來(lái)講難度較大，并且學(xué)生普遍感覺(jué)內(nèi)容抽象枯燥。所以在教學(xué)方法不僅采用多媒體PPT增加動(dòng)畫(huà)效果，這樣有助于學(xué)生直觀的理解電路工作原理和波形；而且也需要在黑板上一步一步的計(jì)算，和學(xué)生互動(dòng)式的完成板書(shū)設(shè)計(jì)。這樣學(xué)生在課堂上都積極完成計(jì)算和分析波形，樂(lè)在其中，充實(shí)自己，提高了教學(xué)質(zhì)量。

（3）課上課下，實(shí)時(shí)互動(dòng)

手機(jī)是現(xiàn)在生活中的必需品，尤其是對(duì)于大學(xué)生來(lái)說(shuō)，手機(jī)是分分鐘不離開(kāi)身邊的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，教師通過(guò)QQ、微信等網(wǎng)絡(luò)通信工具向?qū)W生發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)自身時(shí)間安排學(xué)習(xí)；并且在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生也可以通過(guò)QQ或微信和教師討論問(wèn)題。教師也可以制作相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容視頻，作為學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，這樣學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，有問(wèn)題也可以實(shí)時(shí)和老師探討。該模式可以簡(jiǎn)單如圖1所示。

圖1 教師和學(xué)生實(shí)時(shí)互動(dòng)

3.加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

授人以魚(yú)，不如授人以漁。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是課程教學(xué)的延伸，是將授魚(yú)變?yōu)槭跐O的必要環(huán)節(jié)。于是，我校一方面增加實(shí)踐教學(xué)的比重，后續(xù)《電機(jī)拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》等專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；另一方面將實(shí)踐環(huán)節(jié)分成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面。以期強(qiáng)化基礎(chǔ)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

（1）強(qiáng)化基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)初期，率先安排驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在學(xué)習(xí)中不僅要驗(yàn)證理論，還需要鍛煉學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后總結(jié)規(guī)律，掌握實(shí)驗(yàn)的基本技能和方法。我校采用浙江求是等實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)電路，調(diào)試實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最后對(duì)比實(shí)驗(yàn)理論值和實(shí)驗(yàn)值，從而理解并鞏固所學(xué)理論知識(shí)。[5]

（2）增加MATLAB仿真

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是針對(duì)應(yīng)用型技術(shù)本科學(xué)生一種很好的教學(xué)方法。我校在電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中引入MATLAB仿真軟件，充分利用此軟件功能，對(duì)電路的不同特性分別進(jìn)行仿真。這樣不僅使學(xué)生有效地掌握系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，參數(shù)設(shè)計(jì)等方法，而且讓學(xué)生可以放心大膽地連接電路，減輕學(xué)生由于接錯(cuò)電路而損壞設(shè)備的心里負(fù)擔(dān)，大大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。例如，在做降壓斬波電路時(shí)，當(dāng)電源電壓Us=14.6v，占空比為41%，硬件實(shí)驗(yàn)如圖2所示，軟件仿真如圖3，圖4所示。實(shí)驗(yàn)課之前建議學(xué)生先完成電路的仿真，掌握電路組成；然后再連接硬件電路圖，鞏固學(xué)生理解理論知識(shí)。

圖2 降壓斬波電路硬件圖

圖3 降壓斬波電路MATLAB仿真模型

圖3 降壓斬波電路MATLAB仿真結(jié)果圖模型

（3）創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)步驟，驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)的正確性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生不僅要自己做實(shí)驗(yàn)，還要解決實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，教師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的審查及學(xué)生和設(shè)備的安全。

4.改革課程考核

我校電力電子技術(shù)課程考核方式分成筆試50%，實(shí)踐設(shè)計(jì)50%。筆試部分主要是基礎(chǔ)知識(shí)的考核；實(shí)踐設(shè)計(jì)部分完全是由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)接線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的完成程度、參數(shù)的正確性和創(chuàng)新性三部分組成。

三、教學(xué)改革實(shí)踐

本文采用的電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐試點(diǎn)對(duì)象是我校15級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。從課程最終成績(jī)來(lái)看，試點(diǎn)班級(jí)的平均分為70.1%，掛科率為零。從課程輻射來(lái)看，學(xué)生在后續(xù)課程《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)中，都有一套自己的實(shí)驗(yàn)程序，然后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且能快速解決問(wèn)題。這樣不僅讓學(xué)生鞏固課程理論，而且還學(xué)會(huì)了處理問(wèn)題的方法，學(xué)生內(nèi)心是很有成就感的。長(zhǎng)此以往，學(xué)生立足教材，自我探索、自我感悟并按照已有的知識(shí)動(dòng)手操作、歸納總結(jié)、探索規(guī)律，從而體會(huì)本專(zhuān)業(yè)的魅力。

結(jié)語(yǔ)

為了適應(yīng)應(yīng)用型技術(shù)本科的培養(yǎng)目標(biāo)，我校從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)電力電子技術(shù)從理論和實(shí)踐兩方面進(jìn)行了教學(xué)改革。經(jīng)試驗(yàn)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改善了教學(xué)質(zhì)量，尤其是在提高學(xué)生實(shí)踐能力方面取得了良好的效果。但是電力電子技術(shù)的的實(shí)踐教學(xué)改革是一項(xiàng)龐大的工程，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，因此電力電子技術(shù)課程的教學(xué)仍然需要不斷改革和探索。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2004.

[2]李潔，賈渭娟等.電力電子技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2015.

[3]袁旭峰等.構(gòu)建電力電子技術(shù)課程多渠道多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的研究[J].教育文化論壇，2015.

[4]孫金根等.電力電子技術(shù)課程工程化教學(xué)模式探索和實(shí)踐[J].大學(xué)教育.2017.