“電力電子技術(shù)”實(shí)踐性教學(xué)體系的建設(shè)與實(shí)踐

孫鐵成,楊 華,呂瑞豐,李久勝,王明彥

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

電力電子技術(shù)從上世紀(jì)中葉誕生后,經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,已經(jīng)形成較為完整的學(xué)科體系和理論,成為相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科[1]。“電力電子技術(shù)”實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是學(xué)生在電能變換理論與方法學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步掌握電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)[2]。是培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)工程要求正確選用電力電子器件的能力,對(duì)典型電能變換電路的分析、計(jì)算能力,基本電能變換電路的調(diào)試能力[3,4]。運(yùn)用基本概念和基本實(shí)驗(yàn)技能,根據(jù)工程背景對(duì)電能變換電路要求進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練[5]。通過(guò)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)過(guò)程,可以使學(xué)生在掌握電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)技能與方法的同時(shí),跟蹤并了解電力電子器件及其控制技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)與趨勢(shì),為從事電氣工程學(xué)科的工程設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 教學(xué)理念

哈爾濱工業(yè)大學(xué)是一所研究性大學(xué),在研究性大學(xué)的教學(xué)應(yīng)以培養(yǎng)研究型人才為目的,過(guò)去沿襲下來(lái)的傳統(tǒng)教學(xué)方法已不能夠適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要,因此尋找一種適合于研究性大學(xué)的教學(xué)改革思路是十分必要的。我們經(jīng)過(guò)多年的探索和實(shí)踐,逐漸形成了一套系統(tǒng)、完善、先進(jìn)的,適合于研究型人才培養(yǎng)的電力電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。該教學(xué)理念可概括為一個(gè)中心,兩個(gè)途徑,三個(gè)層次,三個(gè)轉(zhuǎn)變。“一個(gè)中心”是指在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、研究和創(chuàng)新能力為中心;“兩個(gè)途徑”是指學(xué)生獲得知識(shí)的途徑除了從課堂教學(xué)由教師傳授以外,還從實(shí)驗(yàn)教學(xué)由自己獨(dú)立學(xué)習(xí)一些知識(shí)點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和自學(xué)能力;“三個(gè)層次”是指實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)三個(gè)遞進(jìn)的層次;“三個(gè)轉(zhuǎn)變”是指教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從以驗(yàn)證為主到分析、研究與自我驗(yàn)證相結(jié)合的轉(zhuǎn)變,從以原理分析波形觀測(cè)為主到原理分析、理論設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用相結(jié)合的轉(zhuǎn)變,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成從以實(shí)驗(yàn)裝置為主到硬件實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。

2 教學(xué)方法

(1)加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)改革

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法,是理論課程所屬下的實(shí)驗(yàn)課程,這些實(shí)驗(yàn)課程基本是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這樣一來(lái),無(wú)論從實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法,都是無(wú)法擴(kuò)展到理論課程以外所涉及的知識(shí)。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)是被動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,驗(yàn)證理論正確性即可。這樣的實(shí)驗(yàn),無(wú)法適應(yīng)對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合能力的提高。基于上述理由,我們把“電力電子技術(shù)”基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),采取了如下措施:

這門(mén)課程共有7個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,其中驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)3個(gè),綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)2個(gè),研究型實(shí)驗(yàn)2個(gè)。其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容順序?yàn)橄茸鲵?yàn)證型實(shí)驗(yàn),再做綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),最后做研究型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)完成以后,安排學(xué)生用一周時(shí)間完成課程設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置3個(gè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要是要求學(xué)生完成“電力電子技術(shù)”中的幾種典型電路如何實(shí)現(xiàn)電能變換,這些電能變換電路的基本特點(diǎn)及基本規(guī)律,旨在幫助學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能與方法,培養(yǎng)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和獨(dú)立思考的能力,為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行打下了良好的基礎(chǔ)。在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中,我們選擇了一些具有較高實(shí)用價(jià)值、能夠反映該學(xué)科的最新發(fā)展的題目作為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。例如SPWM發(fā)生器是交流調(diào)速中是控制核心,實(shí)驗(yàn)教師就對(duì)于SPWM發(fā)生器提出設(shè)計(jì)該電路的各項(xiàng)要求。要求的內(nèi)容有:實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、基本原理、電路綜合設(shè)計(jì),以及如何與變換器構(gòu)成交流調(diào)速系統(tǒng)等。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自行決定實(shí)驗(yàn)步驟,設(shè)計(jì)出完整的方案。為了保證設(shè)計(jì)的一致性、正確性,又布置了與綜合實(shí)驗(yàn)有關(guān)的思考題,要求每位同學(xué)獨(dú)立完成,并且對(duì)布置的內(nèi)容有完成任務(wù)的時(shí)間表。學(xué)生為了完成設(shè)計(jì)任務(wù),首先要完成思考題,學(xué)生根據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)的要求,自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案,并且加以引導(dǎo),最后統(tǒng)一到一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)最后確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行焊板、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)出具有綜合設(shè)計(jì)型內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程,學(xué)生由原來(lái)的被動(dòng)實(shí)驗(yàn)變成了主動(dòng)參與,實(shí)驗(yàn)室成為他們實(shí)踐鍛煉的場(chǎng)所。此做法受到了學(xué)生的好評(píng)。

(2)采用計(jì)算機(jī)仿真手段實(shí)現(xiàn)研究性學(xué)習(xí)

為了培養(yǎng)研究型人才,支持和鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)。在“電力電子技術(shù)”基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程中,由于受到學(xué)時(shí)數(shù)限制,課堂上只重點(diǎn)講解分析方法和典型電路,其它一些電路的分析和研究要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來(lái)掌握。我們將“電力電子電路”的計(jì)算機(jī)仿真引進(jìn)到教學(xué)中來(lái),作為支持學(xué)習(xí)和研究的有力技術(shù)手段。實(shí)驗(yàn)6、實(shí)驗(yàn)7均是在計(jì)算機(jī)上利用PSPICE或MAT LAB軟件進(jìn)行電路仿真。仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,即可解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能和數(shù)量不足的困難,又具有高效、高精度、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性和方便靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)的工具,學(xué)生可以根據(jù)研究的重點(diǎn)或?qū)嶋H需要,抓住其本質(zhì)或主要矛盾,對(duì)實(shí)際對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化和提煉,加強(qiáng)了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。所安排電路仿真內(nèi)容,既有典型電路,也有電力電子技術(shù)的前沿變換技術(shù),另外還有我們教師科研課題中具有代表性、啟發(fā)性的變換電路。學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真的手段完成電路仿真和對(duì)變換電路深入學(xué)習(xí)。這樣即可有效地強(qiáng)化對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解,又為今后從事科學(xué)研究奠定必要的基礎(chǔ)。

(3)通過(guò)課程設(shè)計(jì)的手段訓(xùn)練工程實(shí)踐能力

與課堂教學(xué)相配合的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),目的是使學(xué)生通過(guò)這些基本實(shí)驗(yàn),深入理解基本電能變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理,受到本門(mén)課應(yīng)有的基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)依托的標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),安全、方便管理,但學(xué)生動(dòng)手搭建、調(diào)試電路的機(jī)會(huì)少,限制了動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足,我們?cè)鲈O(shè)了課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)。我們選擇了一些具有較高實(shí)用價(jià)值、能夠反映該學(xué)科的最新發(fā)展的題目作為課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。在課程設(shè)計(jì)中,學(xué)生首先通過(guò)查閱資料進(jìn)行電路設(shè)計(jì),然后完成實(shí)驗(yàn)電路的搭建和調(diào)試,并進(jìn)行深層次分析和研究。通過(guò)課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練工程實(shí)踐能力的同時(shí),還可使學(xué)生了解新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài),同時(shí)對(duì)本課程的應(yīng)用領(lǐng)域、可以解決的問(wèn)題有了更直觀、更感性的認(rèn)識(shí)。我們對(duì)參加過(guò)課程設(shè)計(jì)的學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查,在談到課程設(shè)計(jì)的主要收獲時(shí),同學(xué)們普遍認(rèn)為:通過(guò)課程設(shè)計(jì),不僅對(duì)理論知識(shí)有了更深入的了解,還學(xué)到了很多課堂無(wú)法學(xué)到的內(nèi)容;主要收獲是動(dòng)手能力和調(diào)試能力得到加強(qiáng)。為了提供良好的實(shí)驗(yàn)條件,我們開(kāi)發(fā)了“PWM開(kāi)關(guān)型變換器”,作為“電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”的硬件平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已于2008年通過(guò)了學(xué)校鑒定,鑒定委員會(huì)認(rèn)為:實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思想先進(jìn),通用性強(qiáng)、可靠性高、性價(jià)比高,彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)工科院校中“電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)裝置方面的短缺,在工科院校中具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

(4)通過(guò)創(chuàng)新研修項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力

在完成上述實(shí)驗(yàn)后,部分能力較強(qiáng)、興趣較高的學(xué)生還可選擇創(chuàng)新性研究專題。這些研究專題能夠提供給學(xué)生獨(dú)立思考、自選方案的機(jī)會(huì),拓展學(xué)生自我發(fā)揮、自主創(chuàng)新的空間,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)自學(xué)獲取知識(shí)的能力。研究性實(shí)驗(yàn)是開(kāi)展創(chuàng)新性研究專題的重要手段,為了給創(chuàng)新性研究專題提供硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái),近年來(lái)我們研制了“全橋移相零電壓DC-DC變換器”及“交流變頻調(diào)速系統(tǒng)”等2類實(shí)驗(yàn)裝置,為學(xué)有余力的學(xué)生提供了培養(yǎng)和鍛煉創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 考試方法改革

實(shí)踐性考核不同與課堂理論課程的考試,實(shí)踐性考核應(yīng)考核學(xué)生的動(dòng)手能力,解決問(wèn)題能力。我們?cè)诳荚嚭蛯?shí)驗(yàn)管理等方面采取了有效的教改措施。

(1)實(shí)驗(yàn)課采用累加式考核方式。對(duì)于學(xué)生的出勤情況、實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)備儀器使用熟練程度、是否獨(dú)立完成、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中回答教師的問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等內(nèi)容進(jìn)行考核。

(2)實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課,獨(dú)立考核。加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)管理,提高了同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度。

(3)課程設(shè)計(jì)期間,實(shí)驗(yàn)室全天開(kāi)放,同學(xué)們可以根據(jù)自己的空余時(shí)間和設(shè)計(jì)進(jìn)度充分、合理地利用實(shí)驗(yàn)室的資源,更圓滿地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

4 加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)措施

(1)建立了面向研究型人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

由于本課程的實(shí)踐性較強(qiáng),所以在教學(xué)方法的改革上,我們重點(diǎn)放在學(xué)生能力的培養(yǎng)上,如何構(gòu)建課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系一直是課程建設(shè)的重點(diǎn)問(wèn)題。課程的教學(xué)團(tuán)隊(duì)以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目標(biāo),在實(shí)踐教學(xué)方面開(kāi)展了一系列的教學(xué)研究。建立了適用于電力電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。它打破了傳統(tǒng)的以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,構(gòu)建了適合于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的,由驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的“三層次”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系實(shí)施以來(lái),學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性、主動(dòng)性大大提高,設(shè)計(jì)、研究和解決問(wèn)題的能力得到了大幅提升,為以后的研究工作打下良好基礎(chǔ)。例如,在創(chuàng)新研究專題中,通過(guò)研究性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力大為提高。在這些創(chuàng)新研究專題基礎(chǔ)上,有多篇本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文獲得了學(xué)校本科優(yōu)秀畢業(yè)論文獎(jiǎng)。

(2)把教師的科研經(jīng)驗(yàn)與成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)

課程組的幾名教師都具有多年從事科研的豐富經(jīng)驗(yàn),有的教師的科研成果獲得了省、部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。因此,把教師的科研工作經(jīng)驗(yàn)和科研成果引入到本科教學(xué),努力使本科的教學(xué)過(guò)程帶有研究性質(zhì),保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性,使學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段就接觸到學(xué)科前沿、學(xué)習(xí)到本學(xué)科的新技術(shù)、新方法和新知識(shí)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑。

(3)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究,提高實(shí)驗(yàn)教師業(yè)務(wù)水平

實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究是提高實(shí)驗(yàn)室整體水平的重要途徑。實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究通過(guò)在學(xué)校的立項(xiàng),獲得學(xué)校資金的支持,提高了實(shí)驗(yàn)教師的業(yè)務(wù)水平,增加了實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)條件得到了改善。實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究應(yīng)把握課程的發(fā)展趨勢(shì)及課程的改革方向,注重實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的高起點(diǎn),注重課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系、各門(mén)實(shí)驗(yàn)課程的相互關(guān)系,重視實(shí)驗(yàn)教師與實(shí)驗(yàn)資源的合理使用。同時(shí)應(yīng)注重教學(xué)研究成果的推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

電力電子技術(shù)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。教學(xué)組的全體教師經(jīng)過(guò)多年的辛勤努力,尤其是近幾年的深入、全面的教學(xué)探索與實(shí)踐,在教學(xué)改革、實(shí)驗(yàn)建設(shè)等方面取得了顯著的成果。教學(xué)組提出了適合于研究型大學(xué)的一個(gè)中心,兩個(gè)途徑,三個(gè)層次,三個(gè)轉(zhuǎn)變的教學(xué)指導(dǎo)思想。其本質(zhì)是以培養(yǎng)學(xué)生研究能力為目標(biāo),采用多種有效的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段來(lái)促進(jìn)學(xué)生有效學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,構(gòu)建了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該體系的實(shí)施,體現(xiàn)了因材施教,個(gè)性化發(fā)展的原則,適合于培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行分析和研究以及創(chuàng)新的能力。教學(xué)組自行開(kāi)發(fā)研制了一批設(shè)計(jì)思想先進(jìn)、推廣價(jià)值高的實(shí)驗(yàn)裝置,有力地配合了研究性教學(xué)體系的建立和教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系實(shí)施以來(lái),學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性、主動(dòng)性大大提高,設(shè)計(jì)、研究和解決問(wèn)題的能力得到了大幅提升,為以后從事研究工作打下良好的基礎(chǔ)。教學(xué)組在課程建設(shè)方面發(fā)表多篇有參考價(jià)值的教學(xué)研究論文。教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目先后獲得省、學(xué)校的多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)

[1]許春雨.電力電子技術(shù)課程的教學(xué)與實(shí)踐,第六屆全國(guó)高等學(xué)校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革研討會(huì)論文集,2009年8月,哈爾濱:330-336

[2]王澤中,王兆安.電氣工程專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證進(jìn)展,第五屆全國(guó)高等學(xué)校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革研討會(huì)論文集,2009年8月,西安:1-7

[3]李久勝,王明彥等.“電力電子基礎(chǔ)”課程的研究導(dǎo)向型教學(xué)設(shè)計(jì),電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008(5):84-86

[4]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)(第四版).機(jī)械工業(yè)出版社,2001年

[5]楊澤斌,孫玉坤,譚倫農(nóng).電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的探索與思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007(1):69-71