“五位一體”“電力電子技術(shù)”課程改革教學(xué)研究

侯恩廣 梁雪雙

山東交通學(xué)院 山東濟南 250357

1 概述

電力電子技術(shù)綜合了電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)等多學(xué)科知識,是采用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù),被廣泛地應(yīng)用于很多領(lǐng)域,例如交通領(lǐng)域、電力領(lǐng)域、能源領(lǐng)域等。為了滿足社會和經(jīng)濟發(fā)展對電力電子技術(shù)應(yīng)用型人才的需求,同時為了適應(yīng)目前自動化專業(yè)及電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)要求,筆者對電力電子技術(shù)課程進行了教學(xué)改革,探索總結(jié)出了多種教學(xué)手段和方法,不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且也提高了電力電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量,為培養(yǎng)高職技術(shù)技能人才提供了保障。

2 “電力電子技術(shù)”課程現(xiàn)狀分析

“電力電子技術(shù)”課程自開設(shè)以來,進行的相關(guān)教學(xué)改革研究雖然取得了一定的成績,但同時也存在許多問題。

2.1 教學(xué)方式單一,不能激發(fā)學(xué)習(xí)積極性

“電力電子技術(shù)”課程當(dāng)前主要存在著課程知識點多且雜、內(nèi)容抽象、授課學(xué)時相對不足等教學(xué)現(xiàn)狀。面對繁多復(fù)雜的知識點和有限的授課學(xué)時,為了全部傳授給學(xué)生,大部分授課教師往往采用“填鴨式”的教學(xué)方式,即教師在課堂上以講授知識點為教學(xué)的主要方式,學(xué)生們被動地接受內(nèi)容,在知識點的講解、分析、應(yīng)用與實踐等方面,難以對學(xué)生進行有效的引導(dǎo),導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣,因此參與課堂教學(xué)過程的積極性較低[1]。

2.2 課程內(nèi)容落后,缺少科技前沿的技術(shù)內(nèi)容

“電力電子技術(shù)”課程的授課內(nèi)容往往是以所選用教材的知識點為主,容易忽略科技前沿的技術(shù)知識。在國家“碳達峰,碳中和”建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略下,風(fēng)、光、電、儲等新能源飛速發(fā)展,作為新能源核心技術(shù)的電力電子技術(shù)已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略的高度,無論在技術(shù)材料,還是控制策略及方法,都取得了顯著的成果。然而,目前大部分教材中相應(yīng)的內(nèi)容并沒有及時更新和擴展,很少涉及最新的科技前沿技術(shù)知識和成果,所以,以目前教材所列知識點為教學(xué)大綱的授課方式,無法緊跟并匹配日新月異的科學(xué)技術(shù)[2]。

2.3 課程重點內(nèi)容銜接不流暢

“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)重點內(nèi)容主要是包括電力電子器件的結(jié)構(gòu)原理、電力電子變換器拓撲電路結(jié)構(gòu)和電力電子技術(shù)控制方法三個方面,且這三方面的內(nèi)容構(gòu)成了一個由簡到繁、逐層遞進的有機整體。

“電力電子技術(shù)”為專業(yè)必修課,學(xué)生們需要掌握扎實的基礎(chǔ)課程,例如數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)等,但是,實際的情況是基礎(chǔ)理論知識的掌握水平參差不齊,在教學(xué)過程中,導(dǎo)師部分學(xué)生無法跟上教師的課堂授課節(jié)奏,難以與教師進行課堂互動,更難以實現(xiàn)“碳達峰,碳中和”背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)。

2.4 教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用結(jié)合度低

隨著新型電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,其在軌道中也在不斷地推廣應(yīng)用。雖然電力電子器件都經(jīng)歷過從半控型器件晶閘管、全控型器件晶閘管及絕緣柵雙極型器件晶體管的發(fā)展過程,但是,由于絕緣柵雙極型器件晶體管(IGBT)屬電壓驅(qū)動的全控型器件,具有高開關(guān)頻率,較低損耗,且自保護能力強,因此目前世界上無論是高鐵、動車還是城市軌道電動車輛的電氣系統(tǒng)中均采用了IGBT的功率模塊。并且碳化硅、氮化鎵等新材料開始了進一步的應(yīng)用,這就要求教師及時補充軌道電氣領(lǐng)域的新知識[3-6]。

2.5 教學(xué)過程中缺少思政元素

“電力電子技術(shù)”課程在教學(xué)過程中雖然注重了知識的講授與傳遞,沒有充分重視“課程思政”,沒有深度挖掘?qū)I(yè)課程在思政教育上的作用,缺乏針對“思政元素”的教學(xué)目標(biāo)準(zhǔn)備的教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)、研究的教學(xué)方法,沒有與“思政課程”形成同向同行的協(xié)同效應(yīng)。

3 電力電子技術(shù)課程改革措施

本文針對“電力電子技術(shù)”目前存在的教學(xué)問題,開展“五位一體”電力電子技術(shù)教學(xué)改革,在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上,進一步提升實踐應(yīng)用。

五位一體教學(xué)改革圖

3.1 課堂講授法

對傳統(tǒng)的講授法進行優(yōu)化,主要措施包括:

3.1.1 進一步完善教材內(nèi)容

結(jié)合電力電子在軌道交通的發(fā)展新趨勢,豐富教材元素,加入介紹前沿科技的相關(guān)內(nèi)容。大學(xué)生是國家的未來,學(xué)生們的知識體系應(yīng)該是最前沿的,學(xué)生們接觸到的應(yīng)該是最前沿的科學(xué)技術(shù)。

3.1.2 進一步優(yōu)化仿真實踐環(huán)節(jié)

在掌握理論知識的基礎(chǔ)上,采用仿真軟件,講解仿真器件的選擇,仿真模型的搭建,進行仿真實驗,進一步加深對理論知識的理解。同時,通過仿真實驗環(huán)節(jié),培養(yǎng)學(xué)生求真嚴謹務(wù)實的學(xué)風(fēng),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此,在課程培養(yǎng)方案的制訂上,應(yīng)該進一步增加仿真實驗的教學(xué)課時,并進一步加長仿真實驗的時間,提高仿真實驗的比重;在教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計上,教師應(yīng)通過多種激勵方式和方法,激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心;在課程考核方式的制定上,細化完善考核的標(biāo)準(zhǔn),建立健全課程考核的制度。

3.1.3 進一步完善作業(yè)布置和講解環(huán)節(jié)

作業(yè)的布置需要考查不同側(cè)重點,讓學(xué)生們學(xué)以致用。教師在講解作業(yè)時,僅僅依據(jù)電力電子技術(shù)內(nèi)容是遠遠不夠的,還應(yīng)和前沿技術(shù)結(jié)合起來,通過作業(yè)以點帶面,全面鋪開,擴展學(xué)生的知識面。通過上述多種舉措,不斷完善“電力電子技術(shù)”課程的授課體系。

3.2 階段性測試

階段性測試是教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況的一個重要方法,階段性測試的目的主要是檢驗學(xué)生對當(dāng)前階段所學(xué)知識的掌握情況,評估學(xué)生是否達到進行下一階段學(xué)習(xí)的要求。同時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的問題,找到解決這些問題的方法。

3.2.1 激發(fā)學(xué)習(xí)積極性的命題方式

簡單易做、答案不易出錯的基礎(chǔ)試題可以增強學(xué)習(xí)困難的學(xué)生繼續(xù)學(xué)好的信心,較難易錯的題目可以提醒學(xué)習(xí)較好的學(xué)生仍需認真學(xué)習(xí),仍有需要不斷發(fā)展和完善的地方。通過這種命題方式,保障學(xué)生的考試成績維持在相對合理或者較高的狀態(tài),有利于激勵學(xué)生的求知興趣,保持較高的積極性。

3.2.2 促進教學(xué)順利進行

階段性測試是為課程教學(xué)服務(wù)的,同時課程教學(xué)也反過來促進提升學(xué)生的測試成績,只有將階段性測試和課程教學(xué)有機結(jié)合起來,才能激發(fā)一加一大于二的化學(xué)效果。階段性測試命題與課程教學(xué)內(nèi)容的有機結(jié)合,階段性測試為課程教學(xué)服務(wù),使階段性測試成為學(xué)生學(xué)習(xí)的指揮棒;課程教學(xué)為階段性測試服務(wù),進一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.3 非固定答案(論文作業(yè))

小論文作業(yè)對于學(xué)生來說,具有非常重要的意義,表現(xiàn)在以下方面:

(1)有利于學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改革。本科教學(xué)雖說脫離了高中教學(xué),但是在形式上還留有很重的痕跡。對于研究生來說,小論文的寫作已經(jīng)成為必修課程。我們在本科階段一定程度地布置小論文作業(yè),能夠加速學(xué)生向研究生階段的轉(zhuǎn)變。

(2)有利于學(xué)生掌握基本知識,提高思想認識和培養(yǎng)綜合能力。當(dāng)學(xué)生對于某一些知識點不了解時,會主動地查閱文獻資料,尋求答案,在尋求答案的過程中得到鍛煉。

(3)有利于培養(yǎng)學(xué)生求真嚴謹務(wù)實的學(xué)風(fēng)。在論文寫作過程中,所用到的論據(jù),必須經(jīng)過嚴格的論證,要求學(xué)生必須實事求是,這對于培養(yǎng)學(xué)生求真嚴謹務(wù)實的學(xué)風(fēng)有著十分重要的作用。

3.4 仿真操作

MATLAB軟件中的SIMULINK工具包,提供了豐富的電力電子器件模塊,具有強大的仿真計算能力,學(xué)生可以直接搭建仿真模型。新建SIMULINK仿真文件后,學(xué)生可以直接從相應(yīng)的模塊庫里進行拖拽添加操作,根據(jù)電路原理結(jié)構(gòu)進行連接即可搭建仿真模型。仿真模型的建立過程,一方面可以進一步加深學(xué)生對電力電子的器件及電路的理解;另一方面,電力電子技術(shù)的電路原理結(jié)構(gòu)和輸入輸出波形的直觀呈現(xiàn),使學(xué)生的參與度得到進一步提升,積極性和主動性也得到進一步提高。同時,既降低了實驗操作安全風(fēng)險,也突破了實驗場地的限制[7]。

引入MATLAB/SIMULINK虛擬仿真技術(shù)的實驗,與傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)課程實驗相比,通過仿真軟件搭建的模型,可以非常直接地觀測電壓電流等波形,進一步提高了學(xué)生們的參與度,激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情,更能提高電力電子技術(shù)的教學(xué)效果。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下,根據(jù)理論知識,基于MATLAB/SIMULINK軟件,親手搭建仿真模型,修改調(diào)試模型結(jié)構(gòu),完善設(shè)計更綜合的電力電子電路,對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力非常有益。學(xué)生的參與度提高了,調(diào)試遇到的問題也增多了,在解決調(diào)試問題的過程中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力自然也有會所進一步提升。

3.5 代碼生成及實物調(diào)試

為進一步培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力,采購了PTS-5000系列電力電子開發(fā)設(shè)計與實訓(xùn)系統(tǒng),開展代碼生成和實物調(diào)試,該系統(tǒng)以電路分析、設(shè)計、仿真、實驗等過程進行問題導(dǎo)向?qū)W習(xí),根據(jù)轉(zhuǎn)換器規(guī)格進行量化設(shè)計其電力電路與控制器,并由PSIM仿真驗證和SimCoder撰寫程序過程,讓使用者更深入地了解電力電子的相關(guān)技術(shù)。使用者可以通過PSIM軟件,由仿真控制管道學(xué)習(xí)電力轉(zhuǎn)換器的原理、分析及設(shè)計,還可以通過實訓(xùn)系統(tǒng)的SimCoder軟件工具將模擬電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路,然后,將DSP的電路再做一次軟件仿真驗證,最后,將仿真通過的程序代碼燒錄于DSP芯片中,進一步驗證所設(shè)計電路及控制系統(tǒng)的正確性。

3.6 融入思政元素

本文主要將工匠精神、愛國精神、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、家國情懷、法治意識等思政元素融入“電力電子技術(shù)”教學(xué)中,在教學(xué)內(nèi)容中加入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的相關(guān)知識,從學(xué)生熟知的中國領(lǐng)先技術(shù)入手,使學(xué)生認識到電力電子技術(shù)在新能源、智能電網(wǎng)、智慧城市乃至其他社會應(yīng)用中的重要性,了解中國電力電子裝備技術(shù)的自主研發(fā)實力及取得的成就,激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和文化自信,幫助學(xué)生樹立科學(xué)的發(fā)展觀,激發(fā)學(xué)生的家國情懷和奮斗精神[8]。

結(jié)語

本文通過研究分析“電力電子技術(shù)”課程的目前教學(xué)現(xiàn)狀,針對教學(xué)過程中的問題,提出了“五位一體”的電力電子技術(shù)課程改革措施,并在每個環(huán)節(jié)融入思政元素,幫助學(xué)生們樹立科學(xué)發(fā)展觀,激發(fā)學(xué)生的家國情懷和奮斗精神,進而提高學(xué)生的積極性,提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,幫助學(xué)生更好地了解行業(yè)需求,使其能夠達到就業(yè)單位對本科生的要求。