電力電子與電力傳動(dòng)系列課程的立體化建設(shè)

唐賢倫， 劉想德， 羅 萍

(重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

電力電子與電力傳動(dòng)是電氣工程下的二級(jí)學(xué)科，主要研究新型電力電子器件、電能的變換與控制、功率源、電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)化等理論技術(shù)和應(yīng)用[1]。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科教學(xué)中該方向的系列課程包括電力電子技術(shù)、電力拖動(dòng)與控制、電機(jī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理、可編程控制技術(shù)及應(yīng)用、電氣測(cè)控與儀表等，是專業(yè)課程體系中的重要環(huán)節(jié)[2]，也是電力系統(tǒng)及自動(dòng)化、電機(jī)節(jié)能控制、電機(jī)變頻調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等研究方向的重要理論基礎(chǔ)，在現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，因此學(xué)好該系列課程對(duì)學(xué)生的就業(yè)和未來(lái)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

電力電子與電力傳動(dòng)系列課程是重慶郵電大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的主干課程，我們經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和仔細(xì)梳理發(fā)現(xiàn)，目前電力電子與電力傳動(dòng)系列課程存在各門(mén)課程之間聯(lián)系較弱，各科教師之間交流較少，缺乏統(tǒng)一的連續(xù)性的問(wèn)題，這就造成了學(xué)生無(wú)法從總體上掌握各門(mén)課程之間的關(guān)系，從而無(wú)法具備完整的實(shí)踐和研究能力，這在每年的畢業(yè)設(shè)計(jì)中均有所體現(xiàn)。所以有必要對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)系列課程進(jìn)行立體化建設(shè)，從多方面加深學(xué)生對(duì)課程間聯(lián)系和主要知識(shí)點(diǎn)的理解，并使學(xué)生具備一定的工程實(shí)踐和研究能力。探索與實(shí)踐表明，電力電子與電力傳動(dòng)系列課程立體化建設(shè)為培養(yǎng)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在電力電子與電力傳動(dòng)方向創(chuàng)新意識(shí)及工程能力方面具有重要作用。

1 系列課程現(xiàn)存問(wèn)題及立體化建設(shè)的意義

電力電子與電力傳動(dòng)系統(tǒng)課程有著密切的依賴關(guān)系，這些課程具有基礎(chǔ)知識(shí)豐富、知識(shí)面廣、信息量大、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)又具有理論和實(shí)踐聯(lián)系密切，工程實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。由此也導(dǎo)致了這些課程理論抽象、概念多、內(nèi)容雜、計(jì)算繁、系統(tǒng)分析復(fù)雜等問(wèn)題，且還具有強(qiáng)、弱電結(jié)合，計(jì)算機(jī)軟、硬件結(jié)合等特點(diǎn)。目前理論教學(xué)主要以教師講授為主體，教師按照教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃中規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)在教室上課，期末進(jìn)行理論考試這種模式完成教學(xué)任務(wù)，盡管教師采用多種教學(xué)形式進(jìn)行教學(xué)，但是講授的一些電力電子與電力傳動(dòng)原理和電路圖對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)仍覺(jué)得抽象，導(dǎo)致學(xué)生在以后的工作中對(duì)實(shí)際的電氣設(shè)備感到很陌生，并不能很好地跟課本上的知識(shí)聯(lián)系在一起。

目前電力電子與電力傳動(dòng)系列課程的實(shí)踐教學(xué)為分立的認(rèn)識(shí)驗(yàn)證型和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，在開(kāi)設(shè)時(shí)間上受限于理論課，且實(shí)驗(yàn)各課程間關(guān)聯(lián)度不大，系統(tǒng)性不強(qiáng)，極易形成理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)脫節(jié)。對(duì)電氣工程類專業(yè)的學(xué)生來(lái)講，除了開(kāi)設(shè)課程實(shí)驗(yàn)外，由于缺乏必要的工程訓(xùn)練體系支撐，平時(shí)的課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等，往往是獨(dú)立開(kāi)設(shè)且前后聯(lián)系不緊密[4-5]。這樣，學(xué)生通過(guò)這些實(shí)踐環(huán)節(jié)只能得到平行的、零散的實(shí)踐技能鍛煉，而很難形成逐步深化提高的工程訓(xùn)練實(shí)踐技能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電氣工程類專業(yè)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)能力的系統(tǒng)化，更無(wú)法保障綜合技能和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)[6-7]。

我校近年來(lái)對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)系列課程立體化建設(shè)進(jìn)行了探索與實(shí)踐，已取得一定的成效，對(duì)于提高電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，完善電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)模式，拓展我校電氣工程的學(xué)科點(diǎn)具有重要的意義，同時(shí)也為整個(gè)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的課程體系建設(shè)和改革打下良好的基礎(chǔ)。

2 系列課程立體化建設(shè)的教學(xué)組織

課程組對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)系列課程的教學(xué)內(nèi)容組織安排體現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合、實(shí)用先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)典技術(shù)相結(jié)合，理論服務(wù)于實(shí)踐，實(shí)踐服務(wù)于應(yīng)用的目的，以“夠用為度、注重應(yīng)用”的課程內(nèi)容安排體現(xiàn)了應(yīng)用性人才的培養(yǎng)目標(biāo)；實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)體現(xiàn)了理論加實(shí)踐技能培養(yǎng)為重點(diǎn)的本科教育。在教學(xué)內(nèi)容組織中，始終與工程應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合，使得學(xué)生能夠?qū)W會(huì)理論聯(lián)系實(shí)踐，極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

課程組在對(duì)每門(mén)課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從總體上把握，加強(qiáng)課程間聯(lián)系，電力電子與電力傳動(dòng)系列課程的教學(xué)組織基本按圖1所示框架進(jìn)行。

圖1 系列課程教學(xué)組織框圖

3 系列課程理論教學(xué)內(nèi)容體系立體化建設(shè)

課程組加強(qiáng)對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)系列課程中每門(mén)課程教材選擇、教學(xué)大綱、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面的研究，進(jìn)而對(duì)系列課程綜合考慮，旨在全面提高學(xué)生在電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用能力。

3.1 教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)大綱制定中，課程組老師通盤(pán)考慮，在考慮本課程教學(xué)內(nèi)容完成的基礎(chǔ)上，增加能夠增強(qiáng)課程群聯(lián)系的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)間的講解學(xué)時(shí)。根據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使課程內(nèi)容既能充分展示本課程的核心領(lǐng)域知識(shí)，又能反映該領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展和研究成果，體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展方向，并與其他相關(guān)課程進(jìn)行有效銜接。

安排課程教學(xué)內(nèi)容時(shí)，保留原教學(xué)內(nèi)容中不可或缺的基礎(chǔ)部分，刪除陳舊過(guò)時(shí)的內(nèi)容，主動(dòng)吸收反映本學(xué)科和相鄰學(xué)科的新成果、新進(jìn)展。例如：電力電子技術(shù)課程中，中小功率變換應(yīng)用場(chǎng)合，MOSFET和IGBT已基本取代了GTR，所以對(duì)GTR及其驅(qū)動(dòng)電路部分的內(nèi)容做了刪減，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已基本普及，所以加強(qiáng)了集成觸發(fā)芯片應(yīng)用的介紹。

教材建設(shè)方面，課程組老師查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)和專業(yè)書(shū)籍，結(jié)合多年的科研成果與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)置和課程體系建設(shè)的要求，跟蹤國(guó)內(nèi)外電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)與應(yīng)用的最新成果，選擇與本專業(yè)特色有機(jī)結(jié)合起來(lái)的教材，有條件的老師根據(jù)自己的積累自編教材，以適應(yīng)教學(xué)、研究及人才培養(yǎng)的需要。

3.2 教學(xué)方法與教學(xué)手段

改革理論課堂內(nèi)容教學(xué)以灌輸知識(shí)為主、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以驗(yàn)證/簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)為主的弊端，注重將課堂討論與教師講授相結(jié)合，學(xué)科前沿知識(shí)與教材基本內(nèi)容相結(jié)合，理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，科研成果與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。使教師的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為教學(xué)效果和學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容與形式、手段與結(jié)果的統(tǒng)一[8]。從以往單一的傳授知識(shí)為主過(guò)渡到教學(xué)內(nèi)容上知識(shí)、能力與思維培養(yǎng)的并重，立足于調(diào)動(dòng)學(xué)生觀能動(dòng)性，變學(xué)生“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，把學(xué)生從應(yīng)試學(xué)習(xí)中解放出來(lái)，全面激發(fā)學(xué)生的潛能。

老師們利用承擔(dān)的各級(jí)各類科研課題，把在電力電子技術(shù)、電機(jī)控制等方面積累的科研資源及成果，轉(zhuǎn)化為教學(xué)和科技活動(dòng)教學(xué)素材加以利用，或轉(zhuǎn)化成不同層次的設(shè)計(jì)、綜合、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并通過(guò)課堂講授、學(xué)術(shù)報(bào)告、教材編著、課外科技活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方式充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生能力[9]。

在理論教學(xué)中將大量工程實(shí)例融入課堂中，這些實(shí)例既反映基本的電力電子與電力傳動(dòng)的工作原理和分析方法，又考慮到學(xué)生的知識(shí)面和理解能力，與生產(chǎn)、生活緊密結(jié)合，便于學(xué)生理解和掌握基本的原理和方法。如在講授逆變電路內(nèi)容的時(shí)候，將UPS和變頻器等以逆變電路為核心的實(shí)際產(chǎn)品融入到教學(xué)中，加深學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的理解。

4 系列課程實(shí)踐教學(xué)體系立體化建設(shè)

4.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是電力電子與電力傳動(dòng)系列課程的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)好這些課程不可缺少的組成部分[10]。根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，課程組編寫(xiě)了系列課程的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，為讓學(xué)生系統(tǒng)的、全面的掌握電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科的知識(shí)，并具備實(shí)踐應(yīng)用的能力，分階段分層次地重點(diǎn)對(duì)電力電子、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，老師向?qū)W生提供完整的系統(tǒng)配置、控制器參數(shù)與系統(tǒng)接線圖，使得學(xué)生可以通過(guò)查看圖紙，完成系統(tǒng)的連接與配置，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)查看系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行曲線， 加深各門(mén)課程內(nèi)在聯(lián)系的理解與融會(huì)貫通。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可掌握課程幾個(gè)最關(guān)鍵的要點(diǎn)，而且實(shí)驗(yàn)每一過(guò)程對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)都起很大的作用，取得了較好的效果[11]。

具體實(shí)踐中課程組將課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)融合進(jìn)來(lái)形成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)體系，學(xué)生根據(jù)研究興趣和實(shí)驗(yàn)室的條件自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，或在指導(dǎo)教師的幫助下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選用相應(yīng)的設(shè)備，組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并完成實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中培養(yǎng)工程能力和創(chuàng)新能力[12]。

4.2 課程設(shè)計(jì)

電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制原理均含課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，課程設(shè)計(jì)在教學(xué)中占據(jù)十分重要的地位[13]，課程設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的方法和能力，實(shí)現(xiàn)由知識(shí)向技能的初步轉(zhuǎn)化[14]。在課程設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程中，課程組編寫(xiě)了相關(guān)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。課程設(shè)計(jì)從確定方案到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)剖析、提煉，設(shè)計(jì)出所要求的控制系統(tǒng)或電路。要求題目要結(jié)合工程實(shí)際，必須是某一電力電子裝置或電路的設(shè)計(jì)，如可控整流技術(shù)、直流斬波電路的工程應(yīng)用(含整流的組合電路也可)等。學(xué)生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其他電力電子裝置設(shè)計(jì)，如開(kāi)關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、UPS電源等。可在教師的指導(dǎo)下完成控制系統(tǒng)、控制電路等詳細(xì)的設(shè)計(jì)(包括計(jì)算和器件選型)。學(xué)生對(duì)這兩門(mén)課程的課程設(shè)計(jì)的興趣濃厚，反映良好，取得了較好的效果。

4.3 開(kāi)展仿真和設(shè)計(jì)訓(xùn)練

目前電力電子與電力傳動(dòng)系列課程均采用課堂教學(xué)加實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，且存在實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少的問(wèn)題，很多高校都僅用掛件結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)箱來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，幾乎所有的電路和系統(tǒng)都是封閉式。這種常規(guī)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生幾乎是在老師或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書(shū)的指導(dǎo)下機(jī)械式連線、讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，即使不了解電路的工作原理，只要在連線正確、實(shí)驗(yàn)儀器完好的情況下也能完成實(shí)驗(yàn)。但是，只要設(shè)備稍有問(wèn)題或連線稍有問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析不符或者出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，學(xué)生就可能會(huì)不假思索地詢問(wèn)老師，而不能獨(dú)立分析解決問(wèn)題。另外，電力電子與電力傳動(dòng)系列課程實(shí)驗(yàn)所涉及的大多是功率器件，需要三相電源及示波器等，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián)，并且危險(xiǎn)性大。

為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少以及實(shí)驗(yàn)室在硬件建設(shè)上的不足，同時(shí)使學(xué)生形象化、立體化理解電力電子與電力傳動(dòng)系列課程的主要知識(shí)點(diǎn)及各課程間的關(guān)系，也為了鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)和研究能力，課程組設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了電力電子技術(shù)和電力傳動(dòng)系列課程中緊密結(jié)合課程知識(shí)點(diǎn)的仿真題目和設(shè)計(jì)題目，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用課題的印象。且由于電力電子與電力傳動(dòng)系列課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，課內(nèi)只能擇要選做，不能滿足學(xué)生的需要，通過(guò)開(kāi)展仿真訓(xùn)練和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可軟硬結(jié)合從而提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力[15-16]。

5 系列課程教師隊(duì)伍建設(shè)

加強(qiáng)系列課程任課教師間的合作與交流，包括同一課程及前后銜接緊密的課程內(nèi)容教學(xué)方式的交流探討，可以使教學(xué)信息的來(lái)源更加廣泛，使得每一個(gè)教師對(duì)整個(gè)課程群有透徹的了解。另外，新來(lái)教師必須擔(dān)任一年的輔導(dǎo)老師，通過(guò)給有經(jīng)驗(yàn)的系列課程任課教師做教學(xué)輔導(dǎo)工作，既可增加教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，也可讓自己對(duì)系列課程有更深入的理解。

堅(jiān)持“以科研促教學(xué)”，鼓勵(lì)教師參加電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科的相關(guān)科研活動(dòng)，了解該學(xué)科的最新前沿動(dòng)態(tài)，有助于教師對(duì)教材相關(guān)內(nèi)容的理解，并應(yīng)用于教學(xué)過(guò)程中，從而增強(qiáng)課本知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)系列課程立體化建設(shè)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，從理論教學(xué)內(nèi)容體系、實(shí)踐教學(xué)體系、教師隊(duì)伍建設(shè)等方面探討了系列課程的立體化建設(shè)，旨在加強(qiáng)系列課程中各門(mén)課程間的聯(lián)系，在理論教學(xué)內(nèi)容和工程能力訓(xùn)練上保持較強(qiáng)的連續(xù)性，使各門(mén)課程形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在電力電子與電力傳動(dòng)方向創(chuàng)新意識(shí)及工程能力訓(xùn)練做有益的探索與實(shí)踐。

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