工程問題設(shè)計在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用與實踐

孫秀桂，張洪斌，彭建榮，孫江波

（1.大理大學(xué)工程學(xué)院，云南大理 671003；2.大理供電局，云南大理 671000）

“電力電子技術(shù)”課程是電氣工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程具有電路圖多、波形多、工程性強等特點〔1〕。電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現(xiàn)代化技術(shù)〔2〕，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于發(fā)、輸、配、用電等環(huán)節(jié)〔3〕，以靈活交流輸電技術(shù)、高壓直流輸電技術(shù)、定制電力技術(shù)為代表的先進電力電子技術(shù)也成為建設(shè)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和手段〔4〕。掌握電力電子技術(shù)是每個將要在該領(lǐng)域中工作的人員應(yīng)具備的基本技術(shù)。然而傳統(tǒng)的“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容多，學(xué)時少；課程體系相對陳舊，與現(xiàn)有的電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展不相適應(yīng)。如何在電力電子新器件、新技術(shù)、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)的情況下，對“電力電子技術(shù)”課程進行教學(xué)改革，使教育目標(biāo)符合新技術(shù)環(huán)境下對工程師技能的期望是十分必要的。本文利用基于工程問題設(shè)計的方法對課程教學(xué)進行改革，注重對器件特性及電路特性的分析，并結(jié)合工程問題講解電路設(shè)計、分析方法，使學(xué)生能夠更深入的理解電力電子技術(shù)的應(yīng)用，以適應(yīng)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才的需要。

1 基于工程問題設(shè)計的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式探索

1.1 基本電路中工程問題的設(shè)計 “電力電子技術(shù)”課程中，電路繁多，在講解基本電路時，通過工程問題設(shè)計，講解電路的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和原理。如在講解直流∕直流降壓變換電路BUCK電路時，采用基于問題的課程教學(xué)方法，設(shè)計問題為：如何由固定直流電源得到滿足負(fù)載需求的直流電源。教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)方法。在教學(xué)過程中，由變壓方法入手，提出電路中最常用的直流電路的分壓方法，利用電阻分壓；分析電阻分壓的缺點：耗能大、效率低。引導(dǎo)學(xué)生提出改進的方法，將耗能元件改為非耗能元件。提出一系列問題：①采用非耗能元件后如何組成直流變換電路？②組成電路后存在的電流斷續(xù)問題如何解決？隨著在電路設(shè)計中問題的深入及分析，最終得到直流斬波電路，并分析出其單刀雙擲開關(guān)電路模型。設(shè)計過程見圖1。

在此過程中，能夠培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和初步的設(shè)計思想。而在講解電路的數(shù)量關(guān)系時，以電感電壓為目標(biāo)，通過對電感電流連續(xù)時工作特性分析〔5〕，得出伏秒平衡公式，由伏秒平衡公式推導(dǎo)電路的輸入輸出關(guān)系。該過程減少了繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，大大節(jié)約了課堂時間。通過工程問題的解決，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖1 直流斬波電路問題式分析過程

1.2 采用問題式啟發(fā)及創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方法 教學(xué)中，不停留在傳授知識層面，而是以工程應(yīng)用為背景，通過工程問題的設(shè)計，使學(xué)生適應(yīng)工作過程中知識與技術(shù)的更新。在講解逆變電路時，結(jié)合課程學(xué)習(xí)知識點，分析其在智能電網(wǎng)分布式電源中的應(yīng)用，設(shè)計工程問題為：分布式電源中逆變器的應(yīng)用。該問題針對逆變電路的諧波問題，要求學(xué)生設(shè)計輸出電壓為300 V的多電平逆變器。其Matlab仿真結(jié)果見圖2。

圖2 單相系統(tǒng)獨立電源七電平逆變電路圖

在解決該工程問題的過程中，學(xué)生對新型器件IGBT、MOSFET的開關(guān)特性及其開關(guān)條件、控制特點有深入的認(rèn)識，掌握了多電平逆變器的設(shè)計實現(xiàn)方法，認(rèn)識到電力電子電路諧波的影響及消除方法。通過對工程應(yīng)用問題的解決，培養(yǎng)學(xué)生樸素的工程設(shè)計思想與創(chuàng)新精神。

1.3 知識拓展 課程改革中，除了用工程實例將理論知識與工程應(yīng)用相聯(lián)系，還把學(xué)科前沿的研究狀況充實到課堂中。將先進電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用如有源電力濾波器、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器及靜止同步補償器等工程問題，通過項目驅(qū)動的形式，鼓勵、引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料，了解電力電子技術(shù)在上述設(shè)備中的應(yīng)用。

隨著晶閘管的應(yīng)用范圍漸漸縮減，電力電子技術(shù)應(yīng)用的飛速發(fā)展使學(xué)生對學(xué)以致用產(chǎn)生困惑〔6〕。為解決該問題，鼓勵學(xué)生利用全控器件設(shè)計整流器。PWM整流器作為各種電力電子應(yīng)用系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，已成為電力電子技術(shù)發(fā)展中的熱點和亮點〔7〕。而直流輸電技術(shù)是未來20年內(nèi)先進電力電子技術(shù)的技術(shù)發(fā)展路線之一〔4〕。結(jié)合這兩個電力電子技術(shù)發(fā)展的技術(shù)前沿?zé)狳c，在工程問題設(shè)計時，要求學(xué)生完成基于PWM整流技術(shù)的直流輸電站設(shè)計，并對設(shè)計方案進行仿真。其仿真見圖3。

圖3 HVDC仿真程序圖

在設(shè)計中，學(xué)生認(rèn)識到PWM控制整流電路四象限運行特點，既可感性運行，亦能容性運行。根據(jù)此特點，要求學(xué)生進一步分析該形式在智能電網(wǎng)中作為潮流控制器的作用。通過對理論與工程實際問題的聯(lián)系，拓寬了學(xué)生的知識視野。

2 實踐教學(xué)的改革

“電力電子技術(shù)”的實踐性很強，實驗是其必不可少的教學(xué)部分。電力電子技術(shù)實驗是集強電電路和弱電控制于一體的綜合性、專業(yè)性比較強的實驗。為了使學(xué)生在實驗課中能夠形象地學(xué)習(xí)、直觀地理解實驗相關(guān)內(nèi)容，除了設(shè)計一般實驗項目仿真性實驗題目，還增加了新能源及智能電網(wǎng)方向的設(shè)計題目。在此僅列舉光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制設(shè)計題目。學(xué)生通過查閱文獻資料，了解控制系統(tǒng)的基本要求，通過對控制方法、電路拓?fù)涞膹?fù)雜程度的比較，采用Boost變換電路完成實驗設(shè)計。其仿真見圖4。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真圖

通過仿真性實驗項目的設(shè)置，能解決實驗設(shè)備更新?lián)Q代慢的缺點，又能將電力電子技術(shù)的基本原理知識和實際應(yīng)用問題相結(jié)合，解決學(xué)習(xí)只停留在理論層面的問題，鍛煉學(xué)生解決實際問題的實踐能力。

3 教學(xué)改革效果

3.1 建立多種形式的考核方法，重在考核學(xué)生運用知識的能力 “電力電子技術(shù)”課程是一門實踐性較強的學(xué)科，在考試中增加實際運用能力的問題及分析，如在試卷中增加當(dāng)外界條件變化，晶閘管觸發(fā)電路的要求，尤其分析大電感電路中觸發(fā)脈沖的特點。

平時成績中突出對能力的考核，通過小論文、仿真實驗報告、新能源應(yīng)用調(diào)研報告等進行考核和測評。如在2013級電氣工程及其自動化1班，要求學(xué)生對電力系統(tǒng)中直流操作電源進行系統(tǒng)仿真，并作為測評學(xué)生平時成績的一部分。

3.2 教改前后成績比較 教學(xué)改革中，通過工程問題的解決，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情有所提高。在考試重點、難點、試卷覆蓋面相同及考察知識點一致的情況下，對教改前2011級及教改后2012級學(xué)生考試成績進行比較。在2011級學(xué)生“電力電子技術(shù)”課程考試中，學(xué)生考試平均成績?yōu)?5分，而教改后2012級學(xué)生考試平均成績?yōu)?0分，有65.5%的學(xué)生分值分布在70分以上。在2012級采用教學(xué)改革方法后，學(xué)生對知識的復(fù)現(xiàn)和運用能力有所提高，分析問題的能力增強，學(xué)生考試成績有了明顯提高。3.3 教學(xué)學(xué)習(xí)效果評價 在教學(xué)中，注重教學(xué)成果，如何測比學(xué)習(xí)成果是教學(xué)活動的一個重要內(nèi)容。文中利用Bloom教育目標(biāo)分類學(xué)理論對“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)成果進行評價?；贐loom教育目標(biāo)分類學(xué)的理論〔8〕，從知識、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評價幾個方面檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。理論教學(xué)評價測試一級指標(biāo)為：理論知識認(rèn)知、應(yīng)用分析能力、知識綜合能力、解決問題能力。同時基于EC2000項目組用的11個細(xì)化學(xué)習(xí)成果屬性化的成果，結(jié)合課程的教學(xué)特點，對實踐學(xué)習(xí)成果進行分項測試〔9〕。實踐教學(xué)測試一級指標(biāo)為：實驗動手能力、分析數(shù)據(jù)能力、解釋數(shù)據(jù)能力、實驗設(shè)計能力。主要考察學(xué)生在實驗中對實驗?zāi)康牡睦斫猓瑢嶒灁?shù)據(jù)的判斷分析能力，從數(shù)據(jù)中得出實驗結(jié)果的能力，同時根據(jù)實驗的過程提出對實驗的改進方法及用Matlab檢驗實驗方法可行性的能力等。

根據(jù)得到的教學(xué)成果測試指標(biāo)，采用基于模糊語言評價方法對該教學(xué)成果進行評判〔10〕，其計算方法如下。

模糊綜合評價模型由因素集U、評判集V和評判矩陣R組成。評判的步驟如下：

1）確定評判對象的因素集U=（u1u2...un）。

2）給出評判集V=（v1v2...vn），評語集中的元素可以是定性描述的數(shù)值，也可以是定量的數(shù)值。

3）第i層綜合評判結(jié)果Bij（i表示第i層，j表示同一層中的第j個子目標(biāo)）。

4）構(gòu)成模糊矩陣Ri，

式中l(wèi)表示第i層子目標(biāo)的個數(shù)。

設(shè)第i層子目標(biāo)的權(quán)重集為則該層上的綜合評判結(jié)構(gòu)為

5）進行上層的模糊綜合評判。根據(jù)式（2）求出的子目標(biāo)的綜合評價結(jié)構(gòu)，構(gòu)成上層的模糊矩陣

求出每層上所含子評價目標(biāo)的權(quán)重并算子，求出該層上對應(yīng)的權(quán)重C，再根據(jù)式（2）求出該層的綜合評判結(jié)果

6）求綜合評價值：利用第一層的權(quán)重值與所求的權(quán)重集得到綜合評價值。

根據(jù)總結(jié)的教學(xué)測評指標(biāo)，利用模糊綜合評價的方法計算結(jié)果為：

S=C°R=(0.36 0.56 0.08 0.00)。根據(jù)評價結(jié)果，該課程學(xué)習(xí)成果在良好水平的可能性為0.56。同時跟蹤學(xué)生畢業(yè)后社會對學(xué)生的評價。在2012、2013屆畢業(yè)生中，挑選從事與電力電子技術(shù)相關(guān)工作的畢業(yè)生120人，對這些學(xué)生進行跟蹤調(diào)查，社會評價結(jié)果良好率在0.8以上。

4 結(jié)論

為使“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容與工程實際相聯(lián)系，利用基于工程問題設(shè)計的方法，在課程教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容、電力電子技術(shù)熱點及前沿技術(shù)，提煉設(shè)計工程問題。在工程問題的方案選擇、實現(xiàn)與仿真過程中，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課本知識的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。尤其PWM整流器的設(shè)計與應(yīng)用，更是體現(xiàn)了電力電子新技術(shù)的發(fā)展方向，拓寬學(xué)生的知識視野。通過教學(xué)改革前后學(xué)生的考試成績對比，學(xué)生成績有明顯提高。同時基于Bloom教育理論確定教學(xué)成果測比測試項，采用基于模糊語言的評價方法對教改后的教學(xué)成果進行評價，其教學(xué)效果良好可能性較高，達到教學(xué)改革的目的。

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