“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)探索及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的升級(jí)改造＊

劉曉紅，于 艷

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109）

“電力電子技術(shù)”課程是青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電自化、電氣化、測(cè)控專業(yè)的必修課、學(xué)科基礎(chǔ)課，課程組成員多年來一直在教學(xué)、科研過程中不斷探尋課程教學(xué)改革和實(shí)踐。期間歷經(jīng)教學(xué)評(píng)估、專業(yè)認(rèn)證、新冠疫情、互聯(lián)網(wǎng)等對(duì)課程建設(shè)帶了的沖擊和挑戰(zhàn)，順應(yīng)時(shí)代需求進(jìn)行了多次教學(xué)改革和實(shí)踐研究，取得了一定的教學(xué)成果，本文將從教學(xué)體系構(gòu)建和教學(xué)方法探索等方面介紹青島農(nóng)業(yè)大學(xué)課程教學(xué)改革的現(xiàn)狀。

1 課程教學(xué)體系的構(gòu)建

原有的教學(xué)模式中，僅設(shè)置了“電力電子技術(shù)”40學(xué)時(shí)的理論課程和16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程。后面陸續(xù)加入了“開關(guān)電源技術(shù)”和“變頻調(diào)速技術(shù)”2門選修課程。整個(gè)課程體系中，實(shí)踐環(huán)節(jié)尤為重要，課題組根據(jù)實(shí)際需要，在原有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，開發(fā)了斬控式交流調(diào)壓、開關(guān)電源等模塊，大大豐富了學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)也啟發(fā)學(xué)生從各個(gè)角度或?qū)用嫒グl(fā)掘?qū)嶒?yàn)臺(tái)問題并去加以完善和升級(jí)。隨著課程內(nèi)容的不斷深入、后續(xù)課程競(jìng)賽設(shè)計(jì)等需求的增加以及多屆畢業(yè)學(xué)生的反饋信息，課程組人員一致認(rèn)為應(yīng)該擴(kuò)展電力電子實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)用面，讓更多學(xué)生參與進(jìn)來，都能對(duì)該課程體系有一個(gè)完整的了解和認(rèn)識(shí)，因此構(gòu)建了現(xiàn)在的課程體系。

在整個(gè)“電力電子技術(shù)”教學(xué)過程中，堅(jiān)持以學(xué)生為根本，因材施教，根據(jù)學(xué)生掌握情況進(jìn)行個(gè)性、多樣化教學(xué)方式。首先給學(xué)生介紹“電力電子技術(shù)”在本專業(yè)的地位以及今后可能的工作、考研方向，讓學(xué)生對(duì)該課程有最直接的認(rèn)識(shí)，激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。其次樹立一個(gè)課程體系框架，讓學(xué)生了解相關(guān)課程之間的關(guān)系，先開課程能為該課程提供知識(shí)支撐，本課程內(nèi)容重點(diǎn)及其側(cè)重點(diǎn)能引導(dǎo)后續(xù)課程。以點(diǎn)帶面，掌握最近的理論實(shí)踐本領(lǐng)，并在此基礎(chǔ)上能夠根據(jù)工程實(shí)際需求，迅速切入研究點(diǎn)，找到解決方法。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)“電力電子技術(shù)”課程群如圖1所示，其中電機(jī)拖動(dòng)為先開課程，課程中的變壓器、交直流電機(jī)工作原理、啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速等為“電力電子技術(shù)”課程的先修知識(shí)點(diǎn)。通過該課程的學(xué)習(xí)，首先應(yīng)該認(rèn)識(shí)到電機(jī)在工程應(yīng)用中的重要作用，其次是電機(jī)在應(yīng)用中通過何種方式來實(shí)現(xiàn)它的作用，最后要知道電機(jī)本身存在問題及如何提升等等。從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，針對(duì)某一特定應(yīng)用，需要機(jī)電傳動(dòng)，根據(jù)要求，匹配電機(jī)，電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)以及保護(hù)，控制需求，引出電力電子控制技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，學(xué)以致用，學(xué)起來才會(huì)更有激情[1]。

圖1 “電力電子技術(shù)”課程群

電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域，使用電力電子器件，對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)[2]。應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娏︻I(lǐng)域，注意強(qiáng)電、弱電、隔離等概念和運(yùn)用。大部分同學(xué)在學(xué)校所接觸的電路和設(shè)計(jì)基本局限于某一部分，學(xué)生對(duì)整體概念理解不夠。局限于某次成功，而不是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，對(duì)抗干擾、散熱等概念的運(yùn)用不夠深入。此處引入對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過運(yùn)行效果，讓學(xué)生直觀感受細(xì)節(jié)的重要性?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”理論課程教學(xué)分為六大模塊進(jìn)行，如圖2所示。電力電子器件為應(yīng)用基礎(chǔ)，理解原理，重點(diǎn)學(xué)會(huì)選用。例如二極管派生器件的講述，引入普通硅整流二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管的對(duì)比應(yīng)用電路，詳細(xì)說明電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)、重要參數(shù)的選取等，學(xué)以致用，活學(xué)活用。從半導(dǎo)體特性入手，了解如何提高導(dǎo)電能力、耐壓能力以及器件的發(fā)展歷程，啟迪學(xué)生結(jié)合時(shí)政探索器件在國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要作用，完成課程小論文。在課程教學(xué)的同時(shí)完成必要的思政教育，了解目前國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，國家目前處境，我們應(yīng)該怎么做、可以怎么做[3]。同時(shí)，學(xué)會(huì)小論文的撰寫、文獻(xiàn)的查詢和整理工作。

圖2 “電力電子技術(shù)”理論知識(shí)模塊

AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC四大基本變換電路[4]，重點(diǎn)掌握基本拓?fù)潆娐饭ぷ髟恚瑢W(xué)會(huì)分析方法，繪制波形，理解波形在電路運(yùn)行和故障分析的作用。開關(guān)電源技術(shù)是DC-DC基本電路的應(yīng)用，變頻調(diào)速技術(shù)是AC-AC基本電路的應(yīng)用，均為專業(yè)選修課程，感興趣的同學(xué)可以在此方向進(jìn)一步學(xué)習(xí)。課程中的兩大控制技術(shù)分別為PWM和軟開關(guān)控制技術(shù)，重點(diǎn)為PWM的應(yīng)用，拋磚引玉，提出思路，發(fā)展趨勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生自主探究?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，課程設(shè)置目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力。因此，一個(gè)完善的知識(shí)體系很重要，經(jīng)過多年的探索和研究，目前青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院“電力電子技術(shù)”課程體系如圖3所示。

圖3 “電力電子技術(shù)”課程體系

“電力電子技術(shù)”理論課程著重給學(xué)生建立一個(gè)完備的課程框架和最基礎(chǔ)的理論知識(shí)，此部分設(shè)置40學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)課程共設(shè)置16學(xué)時(shí)、8個(gè)實(shí)驗(yàn)，有基本的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己理論知識(shí)掌握情況選做合適的實(shí)驗(yàn)。這2個(gè)模塊的教學(xué)僅僅是引導(dǎo)學(xué)生入門，對(duì)電力電子技術(shù)有初步的了解和認(rèn)識(shí)，為了讓學(xué)生有足夠的分析和設(shè)計(jì)能力，在教學(xué)改革中逐漸引入后面幾個(gè)環(huán)節(jié)，并將“電力電子技術(shù)”理論課程和實(shí)驗(yàn)課程合二為一，使得理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)接更加緊密。理論先導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)探索，理論實(shí)踐結(jié)合，提升學(xué)習(xí)效果，最終的綜合測(cè)試更能檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)情況。有效避免了部分同學(xué)重理論輕實(shí)踐的思想，實(shí)踐中出真知，改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)和思維方式，不斷從實(shí)踐中探索，提升理論知識(shí)的掌握。實(shí)踐環(huán)節(jié)注重學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際調(diào)試思維能力。一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就作為一個(gè)完整的實(shí)踐對(duì)象，從電路模塊選擇、電路搭建、調(diào)試到波形測(cè)試和故障排除，多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不斷強(qiáng)化，再到后面畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生將會(huì)有足夠的能力參與電力電子電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作[5]。

仿真環(huán)節(jié)要求學(xué)生能夠掌握Matlab和Pspice等幾種仿真軟件的基本用法、原理，能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行建模、仿真及結(jié)果分析。從仿真角度思考修改器件等參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響和公式的驗(yàn)證。課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生能夠針對(duì)某一特定的應(yīng)用確定基本拓?fù)潆娐?、器件和控制方式（模擬、單片機(jī)、PLC），要求學(xué)生有較高的分析和綜合設(shè)計(jì)能力。課程設(shè)計(jì)時(shí)間為兩周，首先根據(jù)要求做方案，仿真驗(yàn)證方案可行性，搭建焊接、調(diào)試，最后完成答辯。希望進(jìn)一步探索電力電子技術(shù)的學(xué)生可以選修后續(xù)的專業(yè)選修課程“開關(guān)電源設(shè)計(jì)”和“變頻調(diào)速設(shè)計(jì)”[6]。

2 教學(xué)方式的探索

電力電子技術(shù)涉及強(qiáng)、弱電，應(yīng)用極其廣泛，技術(shù)更新和發(fā)展速度都非?？欤请姎忸悓I(yè)學(xué)生必備的專業(yè)知識(shí)。為了提高教學(xué)效果，課程組對(duì)教學(xué)方式方法進(jìn)行了不斷的探索。

2.1 線上線下混合式教學(xué)

為全面了解學(xué)生課前、課中、課后的具體學(xué)習(xí)情況，根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合課程及授課對(duì)象的特點(diǎn)，引入“雨課堂”或“學(xué)習(xí)通”等智慧教學(xué)工具開展線上線下混合式教學(xué)。對(duì)于基礎(chǔ)概念和簡(jiǎn)單常識(shí)性知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生可以跟隨線上視頻反復(fù)學(xué)習(xí)，通過線上習(xí)題，不斷查缺補(bǔ)漏。難點(diǎn)和重點(diǎn)則在線下由學(xué)生和教師一起探索和挖掘。

2.2 仿真軟件的引入

電力電子技術(shù)電路應(yīng)用于電力領(lǐng)域，高壓環(huán)境使實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在一定的安全隱患，不能實(shí)時(shí)實(shí)地為學(xué)生解惑，仿真軟件的引入可以很好地解決這個(gè)問題。在基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)后，引入仿真環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生能夠更好地理解仿真跟實(shí)際電路的關(guān)系，熟悉哪些環(huán)節(jié)可以仿真模擬，哪些環(huán)節(jié)還需實(shí)際電路進(jìn)一步驗(yàn)證，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作都能打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的升級(jí)改造

實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)是工科實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于“電力電子技術(shù)”這門偏應(yīng)用的基礎(chǔ)課程來說。近年來，各大高校都增加了此部分的投入。“電力電子技術(shù)”課程是青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)科群中電自化、電氣化、測(cè)控專業(yè)的必修課、學(xué)科基礎(chǔ)課，學(xué)生有了基本的理論知識(shí)后，更愿意去實(shí)踐、去應(yīng)用[7]。

電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室升級(jí)改造，建設(shè)“開放型數(shù)字電力電子”實(shí)驗(yàn)室，是學(xué)院當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)水平的一次大幅度的提升，使得教學(xué)過程中開設(shè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目更加貼近當(dāng)前電力電子及電氣傳動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)環(huán)境，能夠大大提高青島農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，同時(shí)探索開設(shè)“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)，能夠極大提高實(shí)驗(yàn)比例、增加學(xué)生理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)和能力，使青島農(nóng)業(yè)大學(xué)的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)直接與當(dāng)前企業(yè)對(duì)技術(shù)人員的需求形成無縫對(duì)接，符合中國當(dāng)前卓越工程師的方針政策。本次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的升級(jí)改造包含了開放的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和高級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，以滿足不同階段的實(shí)踐要求。

為了給學(xué)生提供更好的實(shí)踐環(huán)境，電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了模塊化實(shí)驗(yàn)和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生可以選用簡(jiǎn)單的模塊搭建拓?fù)潆娐?，?qū)動(dòng)電路，接入基于單片機(jī)或PLC的控制電路，即可完成電力電子應(yīng)用電路的測(cè)試。亦可以在半實(shí)物仿真平臺(tái)構(gòu)建負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)，驗(yàn)證控制思路

3.1 開放的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)共設(shè)置22個(gè)可選實(shí)驗(yàn)，涵蓋了電力電子器件特性測(cè)試、電力電子器件觸發(fā)電路測(cè)試、整流電路、逆變電路、直流斬波、交流調(diào)壓等方面。教師可以根據(jù)學(xué)生的具體學(xué)習(xí)情況，選適合的實(shí)驗(yàn)以鞏固學(xué)習(xí)效果。此部分平臺(tái)建設(shè)的第一個(gè)原則是模塊化，更便于教師管理、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和后期維護(hù)。第二個(gè)原則是“透明”，以前的實(shí)驗(yàn)電路封閉在殼子里，學(xué)生只能從外殼繪制的電路去體會(huì)、感知，學(xué)生的印象不深，跟著指導(dǎo)書做，人云亦云。升級(jí)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在學(xué)生面前是透明的，學(xué)生可以清楚看到實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的具體電路、器件，實(shí)驗(yàn)過程也具有啟發(fā)性，啟發(fā)學(xué)生探索，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)效果會(huì)有不同的實(shí)現(xiàn)途徑。學(xué)生沉浸式的學(xué)習(xí)，可以把各科所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，學(xué)生更愿意去學(xué)、去探索、去實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)接口使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備更具有開放性，可以服務(wù)于更高、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程。第三個(gè)原則是開放性，每個(gè)模塊都有標(biāo)準(zhǔn)的接口，各個(gè)模塊都可以分別被半實(shí)物仿真或高級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)用，用以完成不同的實(shí)驗(yàn)效果。

3.2 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

復(fù)雜的電力電子電路和系統(tǒng)需要更多的邏輯關(guān)系和算法支持，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)已不能滿足。為滿足電力電子與電力傳動(dòng)方向的學(xué)生學(xué)習(xí)要求，構(gòu)建了半實(shí)物仿真平臺(tái)。該平臺(tái)結(jié)合了基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)和通用可靠的NI硬件，學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)知識(shí)，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，仿真研究各信號(hào)和器件之間的關(guān)系，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析、修正。在半實(shí)物仿真平臺(tái)上將已經(jīng)驗(yàn)證過的仿真模型拆分為硬件電路和軟件電路，分別編譯下載到對(duì)應(yīng)的FPGA模塊中，即可通過示波器觀測(cè)實(shí)際波形，進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近于實(shí)際，可以讓學(xué)生更能體會(huì)實(shí)際的系統(tǒng)工作過程和設(shè)計(jì)流程，同時(shí)也可以為教師科研提供一種手段，并能大大縮減研究周期。

3.3 高級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

完整的電力電子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)提高學(xué)生認(rèn)識(shí)和動(dòng)手能力都是十分必要的，因此構(gòu)建了高級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了Matlab控制仿真和DSP代碼轉(zhuǎn)換，省去了復(fù)雜的DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程，拉近了學(xué)生和DSP應(yīng)用的距離。DSP系統(tǒng)運(yùn)行后，通過USB接口把系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)上傳到監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件用LabWIEW編寫。該系統(tǒng)已應(yīng)用于本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和教師的科研工作，為不同的對(duì)象提供了設(shè)計(jì)思路。

4 結(jié)論

文章介紹了青島農(nóng)業(yè)大學(xué)近年來對(duì)“電力電子技術(shù)”教學(xué)的研究和探索，建立了適合學(xué)校實(shí)際情況的電力電子課程體系，給學(xué)生構(gòu)建完備的課程框架，夯實(shí)理論基礎(chǔ)知識(shí)，提供開放的實(shí)踐環(huán)境，引入多種教學(xué)方式。雖然取得了一定的教學(xué)成果，但仍需要長(zhǎng)期的堅(jiān)持和不斷的完善。