基于課程思政的《電力電子技術》課堂教學案例設計

王子赟　王艷　紀志成

摘? 要：“課程思政”是當代高等教育的一個重要課題，主要目標是培育德才兼?zhèn)涞男聲r代人才。文章將“課程思政”融合到電力電子教學中，并通過電力電子技術發(fā)展史設計案例、整流電路設計案例、軟開關技術設計案例、電力電子技術實驗教學設計案例、電力電子技術科創(chuàng)設計案例五個案例體現思政元素在電力電子技術課程教學中的實踐設計，力求思政課程與專業(yè)課程協(xié)同開展。

關鍵詞：課程思政;協(xié)同開展;電力電子技術;案例設計

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）36-0093-04

Abstract： "Ideological and political education in courses" is an important topic of contemporary higher education， and the main goal of which is to cultivate talents with both ability and morality in the new era. In this paper， "Ideological and political education in courses" is integrated into the teaching of power electronics， and the ideological and political elements are respectively reflected in five cases： the design case of the development history of power electronics technology， the design case of rectifier circuit， the design case of soft switch technology， the design case of experimental teaching of power electronics technology， and the design case of scientific innovation of power electronics technology， so as to strive for the coordinated development of ideological and political courses and professional courses.

Keywords： ideological and political education in courses; synergetic teaching; power electronic technology; case design

一、概述

課程思政是將思想政治理論課融入各類課程當中，形成協(xié)同效應，發(fā)揮各類課程鮮明的政策性、價值性和政治性。它把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，切實貫徹培育時代新人的教育目標。當代高校對學生的思想政治培養(yǎng)主要體現在馬克思列寧主義、中國特色社會主義基本原理、毛澤東思想概述等一系列思政課程上，然而大多數教師上課只是單純地誦讀寫好的板書或PPT，枯燥抽象地講述黨中央的各類講話或經濟學原理性知識，從而導致課堂互動性較差，授課效果不盡人意。課程思政就是將培育學生的思想政治和價值觀蘊意于其他課程中，從原來的思政課程擴大到各類專業(yè)課程或通識課程中，在對專業(yè)課或其他通識課程學習的過程中，也逐漸加強了學生自身的政治素養(yǎng)和道德品質。

電力電子技術是一門利用晶閘管、IGBT、MOSFET等電子元器件和模塊化電路對電能進行控制與變換的技術，具有很強的工程實踐性[1]。在電力電子教學過程中，突顯了一些問題，主要包括：

1. 內容陳舊，器件滯后。電力電子技術具有很強的時代性，其器件和電路是隨著時代的發(fā)展不斷推陳出新，而課本上的內容通常是大同小異，一成不變的。以電力電子器件為例，課本上重點講述了半控型器件晶閘管的結構和使用，對IGBT、MOSFET等全控型器件介紹相對較少。然而這些全控型器件由于開關速度快、驅動功率小等優(yōu)點逐漸成為主流器件，相反晶閘管等半控型器件卻逐漸退出歷史舞臺。授課內容和技術發(fā)展的不匹配性將造成學生所學知識和生產實踐相脫節(jié)。

2. 教學方式單一。目前大多數高校的教學方法仍是PPT或課堂板書，老師們機械式地講述復雜電路理論和波形分析，這樣很難提高學生們的興趣。借助多媒體技術的發(fā)展，老師們應將課本里復雜的原理或波形圖更多地用圖片、動畫或視頻的方式展現，加強課堂教學的生動性，例如講解三相交流調壓技術的時候，由于輸入輸出波形較為復雜，工作過程較為繁瑣，可以使用動態(tài)圖演示電路中各個晶閘管的導通和關斷情況，這樣也有利于學生對知識的理解和掌握。

3. 課程實驗死板。很多同學做實驗只是為了拿學分，往往知其然而不知其所以然，而且由于授課時長的限制，只能做課本中很少一部分實驗內容。應該加強實驗的工程應用性，最好能用項目的形式進行實驗教學，以點帶面。

不論是思政課程還是專業(yè)課程，都是立德樹人的重要渠道，如何將這兩者結合進行優(yōu)勢互補就顯得尤為重要。作為構建德智體美勞全面培養(yǎng)的重要抓手和舉措，課程思政要求教育工作者在進行兩者協(xié)同的過程中既要相互融合也要尊重兩者之間的差異性，著重實現協(xié)同發(fā)展、求同存異的作用[2]。本文將課程思政融合貫穿于電力電子技術的課堂教學，通過電力電子案例體現課程思政，以期達到提高課程教學質量、培育時代新人的目標。

二、電力電子技術發(fā)展史設計案例設計

電力電子技術可分為電力電子元器件制造技術和變流技術，其中電力電子元器件制造技術是基礎，變流技術則是核心。

（一）電力電子元器件技術發(fā)展史

1904年世界上第一次問世了電子管，它是一種用玻璃等封閉容器制成的，高度真空狀態(tài)的，利用電場對真空中的電子流的吸引力來獲得振蕩或信號放大的器件。它的設計靈感基于愛迪生在一次燈泡實驗中發(fā)現的一個特殊現象：真空燈泡里的銅絲，盡管沒有接入電路，還是會有電流流過。他給這個現象申請了專利，取名愛迪生效應（The Edison Effect）。電子管的問世正是基于這種偶然現象，它開創(chuàng)了電子技術的先河，曾被廣泛應用于如收音機、顯像管電視機等電器中。至今，由于其出色的負載能力和線性性能以及高頻大功率環(huán)境下的工作特性，仍然有一些大功率無線電發(fā)射機等使用它。但由于它真空狀態(tài)的結構特點，也直接決定了它的缺點：易破損、壽命短、功耗大、維護成本高等[3]。例如世界上第一臺計算機埃尼阿克（ENIAC）使用了1.8萬個電子管，其體積占據了167平方米，大約是一間半教室大小，且工程師們必須時時刻刻替換掉不斷燒壞的電子管，非常不便。由于電子管的缺點嚴重限制了其發(fā)展前景和應用范圍，人們一直希望用一種固態(tài)器件代替它。1945年，貝爾實驗室成立“半導體小組”，專門研究硅和鍺等新材料的屬性。經過不懈研究和大膽實踐，終于在1947年12月23日成功誕生了第一個點觸式晶體管，標志著電力電子技術的誕生，引發(fā)了電子技術的一場革命。而后陸續(xù)出現了全控性器件如門級可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極性晶體管（BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET），復合型器件如MOS控制晶閘管（MCT）等，以及電力電子集成電路（PIC）等。

電力電子元器件的發(fā)展離不開科學家們對科研事業(yè)的不斷追求和為人類文明進步所做出的巨大努力，他們都具有工匠精神。工匠，古指具有專長技藝的手藝人，現指專注于某一領域，在此領域內的產品研發(fā)制造過程中精益求精、一絲不茍地完成整個工序的每一個環(huán)節(jié)的愛崗敬業(yè)、具有創(chuàng)新精神的工作者。工匠精神是一種沉淀于長期從事某一行業(yè)的職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)品德，是一種嚴瑾細致的品質精神，是一種熱愛工作的職業(yè)精神，是一種勇于實踐的創(chuàng)新精神，是一種團結協(xié)作的團隊精神。電子管的誕生是基于當時的一個細微的“愛迪生效應”，作為謹小慎微、精益求精的科學家，愛迪生注意到這個現象并及時提出，這是一個科學家的責任和使命使然;晶閘管的問世已經有效解決了電子管的缺陷，但由于對更好品質的追求，各種全控性器件應運而生，這些都是工匠精神的有效體現。目前我國正處于中國制造向中國智造的轉變，經濟發(fā)展轉入中高速，這更強調生產產品的側重點由數量到質量的變化，而這種模式的變化，實際對工作者提出了更高層次的要求，培養(yǎng)其工匠精神就有了重大意義。

（二）變流技術發(fā)展史

變流技術的發(fā)展是我們國家科技的進步的一個體現。一個國家和民族要屹立于世界民族之林，需要強大的精神力量做支撐，堅實的物質基礎做驅動，完善的社會制度做保障?？萍际堑谝簧a力，是堅實物質基礎的源泉。人類自古以來就對自然有好奇心，善于從各種自然現象中總結科學規(guī)律，為了滿足人類的需求，各種技術工藝也在不斷進步。

二十世紀六十年代和七十年代的工業(yè)所用大功率用電設備由工頻為50Hz的交流電提供，但仍然有直流電動機和有色金屬和化工原料的直流電解等近五分之一的工業(yè)設備消耗的是直流電能。為了解決交流電能向直流電能的轉變，人們利用晶閘管和硅整流管做成三相橋式整流器等整流器件，推動了整流技術的發(fā)展;七十年代，由于交流電機具有結構簡單、堅固節(jié)能、功率覆蓋范圍大的特點，且當時電力電子元器件的蓬勃發(fā)展，又出現了巨型功率晶體管（GTR）、門級可關斷晶閘管（GTO）等器件做支撐，將直流電能轉變?yōu)榻涣麟娔艿哪孀兗夹g隨之開始出現;八十年代，為了解決電機調速問題，變頻技術也逐漸發(fā)展起來。之后又出現了通信用高頻開關電源、不間斷電源（UPS）、高頻逆變式整流焊機電源等技術。縱觀整個變流技術的發(fā)展，就是無數科研工作者牢記使命，兢兢業(yè)業(yè)，不斷創(chuàng)造科技新領域的結果。這樣的進步與科學家的努力和辛勤研究是分不開的。科學家的歷史使命，微觀上說是對國家和民族的發(fā)展做出貢獻，以提高其核心競爭力，宏觀上說則是心系整個人類文明的發(fā)展，為人類謀幸福。每個科研工作者都需牢記初心，不忘使命，力求對自然的不斷探索，拓展人類認知的新領域。

三、整流電路設計案例設計

回顧人類發(fā)展史，都是由“無”到“有”，再由“有”到“更好”的轉變。就針對我國能源發(fā)展來說，“大煉鋼鐵”時期為了實現“以鋼為綱，全面躍進”“超英趕美”等口號，舉國上下大量生產鋼鐵，只重產量而忽視質量，最后造成財力物力的極大浪費，這和我們目前提出的可持續(xù)發(fā)展理念是背道而馳的。而后隨著科技和生產力的發(fā)展，我國對能源的開發(fā)開采更注重質量，減少能源的浪費[4]。人類對能源的開采也是由經過這個過程一步步逐漸完善的。例如二十世紀六十年代和七十年代，工頻為50Hz的交流電可以滿足當時五分之四的大功率工業(yè)設備運作，但仍然有一些設備例如化工電解等設備需要直流電能。為了更好地利用電能，人們依托當時已經問世的晶閘管等元器件，開發(fā)了整流技術，可以將交流電能轉變?yōu)橹绷麟娔芄┥a實際需要，這是由“無”到“有”的過程。最開始的整流技術的主流是半波整流技術，它一般只需要一個晶閘管，只能導通電源的正半周或者負半波。它結構簡單，但是由于只能導通半個周期，輸出電能較少，電能損耗較大。隨后出現的全波整流器和全波橋式整流器則是可以導通電源全周期，輸出電壓比半波整流多一倍，整流效率高，其中的全波橋式整流器相比全波整流器更是可以少去變壓器副線圈的中心抽頭，降低了整流二極管承受的反向電壓，這是由“有”到“更好”的轉變。貫穿其中的控制方式，如通斷控制、相位控制和斬波控制，都是為了滿足特定需求而發(fā)展起來的，更體現出這種轉變過程。將來的中國將不斷深化“‘一帶一路能源合作關系”，在合作的廣度和深度上不斷擴展，力求使能源合作機制更加健全完善。

四、軟開關技術設計案例設計

二十世紀六十年代發(fā)展的直流-直流斬波PWM技術是一種硬開關技術。硬開關（Hard-Swithing）是指不考慮其他因素直接強行關閉或導通開關管，此時往往會出現開關導通時開關管兩端的電壓下降而電流上升，或者開關斷開時電壓上升而電流下降的現象，使得電壓波形和電流波形有重疊區(qū)域，從而導致了開關損耗，這對電能是一種消耗，不利于節(jié)能環(huán)保。與此同時由于開通和關斷的過程中電壓電流的急劇變化，其波形產生過沖，將產生噪聲，這不僅會影響電路的運行，甚至會損壞電子器件?？偨Y來說，硬開關對電能是一種浪費，對器件是一種損壞，對電路是一種干擾。它的缺點有：1. 開關損耗大。開關損耗包括開通損耗和關斷損耗，且頻率越高，損耗越大，是一種不利于節(jié)能環(huán)保和資源有效利用的副產物。2. 容性開放問題。開關器件在高壓下的導通將導致儲存在其中的結電容能量釋放在器件上，容易過熱燒壞。3. 感性關斷問題。器件關斷時，電路中變壓器漏感等的感性元件將產生過沖電壓，容易擊穿開關管[5]。與此同時二極管由開通到關斷的過程也需要一個恢復期，如果沒有等二極管完全關斷就關斷電路，很可能導致電路短路。4. 干擾問題。將電力電子器件和設備小型化的有效手段是高頻化，然而硬開關的高頻通斷會造成強烈的電磁干擾（EMI），對電路的運作十分不利。

硬開關的種種缺陷和我們國家提出的綠色協(xié)調的可持續(xù)發(fā)展理念是格格不入的。能源短缺與分布不均是世界性的問題，也是我國資源分布的一個寫照。由于資源分布不均，我國進行了西氣東輸、南水北調等工程。在這樣的大環(huán)境下，如何進行節(jié)能環(huán)保，減少能源的損耗，提高其利用率就顯得尤為重要，可以說，節(jié)能環(huán)保是解決能源問題的重要舉措。而節(jié)能環(huán)保則依靠循環(huán)經濟的發(fā)展和高新技術的開發(fā)來實現。七十年代以來，彌補硬開關缺陷的軟開關技術被研究出來，它是通過增設小電感或小電容等諧振器件使得開關管實現零電流開通或關斷，或者零電壓開通或關斷。這種情況下的開關損耗為零，極大節(jié)約了電能，有利于高頻電路設計。軟開關技術的興起解決了當時硬開關的缺陷和節(jié)能環(huán)保問題，所以說高新技術的發(fā)展是節(jié)能環(huán)保的必由之路。當前我國部分企業(yè)相比于國際巨頭企業(yè)的優(yōu)勢仍然是資源的高消耗和廉價的勞動力，而節(jié)能降耗的可用空間非常巨大，我們完全可以通過研發(fā)高新技術和促進循環(huán)經濟來節(jié)能環(huán)保，增加企業(yè)的競爭力。

軟開關技術的發(fā)展解決了硬開關固有的缺點。首先，由于軟開關通斷時其中的電壓或者電流為零，沒有了功率損耗，解決了開關損耗問題;軟開關在導通時電壓先降至零，電流再緩慢上升，由于電壓為零，不存在容性問題;軟開關在關斷時則是電流先下降到零，電壓在緩慢上升，由于電流為零，亦解決了感性關斷問題;軟開關適用于高頻率下的通斷，解決了電磁干擾問題。所以相比于硬開關，軟開關更加節(jié)約電能，突出了“高效環(huán)?！钡闹黝}。當代企業(yè)之間的競爭，除了技術創(chuàng)新的競爭外，更在于節(jié)能環(huán)保的競爭。生產單個產品所消耗的資源能源少一點，整個生產鏈上節(jié)約的資源都會是非常巨大的。軟開關的出現，消除了硬開關損耗掉的能源，對于節(jié)約資源具有重要意義。

五、電力電子技術實驗教學設計案例設計

電力電子技術作為一門應用性非常強的科目，包含的技術和理論是經過無數辛勤奉獻的科學家不斷地實驗得出的結果，經得起實踐的檢驗。學生們在掌握了相關理論知識后，用實驗的方式去驗證，也能培養(yǎng)其求真務實的學風，加深對知識的理解。例如脈沖寬度調制（PWM）技術，它的設想很早就被提了出來，即能否用一系列等高不等寬的脈沖信號代替各種輸入信號以便變頻變壓和反抑制諧波，但基于當時電力電子元器件發(fā)展的制約，沒能廣泛應用。直到上個世紀八十年代出現的全控性電子器件，PWM技術才逐漸發(fā)展起來，其典型應用是在逆變技術領域[6]?，F階段比較成熟的SPWM法、等脈寬PWM法、隨機PWM、矢量控制PWM等等，都是PWM技術的應用。學生們在做實驗過程中，通過比較輸入正弦波形得到的輸出波形和輸入等效脈沖得到的輸出波形，也能深刻理解這一技術。

人類社會知識體系的構造是在前人研究的基礎上進行更深層次的探索，得出新的結論，或驗證已有的技術方法，再推廣到其他領域，總趨勢是螺旋式上升、波浪式前進。而這種知識體系的搭建過程中極其重要的一個環(huán)節(jié)就是實驗。通過實驗，人們不僅可以驗證新提出的理論和構思是否正確，也可以通過實驗的衍生現象進行觀察和思考，迸發(fā)出新的靈感和想法，這兩者相互促進，形成正反饋，共同推進著人類認知的發(fā)展。對學生來說，單單從課本上得到的知識如果不通過實驗來驗證，總歸是抽象的，甚至是難以理解的。這個層面來說，課程實驗具有的巨大的作用和深遠的意義：1. 培養(yǎng)學生求真務實，探索真理的良好學風?？茖W研究需要膽大心細地提出新觀點新思路，但這不是天馬行空、毫無依據地憑空捏造，一切真理都需實驗去證實，科研工作者更應腳踏實地做學問。2. 加深學生對課程內容的理解，激發(fā)其學習興趣。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，自己的想法經過實驗的驗證后會給學生心理一種自信感，有助于激發(fā)學習熱情。3. 提高其動手實踐能力。通過實驗，學生們對某個原理或某一定律會有更加深刻的認知，在應用的過程中也提高了實踐能力?？偟膩碚f，電力電子技術是一門理論和實踐緊密結合的應用型學科，實驗占據了其重要一環(huán)。

六、電力電子技術科創(chuàng)設計案例設計

在高校中開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育更側重培養(yǎng)大學生勇于探索，大膽實踐的意識和精神，并通過相應項目的實踐訓練，提升學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[7]。電力電子技術的發(fā)展同樣也不能因循守舊，要有創(chuàng)新的新鮮血液。各種電力電子技術科創(chuàng)大賽的舉辦，更是推動了這門學科的課程體系改革和實驗室建設，比如政府主辦的全國大學生電子設計競賽（National Undergraduate Electronics Design Contest）、以創(chuàng)新和新能源利用為主題的GaN Systems杯高校電力電子應用設計大賽、由國際電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）主辦的國際未來能源挑戰(zhàn)賽（IFEC）等等，給廣大學生提供了創(chuàng)新和實踐的平臺，也是同學們展示電力電子知識的重要舞臺[8]。

各類電力電子科創(chuàng)競賽的參賽作品中不乏優(yōu)秀作品，許多都收錄編寫成了競賽書目，這些優(yōu)秀的設計案例都是新時代電力電子人才智慧的結晶，充滿創(chuàng)新性。學生們在研讀這些書目的時候，也是和這個領域的精英進行一次充滿思維火花的學術探討，有助于激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)新力。大學時期的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)沒有巨大的資本投入，容錯率較大，學生在這個時期積極參加各種電力電子競賽其實就是以較低成本積累了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的寶貴經驗，而參加競賽過程中的一次次提出新想法又遇到瓶頸的過程，不斷地鍛煉了學生的抗壓的心理素質;一次次的推陳出新，潛移默化地培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新實踐精神。

七、結束語

本文針對電子技術的教學特點，將“課程思政”和課程教學相結合，并分別將工匠精神和科學家使命、“一帶一路”能源合作關系、節(jié)能環(huán)保、求真務實的科學家精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神五個方面通過電力電子案例融入到課程體系中，力求在傳授學生專業(yè)課知識的同時培養(yǎng)其政治思想和道德品質，努力提升學生的精神素養(yǎng)。作為教育工作者，更應該不斷挖掘課程體系中的思政元素并運用到日常教學活動中，努力培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞臅r代新人。

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*基金項目：江蘇省教育廳高等教育教改研究課題“面向新工科的自動化專業(yè)工程實踐教育教學體系研究”（編號：2017JSJG150）;江南大學本科教育教學改革研究項目“自動化專業(yè)電類課程的課程思政‘一核四環(huán)教學體系設計與改革實踐”（編號：JG2019046）;江南大學本科教育教學改革研究項目“‘自動化一流專業(yè)建設的探索與實踐”（編號：JG2019007）

作者簡介：王子赟（1989-），男，漢族，江西撫州人，博士，副教授，研究方向：智能算法與電力變換技術：王艷（1978-），女，漢族，江蘇鹽城人，博士，教授，研究方向：工業(yè)智能制造;紀志成（1959-），男，漢族，浙江寧波人，博士，教授，研究方向：智能工業(yè)物聯(lián)。