電力電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)模式改革與創(chuàng)新

艾青　李紹武　陳坤　李沁

摘 要：結(jié)合應(yīng)用型本科高校的培養(yǎng)要求，對我校電氣工程及其自動化專業(yè)的電力電子技術(shù)課程設(shè)計的教學(xué)模式開展研究。加強課程設(shè)計教學(xué)過程管理，改革實踐教學(xué)方法及手段，通過多種途徑開展創(chuàng)新實踐教育。通過改變傳統(tǒng)教學(xué)模式不僅增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還提高了他們的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式；工程實踐；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）04-0035-03

Abstract： Combining the training requirements of applied undergraduate universities， this paper studies the teaching model reform in the power electronic technology courses in our school through a variety of ways to carry out the innovation education practice. Changing the traditional teaching mode not only enhances the students' interest in learning， but also improves their engineering practice ability and innovation ability.

Keywords： teaching mode； engineering practice； innovation ability

我校電氣工程及其自動化專業(yè)從1993年開始招本科生，經(jīng)過二十多年的建設(shè)發(fā)展，為地方社會經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)了大量的工程技術(shù)人才。近年隨著應(yīng)用型本科教育的推廣，為適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展需要，工程技術(shù)人才的創(chuàng)新實踐能力更加突出。隨著硬件技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，高壓直流輸電就是典型的代表。同時在新能源并網(wǎng)發(fā)電以及大量的開關(guān)電源等應(yīng)用領(lǐng)域加速發(fā)展，電力電子技術(shù)應(yīng)用已滲透到國民經(jīng)濟各部門，對電力電子技術(shù)的人才的需求大并且要求越來越高[1，2]。

課程設(shè)計是電力電子技術(shù)實踐教學(xué)的重要組成環(huán)節(jié)。其目的不僅要求學(xué)生掌握基本電力電子器件的性能和應(yīng)用方法，而且要求學(xué)生具備基本電力電子電路的設(shè)計能力，更要培養(yǎng)學(xué)生在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中工程實踐能力和創(chuàng)新的能力[3]。本文根據(jù)電力電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)大綱要求，從教學(xué)過程管理、教學(xué)方法及手段、創(chuàng)新實踐教育等方面進行教學(xué)研究。

一、教學(xué)過程管理

課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)的過程管理就是通過一系列的事先定義好的計劃和綱要，來組織、協(xié)調(diào)和監(jiān)管整個課程設(shè)計過程，完成課程設(shè)計目標(biāo)[4]。電力電子技術(shù)課程設(shè)計的目的是訓(xùn)練學(xué)生綜合運用已經(jīng)學(xué)過的電力電子變流電路的基礎(chǔ)知識，獨立查找資料、設(shè)計方案、選擇器件，設(shè)計電路、分析撰寫課程設(shè)計報告。通過這一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)加強對電力電子技術(shù)基本理論、基本分析方法和基本技能的培養(yǎng)和訓(xùn)練，加深對變流電路基本理論的理解，提高運用基本技能的能力。課程設(shè)計教學(xué)過程管理的主要環(huán)節(jié)如圖1所示。

（一）編寫任務(wù)書

根據(jù)電力電子技術(shù)課程設(shè)計的教學(xué)大綱，編寫課程設(shè)計任務(wù)書。一般情況是由教師直接下達給學(xué)生，旨在讓學(xué)生明確課程設(shè)計的任務(wù)及要求，引導(dǎo)學(xué)生主動查閱資料，理清設(shè)計思路從而為方案論證做好準(zhǔn)備工作。

任務(wù)書的具體要求包括：提交設(shè)計報告，報告中要求有設(shè)計系統(tǒng)的理論分析計算和仿真分析計算的過程和結(jié)果；設(shè)計報告要提供各元器件的選型清單；要求根據(jù)設(shè)計報告制作實物，并將實物測試數(shù)據(jù)寫入設(shè)計報告中。

根據(jù)本校實際情況，任務(wù)書課題包括基礎(chǔ)題和提高題，主要包括兩個工程應(yīng)用方面的主題供學(xué)生選擇：一個是戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)應(yīng)用；另一個就是不間斷電源中的電力電子技術(shù)應(yīng)用。其中基礎(chǔ)題包括：（1）單相橋式整流電路的設(shè)計；（2）升壓斬波電路的設(shè)計；（3）非隔離降壓斬波電路設(shè)計；（4）單相橋式無源逆變電路設(shè)計等。每個課題指定具體的參數(shù)要求。例如基礎(chǔ)課題（1）的參數(shù)要求如下：電網(wǎng)供電電壓為單相220V；電網(wǎng)電壓波動為-5%～+5%；輸出電壓Ud為0～150V；負載為反電勢阻感性負載E=50，R=100，L=800mH。

提高題包括：（1）直流穩(wěn)壓電源設(shè)計；（2）恒流源設(shè)計；（3）交流變頻電源設(shè)計；（4）中頻感應(yīng)加熱電源等。同樣每個課題指定具體的參數(shù)要求例如課題（4）的參數(shù)要求如下：線電壓額定值380V，頻率：50Hz±1%，波動系數(shù)：A=0.95～1.1；輸出功率：P=10W；輸出最大功率：Pm=15W；感應(yīng)加熱用額定頻率f=1kHz；功率因數(shù)：cosΦ=0.81；盡量減小輸出波形的失真。

確定課程設(shè)計任務(wù)書的要求和具體課題后，根據(jù)學(xué)生實際情況進行課程設(shè)計分組，每組同學(xué)3～4人為宜，可以培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作精神。具體到每一組設(shè)計成不同的參數(shù)和要求，引導(dǎo)學(xué)生明確自己的任務(wù)并有一定的學(xué)習(xí)考核壓力。

（二）方案論證及系統(tǒng)設(shè)計

方案論證是課程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充分的論證不僅能提升學(xué)生相關(guān)的理論知識，鍛煉工程實踐能力，也為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。經(jīng)過小組內(nèi)的同學(xué)的討論、查找資料、形成初步方案，并最終在指導(dǎo)教師審核下確定出小組最佳方案，并要求畫出一個能表示各單元功能的整體原理框圖，提交方案論證報告。同時要加大方案論證環(huán)節(jié)的考核，提高該環(huán)節(jié)在課程考核中的占比，從而調(diào)動了學(xué)生參加的積極性。

首先是主電路設(shè)計及選擇電力電子器件。包括以下幾個環(huán)節(jié)：（1）按照設(shè)計任務(wù)書，選定主電路拓撲；（2）計算待設(shè)計系統(tǒng)各項參數(shù)，并選定各元器件；（3）根據(jù)選定元器件，仿真驗證是否滿足任務(wù)書要求；（4）并撰寫詳細的元器件參數(shù)計算方法、元器件選定原則報告。

其次是輔助電源、控制電路及驅(qū)動電路、保護電路的設(shè)計包括以下幾個環(huán)節(jié)：（1）按照選定元器件及任務(wù)書要求，設(shè)計輔助電源；（2）設(shè)計控制電路、驅(qū)動電路；（3）設(shè)計保護電路；（4）撰寫詳細的設(shè)計報告。

第三個是焊接主電路、輔助電源、控制電路及保護電路，包括：（1）根據(jù)設(shè)計報告及選定元器件，焊接主電路、輔助電源、控制電路及保護電路；（2）分塊調(diào)試，測試各電路的性能是否滿足要求。

最后是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段，包括（1）將焊接的各電路模塊按照設(shè)計系統(tǒng)要求連接，并進行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試；（2）對系統(tǒng)的各項參數(shù)指標(biāo)進行測試；（3）撰寫詳細的試驗報告。

系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)按照小組內(nèi)分工可以同步進行，根據(jù)工作量控制課程設(shè)計的周期。并要求在小組內(nèi)部經(jīng)常交流分享。在各個節(jié)點同一課題相關(guān)的幾個小組之間可以進行對比交流學(xué)習(xí)，取長補短。

（三）總結(jié)及考評

課程設(shè)計最后一個任務(wù)是整理、提交設(shè)計成果，包括（1）完善設(shè)計成果外觀，設(shè)計演示匯報流程；（2）完善設(shè)計報告，仿真報告及試驗報告；（3）演示匯報。

要求提交的材料包括：（1）電力電子裝置設(shè)計報告；（2）電力電子裝置仿真報告；（3）電力電子裝置實物及其試驗報告。

在課程設(shè)計的過程中會遇到各種各樣的問題，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時間也較長，課題完成后進行分析和總結(jié)很有必要，這也是學(xué)生考評中要回答的內(nèi)容。教學(xué)實踐表明改進課程設(shè)計的考核體系能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，特別是在教學(xué)過程中問答式的軟考評方式不僅能提高學(xué)生參與度，并且可以形成良好的交流學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的認可度也較高。教師應(yīng)該積極地設(shè)法改進和進一步完善考評方式，引導(dǎo)更多學(xué)生積極主動參與課程設(shè)計。

二、教學(xué)方法與手段

課程設(shè)計相對是一門比較開放的課程，教與學(xué)的彈性空間比較大，良好的教學(xué)方法和手段對教學(xué)效果影響較大。研討式教學(xué)通過給定的主題，將課程班里的學(xué)生分成若干小組進行準(zhǔn)備和討論，在小組討論后推選學(xué)生代表小組發(fā)言，并且和教師或其他小組開展交流問題的教學(xué)方式[5]。電力電子課程設(shè)計的教學(xué)過程安排正好適應(yīng)研討式教學(xué)方式。同一個大課題下的多個小組集中參加教學(xué)過程，完成階段性的任務(wù)后進行研討教學(xué)，其他小組的成員可以向他提問，教師也要求參與討論，本小組成員可進行補充。通過這種方式讓各小組之間形成一種競爭與交流，不僅能表達自己的觀點，更重要的在于知識的交流和學(xué)習(xí)，這個過程中教師要注意引導(dǎo)和參與，把握要點，控制好時間。

采用研討式教學(xué)不僅可以充實教學(xué)過程，更重要的是體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，真正做到教學(xué)相長，增進師生間的溝通與了解，并且加強小組間學(xué)生的交流。

采用軟件仿真與實驗結(jié)合的教學(xué)手段不僅能提高課程設(shè)計的效率，而且能拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的時間和空間，利用課余時間課題小組內(nèi)的同學(xué)能夠加強交流和學(xué)習(xí)。通過電路仿真能對所設(shè)計的電路進行驗證，降低實驗成本和縮短時間周期。在課程設(shè)計實驗調(diào)試階段，每個小組在基于同一仿真軟件構(gòu)建的虛擬實驗平臺上進行電路仿真，可以方便的與實際硬件電路進行對比分析，提高工程實踐中分析問題，解決問題的能力。

下面通過常用的電力系統(tǒng)仿真軟件MATLAB進行戶用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中電力電子變換電路相關(guān)知識進行仿真教學(xué)。其中重點關(guān)注逆變電路的最大功率點跟蹤（MPPT）控制。其中，逆變電路控制模塊中需要學(xué)生了解MPPT控制算法實現(xiàn)的過程，方便學(xué)生在硬件電路設(shè)計中通過反饋信號形成閉環(huán)控制實現(xiàn)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化運行。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)整體仿真模型如圖2所示。

仿真過程中考慮光照的變化從250W/m2開始，最后穩(wěn)定在750W/m2。光伏板輸出的電壓和功率如圖3所示。從仿真輸出的結(jié)果可以看出隨著太陽光照的變化，調(diào)節(jié)光伏板輸出電壓能夠跟蹤最大功率工作點，從而提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行效率。

三、創(chuàng)新實踐教育

根據(jù)本校的實際情況，創(chuàng)新實踐教育的主要包括校企合作引入的工程實踐問題，教師科研項目中涉及的研究問題，大學(xué)生創(chuàng)新實踐中心提供的創(chuàng)新實踐項目三種形式。結(jié)合卓越工程師的培養(yǎng)計劃，要求重點培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、工程設(shè)計能力和工程創(chuàng)新能力，因此在電力電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)中需要引入綜合性、創(chuàng)新性試驗內(nèi)容[6]。

校企合作引入的工程實踐問題主要體現(xiàn)在課程設(shè)計任務(wù)書上，每個小組的課題可以有針對性的在任務(wù)書中明確自己研究的重點，結(jié)合工程實踐如何進行相應(yīng)的設(shè)計。校企合作的方式讓學(xué)生完成的課程設(shè)計作品更加接地氣，增強他們的工程意識，提高學(xué)生的工程實踐能力。

教師的科研項目一般具有創(chuàng)新點，在申請到相應(yīng)的教學(xué)科研項目后，將其中學(xué)生能夠參與的項目研究內(nèi)容設(shè)計到課程設(shè)計中，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的參與意識和動手解決問題的能力。不僅推動科研項目的建設(shè)，也鍛煉了學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。

學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可利用學(xué)校的創(chuàng)新實踐中心，電力電子技術(shù)課程設(shè)計可以同意學(xué)生自擬課題，但要滿足一定條件并通過教師審核。學(xué)生可以自主參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，參加各種形式的競賽，用競賽項目來激發(fā)學(xué)生對本門課程的興趣，將創(chuàng)新實踐的內(nèi)容引入課程設(shè)計。較好的創(chuàng)新成果能可以轉(zhuǎn)化成論文或申請專利，進一步促進教學(xué)良性發(fā)展。

四、結(jié)束語

本文以學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力為核心，分別從教學(xué)過程管理、教學(xué)方法與手段、實踐創(chuàng)新教育幾個環(huán)節(jié)對電力電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)模式進行了改革和實踐。通過本校近幾年的實踐表明，教學(xué)模式的改革能夠激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及工程實踐動手能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工程應(yīng)用型人才奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]趙宇.應(yīng)用型高校電力電子技術(shù)教學(xué)探討[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)，2016，169（12）：11-12.

[2]李先允，廖德利，許峰，等.應(yīng)用型本科“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，4：118-121.

[3]趙濤，沈亞斌，徐友，等.面向工程應(yīng)用的電力電子技術(shù)課程教學(xué)實踐研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2016，400（22）：98-99.

[4]唐賢倫，羅萍，嚴(yán)冬.“電力電子技術(shù)課程設(shè)計”過程規(guī)范化的探索與實踐[J].實驗室技術(shù)與管理，2011，28（12）：145-147.

[5]趙益波.“電力電子技術(shù)”創(chuàng)新型課程設(shè)計探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013，35（5）：111-112.

[6]魯明麗，劉燕.基于卓越計劃的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探索[J].中國電力教育，2014（2）：103-104.

[7]王偉，王靜文.應(yīng)用型本科院?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程教學(xué)改革[J].高教學(xué)刊，2017（21）：137-138+14.