應(yīng)用型本科電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革探討

范茂彥 張麗芳

1.玉溪師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 云南玉溪 653100

2.玉溪師范學(xué)院教務(wù)處 云南玉溪 653100

1 教學(xué)改革的基本思路

電力電子技術(shù)是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，講授課程及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須包括器件工作原理、電路原理、典型電力電子系統(tǒng)應(yīng)用等。教學(xué)改革的目的是落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)理念，豐富工程實(shí)踐知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中既動(dòng)腦又動(dòng)手，培養(yǎng)應(yīng)用型人才。修訂教學(xué)大綱理論及實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)講授電力電子技術(shù)新知識(shí)、新器件的應(yīng)用領(lǐng)域，探索有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力的措施[1-3]。

(1)增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將實(shí)驗(yàn)劃分為3個(gè)層次：基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合性課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新性課題研究。研究性教學(xué)項(xiàng)目讓學(xué)生在真實(shí)的科研環(huán)境中學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)適應(yīng)能力。

(2)實(shí)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。掛件組合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，沒(méi)有擴(kuò)展空間，阻礙創(chuàng)新思維的形成。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性實(shí)訓(xùn)教學(xué)，學(xué)生可以自己擬訂實(shí)驗(yàn)方案，各小組獨(dú)立完成項(xiàng)目研究。 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)提供循序漸進(jìn)的多層次能力培養(yǎng)方案，可以滿足不同需求的學(xué)生，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)項(xiàng)目采用導(dǎo)師負(fù)責(zé)制，可操作性強(qiáng)，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容涵蓋課程對(duì)知識(shí)和能力培養(yǎng)的要求，能在接近真實(shí)的學(xué)習(xí)情境中完成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)體現(xiàn)先進(jìn)性、實(shí)用性、開(kāi)放性、多功能性的特點(diǎn)，以滿足多層次的基礎(chǔ)型、研究型和綜合設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)的要求。建立電力電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺(tái)，教師與學(xué)生一起探索實(shí)踐創(chuàng)新性教學(xué)手段和方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[4,5]。

2 教學(xué)方法改革與實(shí)踐

電力電子技術(shù)教學(xué)改革目的：通過(guò)課堂教學(xué)課件演示，仿真輔助教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)分為必做和選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生掌握典型電力電子器件工作原理、基本結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)和應(yīng)用特性，熟練掌握各種電力電子電路基本設(shè)計(jì)方法，并了解其在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，對(duì)課程相關(guān)知識(shí)具有一定的自學(xué)能力[6-8]。

目前，電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性電路，不能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新、設(shè)計(jì)的欲望，只為實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有達(dá)到綜合運(yùn)用知識(shí)的目的，沒(méi)有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)新性。精選出具有代表性的電力電子器件、直流斬波電路的性能研究、三相橋式全控整流電路的性能研究、單相交流調(diào)壓電路的性能研究、單相交—直—交變頻電路的性能研究5個(gè)必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生提供選做的調(diào)壓電路、開(kāi)關(guān)電路、溫控電路、變頻調(diào)速電路、關(guān)穩(wěn)壓電源，不間斷電源等綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每周留出一定的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間，讓學(xué)生選做實(shí)驗(yàn)，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、焊接和調(diào)試電路。通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提高鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用和創(chuàng)新能力。加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，學(xué)生參與校企合作項(xiàng)目，獨(dú)立設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目的某一部分，教師可進(jìn)行相應(yīng)的指導(dǎo)，對(duì)于學(xué)生設(shè)計(jì)的方案，教師要及時(shí)審查，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

電力電子技術(shù)工作原理涉及電路結(jié)構(gòu)、波形分析、設(shè)計(jì)計(jì)算及控制方法，教學(xué)難度很大。引入MatLab輔助教學(xué)軟件，學(xué)生運(yùn)用MatLab/Simulink對(duì)多種電力電子器件、典型電路進(jìn)行建模和仿真，理解電路結(jié)構(gòu)，方便設(shè)置和改變器件參數(shù)、觀測(cè)電路波形等實(shí)驗(yàn)功能。授課教師與學(xué)生共同探索提高教學(xué)質(zhì)量的途徑，使該課程的教與學(xué)變得更加生動(dòng)、高效，學(xué)生不僅能很好地掌握理論知識(shí)，還能培養(yǎng)電路分析及設(shè)計(jì)能力。電力電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容以電路為主線，波形分析貫穿始終，仿真輔助教學(xué)可以幫助學(xué)生掌握器件的工作原理和電路的動(dòng)態(tài)特性，提高電路的分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力。

3 電力電子技術(shù)教學(xué)改革探討

電力電子技術(shù)課程的特點(diǎn)是多學(xué)科交叉融合、實(shí)踐性強(qiáng)，技術(shù)更新快，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用。教學(xué)改革需要從授課內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法、實(shí)踐應(yīng)用等方面進(jìn)行，按應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案，有針對(duì)性地改革。近十年來(lái)，全控型器件IGBT，MOSFET等的應(yīng)用，在中、小功率電力與電氣系統(tǒng)幾乎取代了晶閘管，全控型器件組成的交直流調(diào)壓、整流電路、逆變電路、變頻電路的工作原理及電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法應(yīng)當(dāng)是授課及實(shí)訓(xùn)的重點(diǎn)，可適當(dāng)穿插電力器件、典型電路在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。

電力電子技術(shù)教學(xué)改革必須把應(yīng)用能力培養(yǎng)放在首位，以工程應(yīng)用為載體開(kāi)發(fā)課程。整合教材理論知識(shí)與工程應(yīng)用關(guān)系，以夠用、實(shí)用為原則。將實(shí)訓(xùn)任務(wù)典型化，從單一到綜合，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，形成一系列彼此聯(lián)系、層次漸進(jìn)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目序列，使學(xué)生在完成項(xiàng)目過(guò)程中，培養(yǎng)就業(yè)能力。任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)法是學(xué)生在典型案例任務(wù)引領(lǐng)下展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生完成一系列任務(wù)，從而得到清晰的思路、方法和知識(shí)的脈絡(luò)，在完成項(xiàng)目的過(guò)程中鞏固所學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)習(xí)技能、鍛煉工作能力。研究式教學(xué)模式體現(xiàn)出很強(qiáng)的互動(dòng)性，指導(dǎo)教師與學(xué)生為解決碰到的技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展多學(xué)科的學(xué)習(xí)，擴(kuò)展知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生合作精神與創(chuàng)新思維，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、學(xué)習(xí)信心與成就感。

電力電子技術(shù)課程改革不僅是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的組合優(yōu)化，更注重教授學(xué)生貼近以工程案例為背景的教學(xué)內(nèi)容，模擬面對(duì)工程中可能出現(xiàn)的各種設(shè)計(jì)型問(wèn)題和操作型問(wèn)題進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，即教學(xué)過(guò)程強(qiáng)化工程意識(shí)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練[9,10]。開(kāi)展一些具有較強(qiáng)工程背景的綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生接觸到目前電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的前沿技術(shù)，為以后從事相關(guān)的工作奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和培養(yǎng)初步的科研能力。在實(shí)踐教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先要求學(xué)生利用MatLab仿真，再用硬件電路驗(yàn)證，并將仿真結(jié)果與硬件實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，可以將一些用語(yǔ)言和文字難以表達(dá)清楚、不易理解的抽象波形、變化過(guò)程，通過(guò)仿真波形或曲線的形式直觀地演示出來(lái)，有利于學(xué)生的理解，擴(kuò)展講授內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用及創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的基本要求是通過(guò)改變電路參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及負(fù)載特性等方法，觀測(cè)波形，分析電路工作性能。例如，諧波分析、高頻噪聲和波形失真等內(nèi)容，僅從理論分析比較難于理解，而通過(guò)仿真可以很直觀地使學(xué)生加深感性認(rèn)識(shí)，起到事半功倍的效果。

MatLab仿真輔助教學(xué)實(shí)例。直接直流變流電路也稱斬波電路，功能是將直流電壓變?yōu)榱硪豢烧{(diào)電壓的電路或固定電壓的電路。升壓斬波電路工作原理如圖1所示，V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，假設(shè)L和C值很大，電流恒定L1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓U0恒定。V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，基本的數(shù)量關(guān)系，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即EI1ton=(Uo-E)I1toff，化簡(jiǎn)得：

圖1 升壓斬波電路及其工作波形

升壓斬波電路建立一個(gè)仿真模型的新文件，在MatLab 的菜單欄上點(diǎn)擊File，選擇 New，再在彈出菜單提取所需的模塊放到仿真窗口。提取所需的模塊放到仿真窗口。在仿真模型窗口的菜單上點(diǎn)擊圖標(biāo)調(diào)出模型庫(kù)瀏覽器，在模型庫(kù)中將電路元器件模塊按升壓斬波電路原理圖連接起來(lái)組成仿真電路(如圖2所示)，在仿真計(jì)算完成后即可以通過(guò)示波器觀察仿真電路的波形(如圖3所示)。

圖2 升壓斬波電路仿真模型

圖3 占空比0.2和0.5時(shí)電壓和電流波形

課堂教學(xué)過(guò)程中MatLab/Simulink幫助學(xué)生理解輸入輸出的電壓波形，直觀了解各種電路的功能。電力電子技術(shù)課程中的基本電路有4種：整流、逆變、交流調(diào)壓、直流斬波。不論是哪種電路的分析，為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和幫助學(xué)生對(duì)各種電路的學(xué)習(xí)理解，都有重要作用。

利用Multisim實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同傳統(tǒng)的電力電子實(shí)驗(yàn)相比，可以邊實(shí)驗(yàn)邊修改，由于使用的元器件和儀表都是虛擬的，所以不存在安全問(wèn)題，另外實(shí)驗(yàn)成本低、實(shí)驗(yàn)效率高、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀形象。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有自己獨(dú)立思考的時(shí)間和空間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。仿真實(shí)驗(yàn)并不能替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段，仿真實(shí)驗(yàn)中看到的都是理想波形，而實(shí)際上會(huì)存在很多的干擾信號(hào)，器件、電路性能也不可能是理想狀態(tài)，學(xué)生只有在真實(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)中才能掌握。只有將仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，才能幫助學(xué)生更好地掌握知識(shí)，提高綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

電力電子技術(shù)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入了仿真教學(xué)，以升壓斬波電路仿真過(guò)程為例，分析了仿真輔助教學(xué)方法在電力電子技術(shù)教學(xué)過(guò)程中所起的作用。通過(guò)這種教學(xué)方法，將抽象的理論教學(xué)變?yōu)榫唧w、靈活的形式，便于學(xué)生多角度分析理論知識(shí)。學(xué)生可以選擇教材中的基本電路拓?fù)錂C(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，幫助學(xué)生對(duì)相關(guān)電路的工作原理和波形圖有直觀的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜電路的分析，并為以后的工程實(shí)踐作鋪墊，有利于學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。