基于電力電子技術(shù)的進(jìn)階式工程能力訓(xùn)練體系構(gòu)建

摘 要 隨著新工科和一流課程建設(shè)的不斷深入，提高工程教育質(zhì)量，培養(yǎng)專業(yè)知識(shí)扎實(shí)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、創(chuàng)新思維活躍的新工科人才，對(duì)課程教學(xué)提出了新的要求。文章針對(duì)電力電子技術(shù)課程在實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，在課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加分組調(diào)研和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，持續(xù)開展課外實(shí)踐活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位立體化的工程能力訓(xùn)練。實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)能力顯著提高，工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到提升。

關(guān)鍵詞 新工科；電力電子技術(shù)；工程能力訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.01.022

Construction of Advanced Engineering Capability Training System

Based on Power Electronics Technology

YANG Lingling， TANG Xiongmin

（School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510006）

Abstract With the continuous deepening of new engineering and first-class curriculum construction， improving the quality of engineering education， cultivating new engineering talents with solid professional knowledge， rich engineering practice experience， and active innovative thinking， new requirements have been put forward for curriculum teaching. The article addresses the problems in practical teaching of power electronics technology courses. Based on course experiments， group research and simulation experiments are added， and extracurricular practical activities are continuously carried out to achieve comprehensive and three-dimensional engineering ability training. The practical results show that students' learning enthusiasm and self-learning ability have significantly improved， and their engineering practice ability and innovation ability have been enhanced.

Keywords new engineering; power electronics technology; engineering ability training

新工科建設(shè)是我國(guó)工程教育主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動(dòng)[1]。新工科以立德樹人為引領(lǐng)[2]，培養(yǎng)理想信念堅(jiān)定，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的工科人才[3]。隨著新工科建設(shè)的不斷深入，更加強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜實(shí)際工程問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[4]。

電力電子技術(shù)是自動(dòng)化專業(yè)和電氣工程專業(yè)的必修課，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐的能力是教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5]。在課程建設(shè)中，如何深化工程思維能力和實(shí)踐能力訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，是課程組教師應(yīng)持續(xù)思考、不斷實(shí)踐并反復(fù)改進(jìn)的方向。

1 實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

電力電子技術(shù)由電力學(xué)、電子學(xué)、控制理論三大學(xué)科復(fù)合交叉而成，是采用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛。電力電子技術(shù)是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，除了具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝R(shí)體系外，還具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，課程學(xué)習(xí)中需要學(xué)生投入大量的時(shí)間和精力。由于課程內(nèi)容難度較大，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解往往不夠深入，導(dǎo)致其在實(shí)踐中仍存在諸多問題。

1.1 學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不足，學(xué)習(xí)動(dòng)力不強(qiáng)

很多學(xué)生僅滿足于完成課程要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書記錄的參數(shù)波形和數(shù)值完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生未能全面構(gòu)建自己的知識(shí)體系，缺乏對(duì)課程實(shí)驗(yàn)綜合性和工程實(shí)用性的理解。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用有限

實(shí)驗(yàn)教學(xué)要與理論教學(xué)相配合，所以課程實(shí)驗(yàn)安排的均是經(jīng)典電力變換電路實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書接線，完成相關(guān)參數(shù)檢測(cè)，驗(yàn)證電力電子技術(shù)理論的正確性。由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能基本固定，新實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)難以拓展實(shí)施，學(xué)生也無法將新技術(shù)應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)，割裂了理論與實(shí)驗(yàn)的密切聯(lián)系，課程的工程實(shí)用性難以體現(xiàn)。

1.3 實(shí)踐教學(xué)缺少延續(xù)性，難以形成完整的實(shí)踐能力訓(xùn)練體系

電力電子技術(shù)與前后課程的關(guān)系緊密，但由于專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的學(xué)時(shí)壓縮，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)略講或不講，導(dǎo)致學(xué)生存在一定的知識(shí)“盲區(qū)”。各門課程各自為政，對(duì)重合的知識(shí)點(diǎn)缺少統(tǒng)一的規(guī)劃，因此知識(shí)體系間的銜接出現(xiàn)斷裂。學(xué)生在實(shí)踐中難以將相關(guān)課程內(nèi)容進(jìn)行有效銜接。

1.4 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系有待改進(jìn)

課程實(shí)驗(yàn)部分的評(píng)價(jià)包括實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。很多學(xué)生過分追求實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，不愿意花時(shí)間進(jìn)行深入思考和分析。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的區(qū)分度不大，很難體現(xiàn)出學(xué)生的工作量以及對(duì)問題的分析能力。

2 進(jìn)階式工程能力訓(xùn)練體系構(gòu)建

進(jìn)階式工程能力訓(xùn)練體系見圖1。其中分組調(diào)研階段和虛擬仿真階段與課程同步進(jìn)行；課外實(shí)踐階段與課程同步開始并持續(xù)進(jìn)行；進(jìn)階訓(xùn)練階段是課外實(shí)踐環(huán)節(jié)的延續(xù)，包括學(xué)科競(jìng)賽、科研項(xiàng)目，可持續(xù)至畢業(yè)設(shè)計(jì)。

2.1 分組調(diào)研

電力電子技術(shù)是研究電能的技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在課程的緒論部分，通常會(huì)介紹電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域。因此，教師可在學(xué)期初布置調(diào)研任務(wù)，要求學(xué)生分組調(diào)研電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電、直流輸電、電動(dòng)汽車、軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、高頻開關(guān)電源等領(lǐng)域中的應(yīng)用，并分析具體應(yīng)用中涉及的技術(shù)問題。

由于學(xué)生初次接觸本課程，缺少對(duì)電力電子技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的了解，需要教師指導(dǎo)學(xué)生開展調(diào)研。得益于線上教學(xué)的廣泛開展，教師和學(xué)生之間的交流渠道日益增多。課程組使用智慧樹教學(xué)平臺(tái)，建設(shè)了“電力電子技術(shù)”線上課程；課堂教學(xué)采用雨課堂，及時(shí)發(fā)布課件、作業(yè)和相關(guān)學(xué)習(xí)資料。借助各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具，師生之間的交流可以實(shí)時(shí)進(jìn)行，教學(xué)指導(dǎo)更具個(gè)性化。

通過查閱、分析和總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)資料，學(xué)生可全面了解電力電子技術(shù)的需求和新進(jìn)展，明確電力電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中的地位，增強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的意愿和自覺性。在新能源發(fā)電、直流輸電、電動(dòng)汽車、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域，我國(guó)的電力電子技術(shù)處于世界領(lǐng)先行列，甚至引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。調(diào)研過程能夠充分激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情、民族自信心和自豪感。

2.2 虛擬仿真

通過課程調(diào)研，學(xué)生了解了電力電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，從理論層面分析了具體應(yīng)用中所涉及的技術(shù)問題。電力電子技術(shù)是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，所以課程調(diào)研不能止步于理論分析，教師需要指導(dǎo)學(xué)生在課程調(diào)研的基礎(chǔ)上展開虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

虛擬仿真由學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。作為課程實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，虛擬仿真在實(shí)踐教學(xué)體系中具有重要的作用。課程組非常重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，完成了教材中典型例題和習(xí)題的仿真程序，在教學(xué)平臺(tái)中設(shè)計(jì)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并配套教學(xué)視頻。

在學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生在教學(xué)視頻的指導(dǎo)下，自主學(xué)習(xí)Matlab/Simulink軟件，熟悉相關(guān)工具箱模塊和編程工具，選擇在線教學(xué)平臺(tái)中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)，各個(gè)小組選擇調(diào)研內(nèi)容中的一個(gè)實(shí)例，分析比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，明確系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)確定設(shè)計(jì)方案，利用Matlab設(shè)計(jì)仿真單元電路，構(gòu)建系統(tǒng)模型，完成整體電路的仿真調(diào)試。仿真實(shí)驗(yàn)可搭建模型、編程、分析數(shù)據(jù)、修改參數(shù)等，為學(xué)生提供反復(fù)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，既適應(yīng)于工程應(yīng)用又能滿足科研探索的需求，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。仿真實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)電力電子領(lǐng)域的新技術(shù)，對(duì)課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)，是課程實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。

2.3 課外實(shí)踐

由于課內(nèi)學(xué)時(shí)有限，開展課外實(shí)踐活動(dòng)可以提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。學(xué)有余力的學(xué)生，可以嘗試實(shí)際電路的設(shè)計(jì)，制作PCB板，焊接組裝各種元器件、開展測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)物的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析問題并排除故障和干擾因素?？偨Y(jié)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題和解決方法，提出改進(jìn)方案。例如，在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)踐過程中，學(xué)生設(shè)計(jì)了基于IGBT的電機(jī)控制回路，設(shè)計(jì)過程中需要統(tǒng)籌考慮供電模塊、IGBT的電壓等級(jí)、管壓降和工作特性以及電機(jī)型號(hào)。學(xué)生需要經(jīng)過資料查找、多方論證、小組討論和反復(fù)試驗(yàn)，才能最終確定控制電路設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)關(guān)于IGBT的相關(guān)知識(shí)，并融合電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容，達(dá)到知識(shí)融會(huì)貫通、實(shí)踐能力提升的目的。

2.4 學(xué)科競(jìng)賽或畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)階

在虛擬仿真和課外實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展小組選題的深度和廣度，聚焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)控制方法研究，教師持續(xù)指導(dǎo)課外實(shí)踐活動(dòng)，不斷優(yōu)化選題內(nèi)容，逐步升級(jí)為學(xué)科競(jìng)賽或畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容。例如，在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，有不少與電力電子技術(shù)相關(guān)的題目，如：2024年的AC―AC變換電路并聯(lián)運(yùn)行，2023年的單相逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)，2021年的三相AC―DC變換電路和三端口DC―DC變換器等。學(xué)科競(jìng)賽為學(xué)生提供了鍛煉綜合實(shí)踐能力的機(jī)會(huì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維。教師通過指導(dǎo)學(xué)科競(jìng)賽，把大賽的經(jīng)驗(yàn)用于教學(xué)實(shí)踐，可有效提升教學(xué)能力和教學(xué)水平。

借助課外實(shí)踐活動(dòng)，建立課程教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)之間的連接，有了前期的工程實(shí)踐基礎(chǔ)，學(xué)生可更專注于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略的研究。

在課外實(shí)踐活動(dòng)的基礎(chǔ)上，課程組教師指導(dǎo)學(xué)生完成了單相并網(wǎng)逆變器、三相逆變器并網(wǎng)控制、儲(chǔ)能雙向變流器、大功率直流變換器、高壓直流輸電系統(tǒng)建模、柔性直流輸電控制、風(fēng)電柔直并網(wǎng)系統(tǒng)、智能充電樁系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電優(yōu)化管理、列車牽引系統(tǒng)接觸器故障診斷、永磁同步電機(jī)的矢量控制、雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，實(shí)現(xiàn)了從課程教學(xué)到畢業(yè)設(shè)計(jì)的貫通，驗(yàn)證了進(jìn)階式工程能力訓(xùn)練體系的可行性和有效性。

2.5 考核評(píng)價(jià)體系的改革措施

在工程能力訓(xùn)練過程中，注重過程管理、強(qiáng)化能力考核。在課程實(shí)驗(yàn)中，鼓勵(lì)學(xué)生自主思考和探索。在小組調(diào)研和項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，增加小組成員的分工任務(wù)和貢獻(xiàn)率，加強(qiáng)區(qū)分度。教師注意做好日常指導(dǎo)記錄，加強(qiáng)過程評(píng)價(jià)；在小組展示和答辯環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)能力測(cè)試的相關(guān)問題；采取靈活的考核方式，給出合理的評(píng)價(jià)。由于課外實(shí)踐活動(dòng)屬于探索性實(shí)踐，所以不能以最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為唯一的評(píng)價(jià)指標(biāo)。自主查閱文獻(xiàn)資料、分析比較多種設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)過程中問題的分析和解決等都應(yīng)納入評(píng)價(jià)體系，從而達(dá)到能力考核的目的。

3 結(jié)語

課程組針對(duì)電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，構(gòu)建進(jìn)階式工程能力訓(xùn)練體系，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。實(shí)踐證明，采用小組討論的方式調(diào)研電力電子技術(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣，仿真教學(xué)實(shí)現(xiàn)了理論分析與工程實(shí)踐的有效融合，課外實(shí)踐活動(dòng)加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生工程思維能力和工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練，學(xué)生參加各類競(jìng)賽和創(chuàng)新項(xiàng)目的人數(shù)大幅增加，工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力顯著提升。在畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中，除直流交流電機(jī)控制之外，關(guān)于新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等方面的題目也大幅增加，表明進(jìn)階式工程能力訓(xùn)練體系能夠幫助學(xué)生將不同課程間的知識(shí)體系進(jìn)行有效銜接，強(qiáng)化了實(shí)踐教學(xué)的延續(xù)性。

★基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教育教學(xué)改革研究課題（2024047）；廣東工業(yè)大學(xué)本科教學(xué)工程項(xiàng)目（廣工大教字[2024]75號(hào)）。

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