工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

蔣云昊 丁穩(wěn)房 張杰 胡睿 伍科

摘 要 工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)電力電子技術(shù)課程的教學(xué)提出了更高的要求。為改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，提高課程教學(xué)質(zhì)量，在課程教學(xué)中引入CDIO教學(xué)理念。本文介紹了工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念和CDIO的教學(xué)模式。并對(duì)將仿真技術(shù)和CDIO教學(xué)方法融入課堂教學(xué)的教學(xué)過程進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 工程教育專業(yè)認(rèn)證 CDIO 仿真技術(shù) 不間斷電源

中圖分類號(hào)：G424?????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.041

Abstract Engineering education professional certification raises the higher requirement for power electronics course. In order to improve the traditional teaching method and improve the teaching quality of the power electronics course， the teaching idea of CDIO is introduced into the classroom teaching. This paper introduces the core idea of the engineering education professional certification and the teaching mode of CDIO. The teaching process of course teaching integrated by simulation technology and CDIO is discussed.

Keywords engineering education professional certification; CDIO; simulation technology; UPS

0 引言

電力電子技術(shù)課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課。電力電子學(xué)科屬于電力、電子和控制領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涉及較為廣泛的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，要求高、難度大。作為能源領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)的智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)離不開電力電子技術(shù)的發(fā)展。電力電子技術(shù)的進(jìn)步和突破將為電力能源領(lǐng)域的發(fā)展提供重要支撐。因此，電力電子技術(shù)課程在電氣工程專業(yè)課程體系中的重要性不言而喻。

在新一輪高等教育改革中，工程教育專業(yè)認(rèn)證受到各高校的普遍重視。工程教育專業(yè)認(rèn)證是目前國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。其核心理念是產(chǎn)出導(dǎo)向、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)。產(chǎn)出導(dǎo)向，即成果導(dǎo)向，要求教育教學(xué)圍繞畢業(yè)生的能力和素質(zhì)進(jìn)行;以學(xué)生為中心要求將學(xué)生視為學(xué)校教育服務(wù)的中心;持續(xù)改進(jìn)則要求建立教育過程質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制、畢業(yè)生跟蹤反饋機(jī)制和社會(huì)評(píng)價(jià)機(jī)制，形成持續(xù)有效的質(zhì)量改進(jìn)機(jī)制。工程教育專業(yè)認(rèn)證的實(shí)施關(guān)鍵是要深化課堂教學(xué)改革。

電力電子技術(shù)課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是課堂理論教學(xué)、課后練習(xí)與答疑以及若干基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。結(jié)合學(xué)時(shí)數(shù)和課程體系的實(shí)際，主要借助集成化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展以認(rèn)知性為主的實(shí)驗(yàn)。電氣工程專業(yè)認(rèn)證對(duì)電力電子技術(shù)課程支撐畢業(yè)的要求主要有三點(diǎn)：（1）具備本專業(yè)的基礎(chǔ)理論，包括基本概念和分析方法;（2）將工程和專業(yè)知識(shí)用于電氣裝備制作和電力系統(tǒng)運(yùn)行問題的設(shè)計(jì)與優(yōu)化;（3）能夠根據(jù)對(duì)復(fù)雜工程問題的抽象、分解和建模結(jié)果，設(shè)計(jì)合理的總體解決方案和各個(gè)子問題的解決方案。由專業(yè)認(rèn)證對(duì)課程的要求看，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難滿足該需求。CDIO（Conceive-構(gòu)思，Design-設(shè)計(jì)，Implement-實(shí)施，Operate-運(yùn)行）教學(xué)模式是MIT等著名高校經(jīng)過數(shù)十年的實(shí)踐和改進(jìn)完善，創(chuàng)立的新型工程人才培養(yǎng)模式。該教學(xué)模式的最大特點(diǎn)是與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)效果。由于引入了項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐方式，實(shí)施得當(dāng)將可以滿足專業(yè)認(rèn)證對(duì)課程支撐畢業(yè)的要求。

1 基礎(chǔ)理論仿真模型構(gòu)建與教學(xué)

由于電力電子技術(shù)課程內(nèi)容多、時(shí)間緊，課堂主要以理論講授為主。通用仿真軟件的使用難以安排在課堂詳細(xì)講解，但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的普及使用，學(xué)生具備通過自學(xué)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和相互討論等方式進(jìn)行Matlab等仿真軟件學(xué)習(xí)的能力。課程開始就需要布置大家學(xué)習(xí)軟件使用的任務(wù)，并緊密結(jié)合課程教學(xué)的基本拓?fù)潆娐酚嗅槍?duì)性地練習(xí)，從而提高軟件使用的學(xué)習(xí)效率。

電力電子技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容主要圍繞四大基本拓?fù)潆娐氛归_，由于電力電子電路屬于強(qiáng)非線性電路，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析十分困難，主要通過電路工作過程結(jié)合電路波形進(jìn)行分析和簡單計(jì)算。因此，對(duì)于一個(gè)簡單的拓?fù)潆娐?，分析工作就顯得比較煩瑣，學(xué)生對(duì)電力電子電路的分析思路和方法的學(xué)習(xí)很不適應(yīng)。傳統(tǒng)課程的講授主要以靜態(tài)展示穩(wěn)態(tài)為主，無法完整展現(xiàn)電路的實(shí)際工作過程，學(xué)生學(xué)習(xí)中對(duì)電路工作原理的把握缺乏信心。引入仿真技術(shù)，可以對(duì)電路的完整工作過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)再現(xiàn)，從而加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生盡快適應(yīng)電力電子電路的分析方法，同時(shí)使學(xué)生具備基本的仿真工具使用和建模分析能力。課堂講授過程中，融入基本電力電子電路的動(dòng)態(tài)工作過程仿真呈現(xiàn)，然后進(jìn)行電路工作原理、波形分析和計(jì)算的講解，同時(shí)預(yù)留部分基本仿真電路由學(xué)生自主完成，以提高學(xué)生的基本仿真分析能力，為項(xiàng)目化教學(xué)與仿真實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

2 基于CDIO理念的項(xiàng)目化教學(xué)與仿真實(shí)踐

CDIO理念在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用和實(shí)踐能力的同時(shí)，還培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和系統(tǒng)工程觀念等。在基本理論的仿真模型構(gòu)建與教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生已經(jīng)具備了基本的仿真能力，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)入項(xiàng)目化實(shí)踐環(huán)節(jié)。

項(xiàng)目選題主要圍繞電力電子四大拓?fù)潆娐芳捌鋺?yīng)用電路展開。教師給出若干方向和選題，也可由學(xué)生自主選題，教師把關(guān)。選題設(shè)計(jì)的要求需結(jié)合CDIO理念，做到具體明確。每一個(gè)選題可由學(xué)生分組完成，每組學(xué)生自行確定分工，并完成以下內(nèi)容：

（1）構(gòu)思。進(jìn)行文獻(xiàn)檢索閱讀和分析，可以規(guī)定文獻(xiàn)閱讀的數(shù)量和質(zhì)量，比如不少于20篇，其中EI/核心以上不少于10篇。要求了解所選電路的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，通過方案的比較確定最終設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路。

（2）設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的設(shè)計(jì)方案和思路，在技術(shù)參數(shù)的要求下，進(jìn)行具體電路各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和器件選型。要求設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)依據(jù)和分析推導(dǎo)過程，杜絕定性化設(shè)計(jì)。

（3）實(shí)施。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，通過仿真軟件搭建仿真模型。

（4）運(yùn)行。對(duì)仿真模型仿真運(yùn)行，修正錯(cuò)誤，改進(jìn)電路設(shè)計(jì)，分析仿真結(jié)果。

（5）報(bào)告。最終形成設(shè)計(jì)報(bào)告，要求報(bào)告內(nèi)容和格式規(guī)范，明確分組中每位同學(xué)的工作及其工作量比例。可提供統(tǒng)一的模板以進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)內(nèi)容要求和規(guī)范設(shè)計(jì)報(bào)告。

這里給出一個(gè)UPS不間斷電源的分組設(shè)計(jì)實(shí)例，先給出最終設(shè)計(jì)報(bào)告的目錄，如圖1所示，再對(duì)其中的主要部分做一定說明。

該設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)在線式UPS電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在構(gòu)思階段，通過文獻(xiàn)的閱讀和分析，了解到不間斷電源在生產(chǎn)和生活中的廣泛應(yīng)用，與其他開關(guān)電源一樣，具有集成化、模塊化、高頻化、數(shù)字化、綠色化等發(fā)展趨勢(shì)。明確了UPS電源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和選題的設(shè)計(jì)意義。研究層面的總結(jié)缺乏，但作為本科生的課程學(xué)習(xí)實(shí)踐，要能真正從研究層面做出歸納總結(jié)比較困難。在文獻(xiàn)參考的基礎(chǔ)上給出了總體設(shè)計(jì)方案，如圖2所示，并對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的具體電路方案進(jìn)行了比較和選擇。AC-DC環(huán)節(jié)比較了單相半波不控整流、單相橋式不控整流、單相橋式相控整流和PWM整流電路，從變換器效率、功率因素以及電能質(zhì)量考慮，選擇了PWM整流電路。DC-AC環(huán)節(jié)，通過比較單相半橋和全橋逆變電路后選擇了全橋逆變電路，控制方式上選擇了簡單的電壓反饋。在儲(chǔ)能變流器方面，通過比較Buck-Boost電路和雙向DC-DC電路，最后選擇了雙向DC-DC電路。

在設(shè)計(jì)階段，對(duì)方案中的具體電路進(jìn)行了較為細(xì)致的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)較為充分。AC-DC、DC-AC和儲(chǔ)能變流器的設(shè)計(jì)過程，給出了電路圖和原理介紹，在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上給出了部分器件的參數(shù)要求和選型。給出了濾波電路的分析設(shè)計(jì)，給出了保護(hù)電路的簡單方案和電路設(shè)計(jì)。

實(shí)施和運(yùn)行階段，選擇了Matlab作為仿真工具，介紹了其基本功能，在電力電子技術(shù)方面的使用方法。通過Matlab仿真進(jìn)行了原理性的驗(yàn)證，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了一定程度的分析。由于傳統(tǒng)電力電子課程中的授課內(nèi)容主要集中在電力電子基本電路的原理講解，對(duì)由其構(gòu)成的實(shí)用電路，特別是控制方法的介紹不是重點(diǎn)，所以實(shí)踐報(bào)告中的控制部分對(duì)學(xué)生來說有不小的難度。仿真中的控制環(huán)路原理性仿真也遇到很大困難和挑戰(zhàn)。在今后的電力電子技術(shù)課程改革中，需要對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，增加該部分內(nèi)容的講授。這將有利于學(xué)生從主電路到控制環(huán)路對(duì)電力電子電路有一個(gè)較為完整和深入的認(rèn)識(shí)，也有利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)一步的提高。

報(bào)告內(nèi)容的整體格式較規(guī)范。從報(bào)告排版上，以畢業(yè)設(shè)計(jì)的排版格式要求為參照，培養(yǎng)學(xué)生報(bào)告撰寫的規(guī)范性和嚴(yán)謹(jǐn)性。但從該次課程的學(xué)生總體報(bào)告規(guī)范性看，不太理想，特別是參考文獻(xiàn)格式比較亂。反映出學(xué)生對(duì)規(guī)范性要求的重視程度不夠，部分學(xué)生缺乏耐心。今后的課程中要提高學(xué)生對(duì)規(guī)范性要求的認(rèn)識(shí)。

學(xué)生分組：學(xué)生A主要負(fù)責(zé)查閱資料，形成總體方案，并撰寫引言和總體方案部分;學(xué)生B主要負(fù)責(zé)具體電路方案的比較和選擇，并負(fù)責(zé)AC-DC主電路設(shè)計(jì)，撰寫相應(yīng)部分報(bào)告;學(xué)生C負(fù)責(zé)DC-AC、DC-DC電路設(shè)計(jì)，并撰寫相應(yīng)報(bào)告;學(xué)生D負(fù)責(zé)控制方法選擇和仿真，并撰寫相應(yīng)報(bào)告。

3 電力電子裝置及綜合實(shí)踐平臺(tái)參觀與實(shí)操

為提高學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，結(jié)合省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目的有關(guān)電力電子裝置（如APF、SVG等）和微電網(wǎng)等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，組織學(xué)生參觀講解和適當(dāng)?shù)牟僮?，擴(kuò)展學(xué)生的課程視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為今后的繼續(xù)學(xué)習(xí)和深造打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文介紹了電力電子技術(shù)課程的在電氣工程專業(yè)課程體系中的重要地位和特點(diǎn)，以及工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念及其對(duì)電力電子技術(shù)課程的要求。給出了CDIO項(xiàng)目化教學(xué)與仿真技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于電力電子技術(shù)課程教學(xué)的實(shí)例。對(duì)在電力電子技術(shù)課程中融入CDIO教育理念以達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)課程教學(xué)改革的要求進(jìn)行了初步探討，以期能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提升教學(xué)質(zhì)量。

教研項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201902181009）

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