“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”MOOC建設(shè)與混合式教學

［摘 要］ “現(xiàn)代電力電子技術(shù)”是面向工程碩士教育開設(shè)的一門線上線下混合式課程。由于此課程具有多學科交叉、面向工程實際、學習對象較復雜等特點，線上線下混合式教學方法和授課形式需要有針對性地設(shè)計。針對以上課程特點，分析并提出了該課程內(nèi)容選擇方案，提出了適應(yīng)線上線下教學的內(nèi)容編排方法，探討了線下授課的教學方法，形成了以課程設(shè)計為骨架，設(shè)計目標驗證為導向，結(jié)合小組討論匯報和答疑的混合式教學方案，提升了課程教學效果，培養(yǎng)了學生研究性學習的能力。

［關(guān)鍵詞］ 現(xiàn)代電力電子技術(shù)；線上線下混合式課程；教學方法

［基金項目］ 2022年度武漢大學研究生研究學分課程建設(shè)項目“新型機電系統(tǒng)動力學建模方法”（武大研字〔2012〕72號）

［作者簡介］ 黃 萌（1984—），男，湖北武漢人，博士，武漢大學電氣與自動化學院副教授，主要從事電力電子技術(shù)研究；孫建軍（1975—），男，江西新干人，博士，武漢大學電氣與自動化學院教授，主要從事電力電子技術(shù)研究；宮金武（1981—），男，湖北隨州人，博士，武漢大學電氣與自動化學院副教授，主要從事電力電子技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G643.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0125-04 ［收稿日期］ 2023-08-16

引言

電力電子技術(shù)是電力系統(tǒng)及其自動化中一個活躍的分支。它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而成的，已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的教學內(nèi)容。

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程基于利用半導體器件進行電能變換和控制的電力電子技術(shù)［1］，重點關(guān)注當前廣泛應(yīng)用的新能源發(fā)電裝置、柔性直流輸電系統(tǒng)、無功及諧波補償裝置等內(nèi)容。主要面向工程碩士研究生，讓學生掌握各種電力電子電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計計算方法；熟悉各種電力電子裝置的應(yīng)用范圍及技術(shù)指標。主要培養(yǎng)研究生從事電力電子裝置與系統(tǒng)的分析、工程設(shè)計方面的能力及一定的科研能力。

大規(guī)模在線公開課程MOOC（Massive Open Online Course）為學習者提供了新型的知識獲取渠道。茅靖峰等［2］對“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”教學中面向應(yīng)用型人才的教學實踐進行研究；趙益波［3］探討了課程設(shè)計對電力電子技術(shù)類課程學習的重要價值；張玲霞等［4］探討了MOOC時代的教學特征；賀雪晨［5］提出在線授課時需要在以授課為基礎(chǔ)的課堂模式中引入全新的教學理念及優(yōu)質(zhì)資源。本文從“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”線上線下混合式課程的教學特點及要求出發(fā)，對課程內(nèi)容建設(shè)和教學方法進行探討。

一、課程特點

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程擬使電氣工程碩士研究生進一步學習、探索以電力電子技術(shù)為核心的柔性裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟問題，是電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)的結(jié)合。由于融入了當前應(yīng)用廣泛的新能源發(fā)電、柔性直流輸電等內(nèi)容，且需實施在線視頻授課，本課程具有以下一些特點。

（一）多學科交叉，關(guān)注應(yīng)用型的問題

新能源發(fā)電應(yīng)用中，電力電子裝置是一個主要環(huán)節(jié)，但裝置的應(yīng)用場景差別很大。例如，我國西部地區(qū)地域廣闊，所采用的大都是大型光伏電站形式，光伏發(fā)電匯集到高壓直流輸電線路。而在東南部，土地資源有限，多是分布式發(fā)電形式，太陽能通過微型逆變器并入低壓配網(wǎng)。因此，在教學時需要從地理、經(jīng)濟、環(huán)境多學科角度分析電力電子應(yīng)用時的特點。與實際結(jié)合不僅使學生易于理解，并且能引起學生的學習興趣。

（二）系統(tǒng)較復雜，軟硬件結(jié)合

在傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)課程的教學中，對晶閘管、IGBT等器件進行了詳細介紹，側(cè)重于物理過程的分析；對拓撲結(jié)構(gòu)的教學側(cè)重于波形分析，強調(diào)物理過程。這樣的方法雖然給學生打下較好基礎(chǔ)，但是也弱化了電力電子應(yīng)用中數(shù)模電反饋電路、自動控制原理、工程應(yīng)用等方面的認知。學生對電力電子裝置與系統(tǒng)缺乏整體性的印象。對于工程碩士來說，學生更感興趣的可能是實用化的技術(shù)。

（三）線上線下混合授課帶來的困難

在線課程具有受眾廣、自由開放等一系列不言而喻的優(yōu)點，然而這種新的授課形式也帶來很多挑戰(zhàn)。首先，學生注意力容易轉(zhuǎn)移，學習的興奮點一旦失去，可能對課程迅速失去關(guān)注度。其次，也存在師生無法面對面實時溝通的問題，特別是在線課程實際上是在“放錄像”，學生出現(xiàn)問題無法及時解答，也無法把握學生的學習狀態(tài)。

二、教學方法探討

針對以上課程特點，參考其他在線課程的優(yōu)秀教學方法，筆者所在教學團隊擬對“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”在線課程做如下一些嘗試。

（一）線上課程視頻內(nèi)容選擇

本課程設(shè)計并錄制了五個章節(jié)的短視頻內(nèi)容，包括：基本變換類型及穩(wěn)態(tài)分析、電路建模與控制、PWM和軟開關(guān)技術(shù)、多電平與多重化技術(shù)、電力系統(tǒng)應(yīng)用。每段視頻大約在5～10分鐘，一共17段視頻。

課程內(nèi)容的選擇有以下幾方面考慮。一是與本科“電力電子技術(shù)”課程的承接性。本科“電力電子技術(shù)”課程主要包括了基本變換電路、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）技術(shù)、軟開關(guān)等內(nèi)容。因此，在工程碩士研究生課程教學中，側(cè)重點在于電力電子電路的建模與控制。功率變換類型的內(nèi)容為電路穩(wěn)態(tài)分析服務(wù)，PWM技術(shù)內(nèi)容為開關(guān)平均建模服務(wù)，軟開關(guān)技術(shù)則面向?qū)嶋H諧振變換器、移相全橋變換器，更具有實用性和針對性。二是與電力系統(tǒng)發(fā)展相結(jié)合。隨著新能源發(fā)電、直流輸電、柔性輸配電以及儲能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電力電子功率變換得到極大的發(fā)展。電力系統(tǒng)應(yīng)用對電壓和功率等級的要求日益提高，因此，多重化和多電平技術(shù)在本課程中進行了介紹。特別地，大功率風電和柔性直流輸電系統(tǒng)中對模塊化多電平（Modular Multi-level Converter， MMC）的需求日益迫切，課程中也單獨設(shè)立了一節(jié)對MMC的原理進行講授。

（二）線上課程視頻內(nèi)容編排

本課程的視頻大都控制在5～10分鐘，重點講述所對應(yīng)小節(jié)內(nèi)容的主線。以現(xiàn)代電力電子功率變換電路建模與控制章節(jié)為例。該章節(jié)分為四個小節(jié)，包括：開關(guān)斬波調(diào)制技術(shù)、小信號建模作用不小、“一機多能”的電力電子功率變換、電力電子系統(tǒng)中復雜行為。每個小節(jié)下設(shè)兩到三個知識點，如“一機多能”的電力電子功率變換小節(jié)，分別講授了電力電子系統(tǒng)的控制架構(gòu)、反饋控制設(shè)計及以新能源發(fā)電中的最大功率跟蹤技術(shù)為例展示具體分析設(shè)計流程。在內(nèi)容編排上，盡量避免復雜的公式推導。線上課程時長為8～15分鐘。

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”中的新能源、柔性直流輸電、諧波和無功補償?shù)葍?nèi)容，更適合于用圖片、動畫的方式直觀地向?qū)W生展示。例如，光伏發(fā)電P-U特性曲線呈現(xiàn)非線性特征，具有最大輸出功率點。而應(yīng)用較為廣泛的擾動-觀測法，本質(zhì)上就是一個動態(tài)調(diào)整的過程。因此，可以在在線授課時以動畫顯示工作點調(diào)整過程。首先，在確定的輻照度S條件下，光伏變換器啟動之后，工作點從原點開始沿P-U特性曲線移動，每次移動ΔU距離。當接近最大功率點時，工作點在曲線頂點來回移動。其次，當光照變化或者電池板被遮擋時，工作點發(fā)生跳變，從某條曲線跳到另一條。在風電應(yīng)用中，可以結(jié)合槳距角調(diào)節(jié)的內(nèi)容，已不僅僅局限于電力電子學知識。這些動態(tài)調(diào)整過程，非常適宜在在線課程中以動畫形式展現(xiàn)。

（三）線下課程教學模式

由于“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”是一門工程性、實用性較強的課程，因此制定合理的課程設(shè)計內(nèi)容，是激發(fā)學生學習興趣、提高教學質(zhì)量的重要途徑。線下課程由課程講座授課和仿真實驗兩部分結(jié)合。教師首先由線上課程內(nèi)容引出、梳理本節(jié)知識點。例如，小信號建模部分，從斷續(xù)導通模式下的DC-DC變換器出發(fā)，先介紹電流峰值控制和次諧波振蕩問題。然后根據(jù)開關(guān)狀態(tài)平均法建立小信號模型，進而分析模型的穩(wěn)定性和補償設(shè)計。

OBE（Outcome-based Education， OBE）教育理念中一個核心內(nèi)容是面向?qū)嶋H問題的案例教學。MatLab/Simulink仿真平臺是一個適合電力電子仿真設(shè)計、驗證的強大工具。教學過程中，通過仿真實例可以輕松解決波形抽象原理復雜的問題。而本課程中新能源發(fā)電、無功/諧波補償、柔性直流輸電裝置等主要功能均可在此平臺上實現(xiàn)。還是以光伏發(fā)電為例，教學時可借鑒工程設(shè)計流程，由教師定出設(shè)計指標，如表1所示。

學生根據(jù)設(shè)計指標，需要根據(jù)此應(yīng)用場合計算DC-DC變換器中電感電流參數(shù)，選擇開關(guān)器件并設(shè)計實現(xiàn)最大功率追蹤算法、PI調(diào)節(jié)算法并在Simulink中實現(xiàn)。系統(tǒng)主要部分框圖如圖1所示。在這種DC-DC變換器中，也建議學生采用峰值電流控制，觀察無斜坡補償情況下占空比D小于0.5和大于0.5情況下的工作情況。通過時域波形觀察次諧波振蕩現(xiàn)象。通過設(shè)置合適的波形采樣點，在分岔圖上觀察次諧波振蕩對應(yīng)的倍周期分岔現(xiàn)象，分析失穩(wěn)機理。在此基礎(chǔ)上，完成小信號建模和穩(wěn)定性分析，進而設(shè)計補償策略。

在教學過程中，可以讓學生先實現(xiàn)某個模塊功能，以此熟悉MatLab操作。進而再將整個系統(tǒng)作為課程設(shè)計，最終設(shè)計目標為系統(tǒng)以最大功率輸出。課程設(shè)計的各個步驟內(nèi)容對應(yīng)于教師考查重點，從電路設(shè)計、仿真應(yīng)用到設(shè)計目標的實現(xiàn)，各個層次考查學生實際應(yīng)用電力電子技術(shù)的能力。誠然，此系統(tǒng)距離實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)還有較大差距，但是可以讓學生通過此過程直觀認識現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用過程，提升學習興趣和成就感。

課程設(shè)計主要內(nèi)容包括五個方面：（1）新能源電力電子功率變換電路的理論分析；（2）電力電子拓撲選擇、依據(jù)性能要求進行器件參數(shù)的計算；（3）變換器控制算法的選擇，控制參數(shù)的計算，小信號建模與穩(wěn)定性分析；（4）基于Simulink的系統(tǒng)搭建，系統(tǒng)時域和頻率性能的軟件分析；（5）驗證設(shè)計目標，形成完整的設(shè)計技術(shù)報告。

以上五方面內(nèi)容對應(yīng)工程碩士的考查重點分別是：（1）理論分析用來檢驗學生理論知識的掌握情況；（2）參數(shù)計算用來考查學生能否進行簡單的電路設(shè)計；（3）算法選擇用來設(shè)計控制/調(diào)制算法是否合適；（4）軟件使用是課程的一個重點，主要考查學生能否熟練應(yīng)用軟件，包括分析軟件和仿真軟件；（5）設(shè)計目標對應(yīng)的是設(shè)計的驗證，主要考慮電壓/電流等指標是否能夠達到，并且形成報告等材料，提升總結(jié)技術(shù)問題的能力。

通過以上幾方面工作可以發(fā)現(xiàn)，在線上課程基礎(chǔ)上，線下課程更多是引導學生結(jié)合實際場景進行思考和實踐，并推動學生用動手實踐來驗證理論分析。

（四）反饋與答疑

線下課程還需考查學生的反饋情況。本課程組織學生以3～4人小組形式進行仿真實驗并準備匯報PPT。每個小組匯報5～8分鐘，教師現(xiàn)場點評。匯報中，一方面可以培養(yǎng)學生研究式學習的能力，了解資料和文獻的收集情況；另一方面，可以考查學生對知識點的運用情況，例如DC-DC變換器小信號模型的分析和穩(wěn)定性驗證。此外，小組匯報還能夠培養(yǎng)學生的表達能力和表達的科學性、邏輯性。根據(jù)學生反饋，對小組仿真和匯報內(nèi)容的理解和掌握是本課程的主要收獲。

網(wǎng)絡(luò)的便捷性使得教師答疑解惑不再受時間、地域限制。在線學習平臺網(wǎng)站實際上也是一個線上社區(qū)，學生通過發(fā)帖的方式，隨時提出問題，問題不僅可以被相關(guān)教師回答，還可以被其他同學回答。有統(tǒng)計表明，在互動平臺上的回答時間中間值只有22分鐘，遠比傳統(tǒng)課堂對學生的答疑要好得多。當然，教師如能在社區(qū)交流中進行引導，學生將能取得更好的學習效果。

通過以上幾方面工作，筆者對“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”線上線下課程混合式教學進行了實踐性的探索。雖然線上線下混合式教學具有靈活、精確性高、可控性強等特點，但是不可否認的是其也有不少局限性。這種模式對學生的要求更多，要取得很好的教學效果，需要學生在課前進行充分的預習，課后進行回顧與實踐。同時對教師的要求也更高，需要教師對課程安排更加精細?？偟膩碚f，線上教學以“教”為主，而線下教師則是提供一種學習的環(huán)境，重點在“育”。教師不僅是知識的傳播者，也是學生學習的引導者，是幫助學生學習的助手和朋友。

結(jié)語

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”在線課程是一門具有較強工程性和實踐性的工程碩士研究生課程。通過在線授課形象化知識點，借課程設(shè)計提出目標，學生在目標實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，輔以社區(qū)式的交流答疑，激發(fā)學生主動性，提升教學效果。目前，該課程線上部分已在MOOC網(wǎng)站“學堂在線”上線，累計報名學習人數(shù)4 000余人。課程的線下部分每學年開課一次，累計學生達數(shù)百人，課程效果良好。

參考文獻

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.4版.北京：機械工業(yè)出版社，2010：1-9.

［2］茅靖峰，顧菊平，王亞芳.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”教學實踐研究［J］.中國電力教育，2012（33）：32-33.

［3］趙益波.“電力電子技術(shù)”創(chuàng)新型課程設(shè)計探討［J］.電氣電子教學學報，2013，35（5）：111-112.

［4］張玲霞，閆允一，王輝，等.MOOC時代“電路分析”課程新教學模式探討［J］.電氣電子教學學報，2015，37（2）：19-21.

［5］賀雪晨.美國免費在線大學課程的啟示［J］.中國電力教育，2014（30）：27-28+32.