面向創(chuàng)新型本科電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

楊睿?廖德利

摘要：“電力電子技術(shù)”是一門理論和實(shí)踐緊密相關(guān)的課程，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力要求很高。分析了“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；本科創(chuàng)新型人才

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0194-02

“電力電子技術(shù)”是大學(xué)本科電氣工程專業(yè)的一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要研究各種電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT，MOSFET等）的原理，以及用這些電子器件所構(gòu)成的對(duì)電能變換和控制的電路。總之，電力電子技術(shù)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新興學(xué)科。[1]與此同時(shí)，“電力電子技術(shù)”課程又與眾多先修課程，如“電路”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”等存在著內(nèi)容上的交疊關(guān)系，因此對(duì)學(xué)生的理論儲(chǔ)備要求較高，同時(shí)更要求學(xué)生具備一定的動(dòng)手和分析能力。為了能夠盡快引導(dǎo)學(xué)生入門，南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院從課程內(nèi)容體系安排和教學(xué)方式等方面進(jìn)行了一定的探索和研究。

培養(yǎng)本科創(chuàng)新型人才是近年來(lái)高校教學(xué)改革的一個(gè)重點(diǎn)方向，創(chuàng)新型本科不是低層次的高等教育，其培養(yǎng)目標(biāo)是面對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，在工業(yè)、工程領(lǐng)域的生產(chǎn)建設(shè)、管理、服務(wù)等第一線崗位直接從事解決實(shí)際問(wèn)題、維持工作正常運(yùn)行的高等技術(shù)型人才。本科創(chuàng)新型人才的最大特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的技術(shù)思維能力，擅長(zhǎng)技術(shù)的應(yīng)用，具備較高的理論知識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力，能夠解決生產(chǎn)實(shí)際中的具體技術(shù)問(wèn)題。[2]以此為目標(biāo)，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用開(kāi)放的思維方法，讓學(xué)生獨(dú)立思考、大膽探索，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

一、實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)的督促與檢查

1.檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫

在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，一些學(xué)生對(duì)理論課上講授的知識(shí)較為熟悉，但對(duì)實(shí)驗(yàn)室中紛繁復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不甚了解。因此，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前查閱理論課知識(shí)，編寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告是一項(xiàng)必不可少的步驟。在實(shí)際教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，在課堂上利用幾分鐘抽取幾名同學(xué)回答預(yù)習(xí)報(bào)告中的問(wèn)題，借此提醒學(xué)生，要對(duì)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)、設(shè)備以及步驟有一個(gè)大致了解，避免盲目的上實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作，從而杜絕實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生。

2.抽查學(xué)生操作設(shè)備儀器

電力電子實(shí)驗(yàn)的類型既有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這一系列的驗(yàn)證和探索的過(guò)程都離不開(kāi)各種裝置和測(cè)量?jī)x器，如示波器，萬(wàn)用表，交流、直流電流表，電壓表以及各種接線端子等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)該利用課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室去熟悉這些實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量?jī)x器的構(gòu)造、性能，這對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)課的進(jìn)行很有必要。為了檢查學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的預(yù)習(xí)情況，每節(jié)課開(kāi)始也會(huì)安排一定的時(shí)間來(lái)考察學(xué)生對(duì)這些設(shè)備儀器的使用情況。

南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室使用的是臺(tái)灣固緯公司生產(chǎn)的GDS-2062型數(shù)字雙蹤示波器。該雙蹤示波器有兩個(gè)探頭，可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)。如何合理地使用和調(diào)節(jié)雙蹤示波器去跟蹤復(fù)雜信號(hào)是一個(gè)非常重要的技巧，很多學(xué)生經(jīng)常抱怨很難掌握該技巧。因此將此作為考察學(xué)生預(yù)習(xí)情況的內(nèi)容。使用信號(hào)發(fā)生儀產(chǎn)生一些特殊信號(hào)，讓學(xué)生自己把信號(hào)調(diào)節(jié)出來(lái)，通常有以下幾種方法：

（1）如果看不到信號(hào)，應(yīng)先檢查表筆的倍數(shù)是否放在X10檔位，如果放在X1檔位上會(huì)導(dǎo)致幅值較大的信號(hào)量程超過(guò)示波器的顯示范圍；隨后調(diào)整垂直Y通道量程按鈕，先粗調(diào)節(jié)，再細(xì)調(diào)節(jié)，讓幅值增大，還需要調(diào)節(jié)Y通道的位移按鈕，即移動(dòng)信號(hào)的X軸，以便最終顯示完整的信號(hào)。

（2）如果看到的是抖動(dòng)的信號(hào)，則需要增加示波器的掃描時(shí)間，以便跟蹤上該周期較小的信號(hào)。

（3）如果看到的是一條穩(wěn)定的斜線或者近似于一條直線，則需要減少示波器的掃描時(shí)間，以便顯示該周期較大的信號(hào)。學(xué)生經(jīng)過(guò)以上指導(dǎo)，逐漸掌握了上述一些調(diào)整方法。

在電力電子實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常要精確地調(diào)節(jié)晶閘管的控制角、PWM信號(hào)的占空比等，很多學(xué)生只是初略估算這些數(shù)值，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果大相徑庭。因此還要考察學(xué)生熟練使用示波器的游標(biāo)（CURSOR）功能，通過(guò)度量游標(biāo)之間時(shí)標(biāo)的根據(jù)雙脈沖與A相交流電的位置關(guān)系，波形1中雙脈沖觸發(fā)晶閘管的控制角應(yīng)該是60°，波形2中PWM信號(hào)的占空比為70%。將這些示波器操作的內(nèi)容貫穿在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生意識(shí)到使用這些設(shè)備和儀器擁有很多技巧，督促他們多思考、勤動(dòng)手，而不是簡(jiǎn)單的會(huì)用即可。

二、課堂實(shí)驗(yàn)前的講授環(huán)節(jié)

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，很多實(shí)驗(yàn)室教師不重視講授環(huán)節(jié)，針對(duì)這種情況，在實(shí)驗(yàn)課講授中，不能生搬硬套理論課的內(nèi)容，而是要有所側(cè)重。南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院在每個(gè)實(shí)驗(yàn)的課堂授課時(shí)都按照原理講授、示范接線、結(jié)果展示、問(wèn)答環(huán)節(jié)四個(gè)步驟進(jìn)行。以三相橋式全控整流電路為例來(lái)說(shuō)明南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院的教學(xué)實(shí)施過(guò)程，該實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

1.原理講授

鑒于學(xué)生在理論課上已經(jīng)學(xué)過(guò)相關(guān)知識(shí)，所以無(wú)需再長(zhǎng)篇累牘的講解原理，而只是強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中最重要的地方。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，什么是共陰極、共陽(yáng)極電位點(diǎn)；雙脈沖觸發(fā)電路的原理；控制角α的確定；什么叫自然換相點(diǎn)等內(nèi)容，都會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行講授。另外，在課堂上要充分利用板書，將原理展示給學(xué)生，讓學(xué)生在聽(tīng)講的同時(shí)可以通過(guò)板書上的內(nèi)容回憶原理，理解試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的電路接線圖，起到提綱挈領(lǐng)的作用。

2.示范接線

示范接線是實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)中的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。在該環(huán)節(jié)中，由教師在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上給學(xué)生一步步演示接線的步驟，同時(shí)也需要輔以一定的講解，遇到重要的接線，更是要反復(fù)強(qiáng)調(diào)多遍，讓學(xué)生明白接錯(cuò)的后果。在本實(shí)驗(yàn)中，其電路核心是三個(gè)共陰極和三個(gè)共陽(yáng)極的晶閘管連接，接錯(cuò)不僅會(huì)導(dǎo)致整流電路無(wú)輸出，或者輸出有效值偏低，甚至?xí)斐删чl管燒毀的事故；晶閘管門極觸發(fā)電路接線也十分重要，在實(shí)驗(yàn)中一般要求學(xué)生先調(diào)試觸發(fā)回路，用示波器觀察到有雙脈沖輸出后，再接入門極，并且晶閘管的觸發(fā)順序不能弄錯(cuò)，一定要符合VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的導(dǎo)通順序。

為了讓學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，一律采用標(biāo)準(zhǔn)化接線方法，即：電流應(yīng)該使用Φ=2.1mm2的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)接線，電壓用Φ=1.6 mm2的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)接線，弱電和數(shù)字電路接線采用Φ=1.2mm2的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)接線。A、B、C、N各相應(yīng)該按照電氣行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)使用黃色、綠色、紅色接線，標(biāo)準(zhǔn)電氣實(shí)驗(yàn)接線如表1所示。

3.結(jié)果展示

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示階段，由教師演示一個(gè)典型性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如本實(shí)驗(yàn)中，控制角α=60°時(shí)的負(fù)載電壓Ud，電流波形Id，以及一個(gè)晶閘管上的Uvt波形。而剩余的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，應(yīng)讓學(xué)生自己去完成。

4.問(wèn)答環(huán)節(jié)

作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其課程的信息量并不比理論課少。演示完畢后，部分學(xué)生會(huì)存在這樣那樣的疑惑，因此應(yīng)留給學(xué)生提問(wèn)的時(shí)間，可以讓教師進(jìn)一步了解學(xué)生的掌握情況，同時(shí)打消學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的畏難心理，這也為將來(lái)改進(jìn)授課方式提供了參考。

三、指導(dǎo)學(xué)生完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

經(jīng)過(guò)以上各教學(xué)環(huán)節(jié)的鋪墊，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的疑問(wèn)大大減少，但學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中難免會(huì)發(fā)現(xiàn)各種故障問(wèn)題，此時(shí)，教師不應(yīng)該直接替學(xué)生解決問(wèn)題，而應(yīng)采用引導(dǎo)的方法，讓學(xué)生自己去分析，從而找到問(wèn)題、解決問(wèn)題。

例如在三相橋式整流電路實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常有學(xué)生發(fā)現(xiàn)負(fù)載電壓輸出量Ud偏小，達(dá)不到預(yù)定的數(shù)值，同時(shí)用示波器觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出波形與期望波形存在較大的差別，如圖3所示。此時(shí)，教師應(yīng)該告知學(xué)生輸出偏小的原因在于存在晶閘管沒(méi)有導(dǎo)通的情況，讓學(xué)生去分析晶閘管未工作的原因。經(jīng)過(guò)學(xué)生課堂上的討論和總結(jié)，認(rèn)為導(dǎo)致晶閘管不導(dǎo)通的原因包括以下幾個(gè)方面：一是晶閘管燒壞；二是門極端無(wú)觸發(fā)脈沖；三是晶閘管陽(yáng)極與陰極間無(wú)正向電壓；四是負(fù)載開(kāi)路；五是該晶閘管這條支路無(wú)回路。首先教師指導(dǎo)學(xué)生先檢查觸發(fā)電路的工作情況，檢查每個(gè)晶閘管上是否有正確的雙窄觸發(fā)脈沖輸出；其次使用示波器檢查晶閘管兩端的Uvt波形是否正確；最后檢查三相交流電的輸入是否正確。最終學(xué)生發(fā)現(xiàn)故障的所在是由VT2晶閘管的門極接線不牢固，導(dǎo)致該晶閘管沒(méi)有導(dǎo)通，使得這個(gè)電路電壓輸出量Ud偏小。在以上例子中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，轉(zhuǎn)而小組討論根據(jù)所學(xué)理論分析故障原因，然后去逐步排除，最終找到接線錯(cuò)誤的地方。經(jīng)過(guò)該流程，可以提高他們分析問(wèn)題和處理問(wèn)題的能力。

四、指導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新探索

在實(shí)驗(yàn)中要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，就不能拘泥于實(shí)驗(yàn)報(bào)告，應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新探索。例如在單相交流調(diào)壓電路實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生去計(jì)算負(fù)載的阻抗角φ，進(jìn)而驗(yàn)證控制角α和φ的關(guān)系。有的學(xué)生提出采用直流伏安法測(cè)電抗內(nèi)阻，用交流法測(cè)定電感量，然后利用公式計(jì)算負(fù)載阻抗角的方法；[4]有的學(xué)生經(jīng)過(guò)思考后發(fā)現(xiàn)，除了以上方法外，還可以讓單相交流調(diào)壓電路帶上電阻電感負(fù)載后，使用示波器的CURSOR功能去測(cè)量第一個(gè)尖峰所占的時(shí)間△的差值，折算成角度后，即可以很簡(jiǎn)單的求出φ角，如圖4所示。

通過(guò)以上實(shí)踐讓學(xué)生了解到實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是唯一的目的，通過(guò)思考用不同的方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果才是一個(gè)探索和創(chuàng)新的過(guò)程。

五、結(jié)論

采用原理講授、示范接線、結(jié)果展示、問(wèn)答環(huán)節(jié)四個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以提高學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識(shí)的能力，從而杜絕了以往實(shí)驗(yàn)課的三種不良現(xiàn)象，即：實(shí)驗(yàn)前不預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)時(shí)不認(rèn)真、實(shí)驗(yàn)后不總結(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探索還有很長(zhǎng)的路要走，只有不斷修訂和完善，才能培養(yǎng)出合格的本科創(chuàng)新型人才。

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（責(zé)任編輯：孫晴）