大工程觀融入“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”教學(xué)方法

陳燕東 段獻忠 謝志為 伍文華 羅 安

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 長沙 410082)

電力電子技術(shù)以其在電能變換與控制方面的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于能源、冶金、航空航天、軌道交通等行業(yè)[1]。尤其隨著“雙碳”目標、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)等重大舉措的提出，以電力電子裝備為核心接口的新能源發(fā)電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的占比持續(xù)提高，呈現(xiàn)“雙高”特征，現(xiàn)代電力電子變換理論與技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用凸顯。

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程作為電力電子變換理論與技術(shù)學(xué)習(xí)傳播的重要媒介之一，其課程教學(xué)與實踐方法對電力電子技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)意義重大[2-3]。然而，當前“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)與實踐培養(yǎng)模式較為單一、以市場需求為導(dǎo)向的創(chuàng)新培養(yǎng)意識薄弱，缺乏多維協(xié)同的教學(xué)與實踐培養(yǎng)方法來全面提升學(xué)生綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力。

在學(xué)生課堂教學(xué)方面，傳統(tǒng)教學(xué)觀念桎梏[4]，局限于理論知識灌輸，課堂教學(xué)方式較為單一，學(xué)生主體性缺失。學(xué)生課堂教學(xué)普遍存在以“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”書本教材為中心、教師機械式灌輸?shù)膯栴}，缺乏針對性指導(dǎo)的教學(xué)模式。另外，隨著全球化、信息化飛速發(fā)展，電力電子技術(shù)不斷更新迭代[5]，當前教材版本上的教學(xué)內(nèi)容陳舊，與前沿科技脫節(jié)，使得學(xué)生專業(yè)視野受限。并且，電力電子技術(shù)領(lǐng)域工程案例教學(xué)匱乏，工程應(yīng)用未能與課程內(nèi)容密切結(jié)合，對課堂教學(xué)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。亟需創(chuàng)新課堂教學(xué)模式，增強學(xué)生主體性；即時更新教學(xué)內(nèi)容，緊跟電力電子技術(shù)發(fā)展前沿；引入工程案例，培養(yǎng)學(xué)生從工程應(yīng)用角度思考問題的意識。

在學(xué)生創(chuàng)新實踐方面，當前培養(yǎng)模式下學(xué)生的主動創(chuàng)新意識不足[5]，實踐活動參與度低，且大部分實踐平臺不夠完善。學(xué)生實踐多以理論驗證和簡單應(yīng)用為目的[6-7]，慣于直接接受和掌握現(xiàn)成的實踐經(jīng)驗，導(dǎo)致學(xué)生原創(chuàng)性成果稀少。實踐活動多以觀摩與虛擬仿真為主，學(xué)生實踐過程動手難，缺乏參與感和興趣，導(dǎo)致“小而不愿為、大而不敢為”。學(xué)生實踐平臺功能相對單一，當前高校與企業(yè)實踐平臺多為基礎(chǔ)性實踐功能，僅能起到課堂教學(xué)的輔助作用。綜合性實踐和創(chuàng)新性實踐的實踐平臺較少且開放性不強，導(dǎo)致部分學(xué)生進行創(chuàng)新實踐訓(xùn)練時“有心無力”。另一方面，當前創(chuàng)新實踐教育模式中校企合作對接程度較低，學(xué)生實踐內(nèi)容與行業(yè)市場發(fā)展存在脫節(jié)的問題，難以滿足市場對于復(fù)合型人才的需求，亟需完善實踐教學(xué)體系。

現(xiàn)階段國家重大工程和科技前沿的重大成果多為多專業(yè)高度交叉與深度融合的結(jié)果，世界科技發(fā)展趨勢已由依賴單一學(xué)科進入了多學(xué)科交叉協(xié)同的大工程觀時代[8]。而一些高校學(xué)生培養(yǎng)限于單一專業(yè)領(lǐng)域，缺乏多學(xué)科交叉融合，導(dǎo)致學(xué)生不敢并且不愿去鉆研多學(xué)科交叉的瓶頸難題，具備多學(xué)科交叉協(xié)同的大工程觀創(chuàng)新型人才稀缺。沿用傳統(tǒng)教學(xué)觀念的“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)與創(chuàng)新實踐教育缺乏大工程觀，師生對多學(xué)科交叉的工程創(chuàng)新認知不足。當今時代的教學(xué)應(yīng)重視工程的系統(tǒng)性和完整性，全面提升教師和學(xué)生的大工程觀以及攻克大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)工程的能力。

對此，提出了大工程觀融入“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程教學(xué)與實踐方法，通過革新課堂教學(xué)模式與深化“四位一體”實踐教學(xué)平臺建設(shè)，協(xié)同培養(yǎng)大工程觀綜合型專業(yè)素質(zhì)人才。

1 大工程觀人才培育的內(nèi)涵

國內(nèi)諸多大工程的瓶頸技術(shù)面臨卡脖子的困境，具備多學(xué)科交叉協(xié)同的大工程觀創(chuàng)新型人才稀缺，提升多學(xué)科交叉協(xié)同的大工程觀對師生雙重創(chuàng)新驅(qū)動能力、大工程觀的大國工匠培養(yǎng)及“民族振興”的中國夢有著重要的支撐和保障。

在教育中注重學(xué)生的大工程觀培育，應(yīng)關(guān)注學(xué)科交叉互融。通過多交叉學(xué)科專家講堂，打破學(xué)科壁壘，重視大工程問題的本質(zhì)，提升多學(xué)科交叉的理論水平；組建多學(xué)科交叉協(xié)同的科研創(chuàng)新團隊，培養(yǎng)師生整合運用多學(xué)科理論和手段解決復(fù)雜工程問題的能力，并促成團隊協(xié)作意識。例如，湖南大學(xué)的電能變換與控制創(chuàng)新團隊，涵括了電力、機械、物理、材料等多個領(lǐng)域的科研教師和工程師，著手于國家或企業(yè)的重大工程難題，培育電力電子技術(shù)領(lǐng)域多樣化、全方面知識儲備型創(chuàng)新人才。

同時，利用平臺優(yōu)勢，通過校級平臺培訓(xùn)基礎(chǔ)技能，基于省級平臺鍛煉綜合能力，依托國家平臺提升創(chuàng)新水平，培養(yǎng)高素質(zhì)型人才。學(xué)校通過開放國家工程技術(shù)研究中心等國家級科研平臺，召開院士論壇和前沿學(xué)術(shù)會議，邀請國內(nèi)外頂級團隊講學(xué)，拓展工程視角及格局；言傳身教工匠精神，培育攻堅克難、勇攀高峰的科研精神和吃苦耐勞、不畏艱辛的科研作風(fēng)；重視工程的系統(tǒng)性和完整性，培育過程貫穿方案設(shè)計、裝備研發(fā)、運行、調(diào)整、驗收的整個周期，全面提升教師和學(xué)生的大工程觀以及攻克大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)工程的能力。

大工程觀電力電子技術(shù)領(lǐng)域人才培育可通過將其內(nèi)涵融入“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”的課堂教學(xué)、實踐教學(xué)來實現(xiàn)。

2 革新課堂教學(xué)

融入大工程觀的“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中，以學(xué)生作為課堂教學(xué)中心及主體，實行教師“輔助導(dǎo)學(xué)”，把教師單向授課轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒p向互動授課，在工程實例的分析中，讓學(xué)生自己提出問題，并引導(dǎo)解決，實現(xiàn)學(xué)生“自主學(xué)習(xí)、知識掌握、能力培養(yǎng)”，并通過院士論壇、學(xué)術(shù)講座、熱點推送的形式，開拓學(xué)生視野。打造引導(dǎo)式教學(xué)、工程實例分析教學(xué)、多樣化教學(xué)工具、定期學(xué)術(shù)交流相結(jié)合的多維靈活互補課堂，在專業(yè)教育中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新激情、獨立分析與解決問題的能力，如圖1所示。

(1)點撥引導(dǎo)式教學(xué)，開拓學(xué)生思維。建立教師引導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)的啟發(fā)式教學(xué)模式，采用發(fā)散教學(xué)法，即以點帶面、由淺入深，循序漸進的教學(xué)方法，在向?qū)W生傳授知識的同時，不斷拓寬學(xué)生的視野、開拓他們的思維，培養(yǎng)學(xué)生具有舉一反三的能力，使他們能夠主動汲取新知識、勇于發(fā)現(xiàn)問題并能創(chuàng)造性地解決問題；師生緊密聯(lián)系、積極溝通，通過“壓擔子給激勵”的方式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新激情、獨立分析與解決問題的能力；倡導(dǎo)團隊“傳幫帶、共成長”精神，共同鉆研面向電力電子技術(shù)領(lǐng)域國家和市場需求的技術(shù)瓶頸問題，實現(xiàn)教師和學(xué)生的雙重創(chuàng)新驅(qū)動，形成師生共贏的新局面。

(2)工程實例分析教學(xué)，踐行“從實踐中來、到實踐中去”。結(jié)合“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”的基本理論方法，引進國家需求、前沿技術(shù)、工程應(yīng)用和科研實踐等大量實例貫穿課堂教學(xué)內(nèi)容，使之返璞歸真，理論方法源自實踐、服務(wù)于實際，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為專業(yè)素質(zhì)提升奠定基礎(chǔ)。比如，以電力電子變換器為并網(wǎng)接口的風(fēng)/光等新能源規(guī)模日益增大，高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)，掌握電力電子相關(guān)理論與技術(shù)，可以穩(wěn)定控制新能源發(fā)電裝備、對裝備的運行特性進行分析，助力我國“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的穩(wěn)步推進，為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與能源可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。另外，授課教師結(jié)合自身科研經(jīng)歷，講解開發(fā)裝備、研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)過程，通過師生互動授課，營造求知與活躍的課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生從事高端技術(shù)研發(fā)的熱情。

(3)多樣化教學(xué)工具，提高學(xué)生課堂積極性。在課堂教學(xué)中，除常規(guī)教學(xué)手段外,利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，如電子教案(PPT)、多媒體課件(CAI)等。目前，湖南大學(xué)“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程組已有100%的教師在課堂中采用了多媒體教學(xué)，現(xiàn)在課程組已形成有多個版本、各具特色的多媒體課件。現(xiàn)代教育技術(shù)手段的應(yīng)用，一方面擴大了教學(xué)的信息量，精簡了授課學(xué)時，另一方面充分利用了多媒體的動畫效果，使得傳統(tǒng)教學(xué)方式下被認為抽象、難以理解的內(nèi)容，變得形象、直觀、生動和容易理解。注重教學(xué)內(nèi)容與時俱進，利用信息化手段，將最新研究成果通過教學(xué)網(wǎng)站更新或課堂穿插，及時反映到學(xué)生課堂中，保障課程的先進性和前沿性。為提高學(xué)生對專業(yè)知識的掌握度，“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程利用“雨課堂”APP提醒學(xué)生做好預(yù)習(xí)，并開展隨堂測驗，將隨堂測驗問題分為“難而不繁”及“繁而不難”兩種，對“難而不繁”的問題，多采用板書的方式重點講解，同時結(jié)合多媒體課件進行重復(fù)，加深印象；對“繁而不難”的問題，注重方法與技巧的講解，充分挖掘這些知識點與前續(xù)課程的關(guān)聯(lián)，有利于學(xué)生梳理“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”關(guān)鍵知識點的學(xué)習(xí)思路。并將隨堂測驗的結(jié)果記錄，分析學(xué)生知識掌握的程度，制定有針對性的課后加強練習(xí)計劃，提高學(xué)生對知識點的掌握度。緊跟科技前沿，及時通過“雨課堂”APP推送電力電子領(lǐng)域發(fā)展新動向、新政策，使學(xué)生能及時了解行業(yè)發(fā)展趨勢，同時開拓學(xué)生視野，保證教學(xué)內(nèi)容的前沿性。

(4)定期開設(shè)學(xué)術(shù)交流活動，助力學(xué)生了解學(xué)術(shù)前沿。教學(xué)中注重采用專題講座、學(xué)術(shù)報告、學(xué)術(shù)討論等多種形式來豐富教學(xué)手段、強化學(xué)習(xí)效果。例如，每期課堂教學(xué)中均邀請電力電子技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜疫M行3～4次專題講座和學(xué)術(shù)報告，讓學(xué)生們了解學(xué)術(shù)前沿和科研實踐前沿；每兩周進行一次學(xué)術(shù)討論的方式有利于引導(dǎo)科學(xué)探索思維，以問題解析的形式激發(fā)直覺與靈感。

3 深化“四位一體”實踐平臺教學(xué)

融入大工程觀的“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程應(yīng)深化實踐教學(xué)，從工程難題出發(fā)，著力打造專業(yè)實踐、社會實踐、工程實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育“四位一體”實踐教學(xué)平臺，培養(yǎng)綜合素質(zhì)人才，如圖2所示。

圖2 形成“四位一體”實踐教學(xué)平臺

(1)聚焦專業(yè)實踐培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識，提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。以湖南大學(xué)“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程教學(xué)為例，依托國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心的實驗設(shè)備，以實踐操作加深學(xué)生對課本知識的掌握；以任務(wù)劃分、責(zé)任劃分培養(yǎng)學(xué)生崇尚勞動、認真負責(zé)的品質(zhì)；通過悉心指導(dǎo)與動手實踐建立并強化學(xué)生自信心，在實踐的過程中體會到學(xué)習(xí)的樂趣，以增強學(xué)習(xí)積極性與創(chuàng)新性；以標準化的操作流程及管理規(guī)定規(guī)范實踐中的言行，培養(yǎng)學(xué)生成為具備良好行業(yè)素養(yǎng)的創(chuàng)新人才。在向?qū)W生傳授知識的同時，由點及面、由表及里，不斷擴大他們的視野和思維空間，有效地進行創(chuàng)新思維訓(xùn)練，使學(xué)生具有舉一反三、觸類旁通、自我開發(fā)新知識、發(fā)現(xiàn)和解決新問題的能力。課程結(jié)束后，要求學(xué)生根據(jù)項目自選問題，編寫電力電子仿真程序，自定求解方法，自編仿真案例，自行實物驗證仿真結(jié)果。鼓勵并積極指導(dǎo)學(xué)生參與“全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽”“中國研究生能源裝備創(chuàng)新設(shè)計大賽”等學(xué)科競賽，有力支撐學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。

(2)引導(dǎo)社會實踐增強學(xué)生社會責(zé)任感，工程實訓(xùn)提高學(xué)生工程實踐能力?；诤洗髮W(xué)國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心平臺及建立的湖南省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新實踐基地，指導(dǎo)學(xué)生開展社會實踐與工程實訓(xùn)工作。在社會實踐方面，對接社會熱點，培養(yǎng)學(xué)生社會實踐能力，增強新工科背景下學(xué)生的科技創(chuàng)新能力和工程實踐能力，參與指導(dǎo)學(xué)生企業(yè)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)等實踐活動。畢業(yè)實習(xí)過程中，通過畢業(yè)實習(xí)指導(dǎo)老師結(jié)合自己實際科研經(jīng)驗為學(xué)生講解實習(xí)過程中接觸的設(shè)備，真正做到把專業(yè)學(xué)習(xí)和社會實踐活動有機結(jié)合起來。在工程實訓(xùn)方面，從工程技術(shù)難題出發(fā)，以學(xué)生自身興趣因材施教，并明確研究目標，調(diào)動實踐積極性、增強參與度。通過企業(yè)工程項目責(zé)任分工，從細節(jié)著手培養(yǎng)良好的科研習(xí)慣；通過工程項目階段討論，使師生廣泛互動，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。帶領(lǐng)團隊師生完成國家電網(wǎng)、國有企業(yè)、民營企業(yè)等多個橫向工程課題項目，有利于大幅提高學(xué)生們的工程實踐能力。

(3)創(chuàng)新實踐教育與市場需求緊密結(jié)合，哺育電氣工程領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，在市場引導(dǎo)中，以行業(yè)發(fā)展需求為目標，鼓勵學(xué)生自覺抵制不利于社會發(fā)展的市場行為，樹立正確的市場價值取向；通過與高素質(zhì)的企業(yè)科技人才、領(lǐng)導(dǎo)人才交流、溝通，培養(yǎng)工科學(xué)生市場觀念；結(jié)合行業(yè)龍頭企業(yè)的優(yōu)秀企業(yè)文化及科研合作，培養(yǎng)學(xué)生攻堅克難的能力，建立“學(xué)院實踐平臺、學(xué)校實訓(xùn)平臺、國家科技園孵化平臺”為一體的創(chuàng)新實踐基地，為學(xué)生實踐提供平臺支撐。將高校創(chuàng)新實踐與國家發(fā)展建設(shè)需求緊密結(jié)合，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐中踐行育人責(zé)任，積極引導(dǎo)學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、創(chuàng)“芯”大賽等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，讓學(xué)生在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中鞏固專業(yè)知識，在專業(yè)教育中提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，為社會發(fā)展培養(yǎng)大批勇于創(chuàng)新實踐、善于攻堅克難、具有高度社會責(zé)任感、能服務(wù)于國家和人民的高素質(zhì)人才。

4 育人成效

課程組教師一同實施大工程觀融入“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”的課程教學(xué)與實踐方法，效果顯著。

一方面，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論時，關(guān)注前沿技術(shù)、行業(yè)現(xiàn)狀、市場需求等，提高了學(xué)生對于重大工程、多學(xué)科交叉、集成創(chuàng)新的認知，增強了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)興趣和能力。近3年，指導(dǎo)的學(xué)生積極參加各類科技競賽，獲國家級一等獎2項、二等獎2項，獲省級一等獎5項。其中，中國研究生電子設(shè)計大賽全國一等獎1項、中國研究生能源裝備創(chuàng)新設(shè)計大賽全國一等獎1項。在全國“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽上，獲得銀獎1項。在湖南省“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽上，獲得一等獎2項。

另一方面，開拓了學(xué)生視野，激發(fā)了學(xué)生進行國內(nèi)外專業(yè)交流的興趣及熱情，提升了學(xué)生綜合素質(zhì)和自信心。近3年，10余位同學(xué)參加國際高水平學(xué)術(shù)會議；多名畢業(yè)生赴國際知名大學(xué)攻讀碩士/博士學(xué)位；學(xué)生以第一作者在IEEE等國際權(quán)威期刊發(fā)表的SCI論文30余篇。2人獲“湖南省優(yōu)秀博士學(xué)位論文”等。

5 結(jié)語

針對“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)與實踐培養(yǎng)模式單一、市場導(dǎo)向的創(chuàng)新培養(yǎng)意識薄弱、缺乏多維協(xié)同培養(yǎng)方法來全面提升學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力等關(guān)鍵問題，課程組提出了大工程觀融入“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程教學(xué)與實踐方法，打造引導(dǎo)式教學(xué)、工程實例分析教學(xué)、多樣化教學(xué)工具、定期學(xué)術(shù)交流相結(jié)合的靈活互補課堂，形成專業(yè)實踐、社會實踐、工程實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育“四位一體”實踐教學(xué)平臺，通過課堂教學(xué)與實踐教學(xué)協(xié)同培養(yǎng)大工程觀綜合型專業(yè)素質(zhì)人才。