電力電子技術(shù)課程體系建立與實(shí)踐

王曉寰　馮建周　張瑩

摘要：OBE和CDIO教學(xué)理念均強(qiáng)調(diào)了課程之間的系統(tǒng)性和學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》是電氣工程及其他相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，通過問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式，與其他課程項(xiàng)目式系統(tǒng)建立，并通過課上討論、課程設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等多個(gè)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生掌握電力電子技術(shù)及相關(guān)課程知識，建立電力電子專業(yè)知識體系，具備基本工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：課程體系；電力電子技術(shù)；項(xiàng)目式教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）33-0035-02

一、背景

《電力電子技術(shù)》[1，2]是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)知識的交叉學(xué)科。它是利用弱電去控制強(qiáng)電的技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用與電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、微電子技術(shù)等領(lǐng)域密切相關(guān)。《電力電子技術(shù)》是電氣工程及其他相關(guān)專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，課程的特點(diǎn)是電路形式多種多樣，每個(gè)電路在不同的情況下會(huì)產(chǎn)生不同的工作效果，其效果的分析涉及到電路中各變量波形。該課程是一個(gè)實(shí)踐性和應(yīng)用性非常強(qiáng)的課程，但是課堂講授過程中由于電路的多樣性及復(fù)雜性，在沒有電路原型的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)起來比較困難。

為適應(yīng)社會(huì)需求、用人單位的需要，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)建設(shè)指導(dǎo)委員會(huì)按照學(xué)校修訂教學(xué)計(jì)劃的要求，并結(jié)合OBE和CDIO教育理念，創(chuàng)新“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容，結(jié)合“電力電子技術(shù)”課程的特點(diǎn)，將模擬數(shù)字前導(dǎo)課程，現(xiàn)代控制理論，電源技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制，電力電子仿真等專業(yè)課程[3]以及課程設(shè)計(jì)，生產(chǎn)實(shí)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)以項(xiàng)目式為連接建立知識和實(shí)踐體系，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力[4-6]。

二、項(xiàng)目式課程體系教學(xué)法實(shí)施步驟

項(xiàng)目式課程體系教學(xué)法，即在教師在學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)課程之前設(shè)定好若干項(xiàng)目，主要為電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將項(xiàng)目交由學(xué)生團(tuán)隊(duì)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋電力電子電路的原理與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)與數(shù)字實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計(jì)，電路仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中了解并把握整個(gè)過程及每一個(gè)環(huán)節(jié)中的課程知識。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下親自處理一個(gè)項(xiàng)目由設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程，在這一過程中學(xué)習(xí)掌握教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的教學(xué)內(nèi)容。

三、項(xiàng)目式教學(xué)法實(shí)施手段

1.項(xiàng)目計(jì)劃書撰寫：學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行工作分解以及分工，設(shè)定本團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并完成項(xiàng)目計(jì)劃書的撰寫。主要是讓學(xué)生通過閱讀相關(guān)專著、文獻(xiàn)等掌握所研究課題的發(fā)展情況及最新進(jìn)展。將項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)行匯報(bào)，并就方案的性能、成本、效率等方面與老師和同組同學(xué)進(jìn)行討論。使其在溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面得到鍛煉。

2.項(xiàng)目實(shí)施階段：項(xiàng)目實(shí)施主要包括理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐驗(yàn)證兩大部分。理論設(shè)計(jì)以團(tuán)隊(duì)為單位，在相關(guān)課程及其課程設(shè)計(jì)階段完成。實(shí)踐階段分為計(jì)算機(jī)仿真和電路搭建與調(diào)試，在本科生實(shí)驗(yàn)室結(jié)合綜合實(shí)訓(xùn)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)完成。

3.項(xiàng)目驗(yàn)收階段：以小組為單位，每個(gè)小組進(jìn)行總結(jié)、整理并撰寫報(bào)告，做成PPT。同時(shí)小組內(nèi)成員根據(jù)個(gè)人完成情況進(jìn)行不記名打分，進(jìn)行平均加權(quán)后上報(bào)。不同班級同一項(xiàng)目的同學(xué)進(jìn)行競賽式匯報(bào)，每組派一名同學(xué)作為評委與答辯組教師進(jìn)行提問與評分。促進(jìn)各組之間的討論與研究。學(xué)生提交項(xiàng)目研究報(bào)告、圖紙、實(shí)物、仿真以及程序演示、實(shí)驗(yàn)波形等。

4.舉例。項(xiàng)目題目：200W直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。（1）輸入電壓：單相AC 220V/50Hz。（2）輸出電壓：DC 24V。（3）輸出功率：200W。（4）輸出穩(wěn)壓精度：ΔVo/Vo≤1%。（5）動(dòng)態(tài)過渡過程時(shí)間：ts≤20ms。（6）電壓超調(diào)量：σn≤15%。該題目要求學(xué)生設(shè)計(jì)并完成電路的選擇，主電路元器件及變壓器等設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，輔助電源及保護(hù)電路等系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，硬件電路及其軟件編程，matlab仿真，電路板PCB設(shè)計(jì)與焊接，實(shí)驗(yàn)調(diào)試。涉及到的專業(yè)相關(guān)課程包括：電力電子技術(shù)，電源技術(shù)，自動(dòng)控制理論，計(jì)算機(jī)控制，電力電子仿真，直流傳動(dòng)控制等相關(guān)課程。同一組同學(xué)完成該項(xiàng)目的全部設(shè)計(jì)與操作，跨度為一個(gè)學(xué)期。指導(dǎo)教師提出時(shí)間節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)任務(wù)并提交階段性匯報(bào)和設(shè)計(jì)材料，最終形成全套的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)題報(bào)告及答辯。

四、電力電子課程問題驅(qū)動(dòng)的課堂授課方式

在以往的電力電子技術(shù)的授課過程中，教師主要是以講授方法來進(jìn)行課堂教學(xué)，由于理論知識的煩瑣乏味，所以很難提起學(xué)生的興趣，再加上大班授課，學(xué)生眾多，使得很多學(xué)生，尤其是坐在后排的學(xué)生聽課效果很差，注意力很難集中。為了改變這種現(xiàn)狀，根據(jù)CDIO教學(xué)理念，采用了一種問題驅(qū)動(dòng)的課堂授課方式，該方法的主要思想是將課堂上教師的角色由教授知識變?yōu)閷W(xué)習(xí)引導(dǎo)，將課堂的主體由教師變?yōu)閷W(xué)生。

授課老師根據(jù)授課內(nèi)容將整本書分為4—6個(gè)單元，在每個(gè)單元開始前，把本單元的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容以問題的形式列在黑板上或者PPT課件中，學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行針對性的自學(xué)，讓學(xué)生自己先在書中尋找答案，主動(dòng)的解決問題。在教師教授過程中可以分配學(xué)生對其中知識點(diǎn)進(jìn)行講解或討論。最后，由老師對重點(diǎn)難點(diǎn)問題進(jìn)一步講解，這樣既能鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)能力，也能讓學(xué)生在自學(xué)時(shí)有一定的壓力，從而產(chǎn)生動(dòng)力，提高自學(xué)效率。這種方式的另一個(gè)好處是：不管是前排的學(xué)生還是后排的學(xué)生，他們的壓力和動(dòng)力都是相同的，每個(gè)人和老師都是零距離，從而實(shí)現(xiàn)了零距離教學(xué)。

問題驅(qū)動(dòng)式授課方式需要學(xué)生利用課余時(shí)間來自學(xué)，授課老師會(huì)根據(jù)問題的難易程度和數(shù)量，使學(xué)生自學(xué)的時(shí)間控制在30分鐘左右。學(xué)生講解或討論的情況可計(jì)入平時(shí)成績中，收集的信息量和對問題的理解程度以及與所學(xué)知識的融會(huì)貫通等可作為評判的標(biāo)準(zhǔn)。

五、課程持續(xù)性的延展

課程體系是指同一專業(yè)不同課程門類按照門類順序排列，是教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)程的總和，課程門類排列順序決定了學(xué)生通過學(xué)習(xí)將獲得怎樣的知識結(jié)構(gòu)。課程體系主要由特定的課程觀、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)和課程活動(dòng)方式所組成，其中課程觀起著主宰作用。在課程體系中，專業(yè)課程建設(shè)更是其基礎(chǔ)工程，課程內(nèi)容和形式作為制約課程質(zhì)量的決定因素作用于學(xué)生知識、素質(zhì)與能力的構(gòu)建?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程建設(shè)以此為依托，在專業(yè)知識鏈的銜接中起到橋梁作用，構(gòu)建電氣工程專業(yè)相關(guān)課程體系，通過將多門課程的教學(xué)和實(shí)踐融入同一個(gè)項(xiàng)目式教學(xué)，化零為整，輔助學(xué)生重塑本學(xué)科專業(yè)知識的構(gòu)架，通過有效的教學(xué)方法和手段，優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自我培養(yǎng)和實(shí)現(xiàn)。

燕山大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)以河北省電力電子節(jié)能及傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室為平臺（光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，高頻開關(guān)電源，開關(guān)磁阻電機(jī)等平臺），充分利用實(shí)驗(yàn)室資源。通過專業(yè)教師帶領(lǐng)參觀及講解，讓學(xué)生了解電力電子技術(shù)課程應(yīng)用方向，從抽象的理論知識轉(zhuǎn)化為直觀的感性認(rèn)識。結(jié)合電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)及課程實(shí)驗(yàn)題目，開展了有意義的學(xué)習(xí)和研究。鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合學(xué)?！按髮W(xué)生科技立項(xiàng)活動(dòng)”以及教師科研項(xiàng)目進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)。

六、教改效果

通過本課程的項(xiàng)目式教學(xué)，從課堂授課、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、學(xué)生科研、教師科研多個(gè)方面建立起以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心的“電力電子技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)體系。體系建立及實(shí)踐2年多來，成效顯著，學(xué)生在電力電子技術(shù)方面的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到明顯加強(qiáng)，符合培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才目標(biāo)，可以為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)提供借鑒。

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