“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：隨著信息科技的不斷進(jìn)步，“電力電子技術(shù)”的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該不斷體現(xiàn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)實(shí)際發(fā)展情況。電力電子技術(shù)原理的分析應(yīng)建立在電能變換和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上來講述。如何利用有限的學(xué)時(shí)讓學(xué)生掌握該課程的精髓，培養(yǎng)出適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)需要的工程技術(shù)人才是一個(gè)急需解決的問題。從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)等幾方面對“電力電子技術(shù)”課程的實(shí)用教學(xué)進(jìn)行探索，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；教學(xué)改革；仿真

作者簡介：李林琳（1977-），女，遼寧沈陽人，長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，配電自動(dòng)化吉林省高校工程研究中心，講師；邢順濤（1976-），男，吉林延吉人，長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，講師。（吉林 長春 130012）

基金項(xiàng)目：本文系2011年長春工程學(xué)院教學(xué)研究課題的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0064-02

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在人才培養(yǎng)方案和課程體系中起著至關(guān)重要的作用。通過“電力電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電力變換的基本理論知識，為后續(xù)專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本課程來源于工程實(shí)踐，理論與實(shí)踐并重，因此，本課程將實(shí)踐貫穿始終，具有層次性和互補(bǔ)性。通過理論教學(xué)、實(shí)踐鍛煉、MATLAB仿真等教學(xué)活動(dòng)，有助于提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和應(yīng)用創(chuàng)新的能力。

一、“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革的必要性

目前“電力電子技術(shù)”的教學(xué)仍然停留在傳統(tǒng)的教學(xué)模式上，即在課程教學(xué)中依照教材的內(nèi)容和順序講述各種電力變換原理。[1]這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在以下弊病：第一，傳統(tǒng)的教學(xué)思想重視學(xué)生對書本知識的掌握程度，忽視學(xué)生的素質(zhì)教育，忽視學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；第二，傳統(tǒng)的教學(xué)形式方法單一，課堂上教師講授課程，學(xué)生只是被動(dòng)參與，這樣很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；第三，由于現(xiàn)行教材不能很好地體現(xiàn)電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，且教材中講授的理論都只集中在技術(shù)層次，而忽略了現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際因素。因此現(xiàn)有的教學(xué)存在與實(shí)際脫節(jié)的情況，從事電力系統(tǒng)及相關(guān)行業(yè)工作的學(xué)生走上工作崗位后，還需投入大量的時(shí)間去了解電力電子技術(shù)的新原理和在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及電力變換對電力系統(tǒng)的影響。

本文主要是針對長春工程學(xué)院（以下簡稱“我校”）電氣自動(dòng)化專業(yè)的“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”，在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中探索科學(xué)合理的教學(xué)方法，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)工程針對性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，為成就未來的“卓越工程師”奠定基礎(chǔ)。

二、探索“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)方法

1.采用多媒體教學(xué)，增加教學(xué)的直觀性

由于“電力電子技術(shù)”課程中有很多電力變換的原理需要畫波形，受板書的限制，授課的信息量很有限，所以可將“電力電子技術(shù)”課程的有關(guān)內(nèi)容制作成多媒體課件進(jìn)行講解。講述時(shí)多媒體教學(xué)可與黑板手寫教學(xué)同時(shí)進(jìn)行，將多媒體教學(xué)和手寫的重點(diǎn)、難點(diǎn)知識相結(jié)合，增強(qiáng)教學(xué)效果。

現(xiàn)在“電力電子技術(shù)”課程的多媒體課件有很多，但是這些課件普遍存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：課件制作過于簡單，缺少動(dòng)畫和過程講解，很多原理圖都是直接出現(xiàn)，很多結(jié)論也是直接給出，這樣對于剛剛接觸電力電子的學(xué)生來說很生硬，很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對于“電力電子技術(shù)”課程的改革，首先從課件入手，重新制作課件，在課件中增加大量動(dòng)畫和工程實(shí)例。比如在講授整流電路時(shí)，對于每一種整流變換的電路圖結(jié)合工作原理都制作了動(dòng)畫。教師在上課時(shí)，講到某一回路和器件時(shí)，該回路和器件都有明顯的標(biāo)注、聲音和動(dòng)畫變換。這樣，學(xué)生有更直觀的視覺和聽覺感受，加深對工作原理的理解。

2.引入問題教學(xué)法，激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

該方法是指采用互動(dòng)學(xué)習(xí)的方式，在引出一個(gè)新的知識點(diǎn)時(shí)，教師首先將問題提出，讓學(xué)生先進(jìn)行充分討論，通過問題來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，然后由老師進(jìn)行總結(jié)，得出一個(gè)正確的結(jié)論。例如，老師在課堂上給學(xué)生提出問題：如果三相橋式整流電路中，某一相觸發(fā)電路的觸發(fā)信號丟失，整流電路負(fù)載側(cè)輸出的波形會(huì)是什么樣？先請學(xué)生闡述自己的觀點(diǎn)，然后由老師理論講解。教師還可以利用MATLAB程序，在課堂上演示，使學(xué)生加深對理論知識的理解。這種方法可以極大地激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生成為主動(dòng)的學(xué)習(xí)者。問題式教學(xué)方法與國際教育相接軌，國外的教育跟注重人的培養(yǎng)，老師不會(huì)每天給學(xué)生留作業(yè)，通常會(huì)讓學(xué)生準(zhǔn)備課題，上課進(jìn)行討論。國際教育更需要學(xué)生自己主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完全是自己的事，這樣更好地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、語言表述和創(chuàng)新意識。

3.推進(jìn)案例教學(xué)法，引領(lǐng)學(xué)生探究工程實(shí)踐

“電力電子技術(shù)”的理論教學(xué)應(yīng)與電力企業(yè)及日常生產(chǎn)、生活實(shí)例相結(jié)合。實(shí)例可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容穿插引入，課堂上引用的例子盡可能是學(xué)生日常接觸過的或電力行業(yè)中的設(shè)備，這樣學(xué)生會(huì)更感興趣。相關(guān)章節(jié)舉出相應(yīng)實(shí)例，指出課本上的基本電路、基本原理是怎樣運(yùn)用的實(shí)際中去的。這樣一方面能深刻地講述教材上的基礎(chǔ)知識，另一方面能擴(kuò)大學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力，將會(huì)有更好的教學(xué)效果。例如，在講完脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）基本原理內(nèi)容后，通過風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)案例引入變頻器。首先給出變頻器的主電路及各部分參數(shù)要求，其次根據(jù)變頻器的主電路圖，結(jié)合理論課講過的整流、逆變和PWM控制理論給出變頻器的工作原理，最后可以利用MATLAB仿真軟件給出逆變器各參數(shù)波形圖。

同理，在講授電力電子各部分基本知識的基礎(chǔ)上，可以適時(shí)地引入電力企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際案例，使學(xué)生對電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和電力變換對電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的提高、及電力電子新技術(shù)的發(fā)展對新能源、高壓直流輸電和柔性交流輸電技術(shù)等的影響有所了解，以提高學(xué)生的理論知識和實(shí)踐能力。

三、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

“電力電子技術(shù)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)占據(jù)十分重要的位置。通過“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、教學(xué)仿真及學(xué)生的科技創(chuàng)新活動(dòng)等活動(dòng)，構(gòu)成了螺旋上升式的實(shí)踐教學(xué)體系，逐步提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手及應(yīng)用創(chuàng)新能力。

1.課程實(shí)驗(yàn)

電力電子實(shí)驗(yàn)室實(shí)行開放式管理，開設(shè)近十個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師教學(xué)中可根據(jù)需要從中選做5個(gè)的實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)每個(gè)班級分批、分組進(jìn)行，每組最多不超2人，每次實(shí)驗(yàn)都由任課教師和一名電力電子實(shí)驗(yàn)室老師共同指導(dǎo)，這樣教師可以對每組學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)。通過課程實(shí)驗(yàn)，可以增加學(xué)生的感性認(rèn)識，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生對所學(xué)知識的探索欲望，加深對理論知識的理解。

2.仿真教學(xué)

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生完成簡單的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)所要求的電路功能。為完成“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的目標(biāo)，現(xiàn)將MATLAB仿真引入到電力電子技術(shù)的理論與實(shí)踐教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，在掌握基本理論知識的前提下，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識。

在對比目前比較流行的仿真軟件后，發(fā)現(xiàn)MATLAB更適合電力電子仿真。用計(jì)算機(jī)仿真可以方便地進(jìn)行不同器件、不同參數(shù)的比較，進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。MATLAB提供的仿真工具箱SIMULINK，是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，可以根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，它的仿真精度很高，仿真結(jié)果準(zhǔn)確。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真來研究電力電子技術(shù)，有利于提高研究效率，降低研發(fā)成本。

“電力電子技術(shù)”仿真所用到的電氣、電子元件模型全部都包含在MATLAB元件庫里面。在MATLAB提示符下鍵入Powerlib命令，這個(gè)命令將打開SIMULINK仿真窗口，同時(shí)顯示出電力系統(tǒng)模塊工具箱。電力系統(tǒng)仿真環(huán)境簡稱“psb”，它幾乎提供了組成電力系統(tǒng)的所有元件。其中包括：同步機(jī)、異步機(jī)、變壓器、直流機(jī)、線性和非線性模塊、傳輸線路、斷路器、負(fù)荷模型、電力半導(dǎo)體器件、控制元件、測量元件以及信號顯示模塊等等。

應(yīng)用MATLAB軟件，著重研究整流、逆變、斬波及變頻等基本電路的仿真及其波形結(jié)果分析，驗(yàn)證課本中的基本原理。例如整流電路中，對不同的觸發(fā)角、不同的負(fù)載時(shí)參量輸出波形會(huì)產(chǎn)生什么樣的差別等，使學(xué)生能夠?qū)@些比較難以理解的抽象內(nèi)容有一個(gè)直觀的認(rèn)識。如圖1單相橋式可控整流電路原理圖。

在仿真電路中，更改負(fù)載的參數(shù)就可以得到不同負(fù)載類型，如電阻性負(fù)載和阻感負(fù)載。對于相位控制的整流電路來說，控制角的相位直接影響輸出波形，可以利用MATLAB仿真調(diào)整控制角α數(shù)值，觀測單相橋式整流電路的輸出波形，及晶閘管兩端的電壓、電流的波形圖。當(dāng)α=60°時(shí)，各參量輸出如圖2。

MATLAB軟件也可以對一些復(fù)雜電路進(jìn)行模擬仿真，如改變觸發(fā)角對波形的影響、缺相對波形的影響等等，并對其波形結(jié)果進(jìn)行量化分析研究。通過改變各項(xiàng)輸入?yún)?shù)觀察其波形變化，從而使學(xué)生對電路模型能夠熟知和精通，加深印象，改善課堂教學(xué)效果。

3.體驗(yàn)式教學(xué)

根據(jù)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，為提高學(xué)生的實(shí)踐能力，部分課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)可占總學(xué)時(shí)的50%，根據(jù)“電力電子技術(shù)”課程的特點(diǎn)，可將課堂直接搬到仿真實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)基地甚至單位現(xiàn)場。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備結(jié)合所學(xué)的理論知識進(jìn)行講解，加深學(xué)生對電力電子技術(shù)一些抽象概念的理解，做到理論與實(shí)際相結(jié)合。

對一些有興趣的學(xué)生，可以組織參加教師的科研實(shí)踐、學(xué)校或省級科技創(chuàng)新計(jì)劃、全國電子大賽等。很多學(xué)生在比賽中獲得優(yōu)異的成績，取得良好的效果。通過引領(lǐng)學(xué)生參與學(xué)科競賽及科技創(chuàng)新活動(dòng)，使學(xué)生對于知識的應(yīng)用與創(chuàng)新有了完整的體驗(yàn)。

四、結(jié)論

電力電子技術(shù)在不斷地發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容與方式也要相應(yīng)地變化。結(jié)合教學(xué)方法的改革，可引入新的教學(xué)內(nèi)容；理論授課結(jié)合仿真、工程案例和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使枯燥的理論變成體驗(yàn)式課程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生牢固地掌握電力變換的基本理論和當(dāng)今電力電子技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向，豐富知識面，為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：6.

（責(zé)任編輯：王意琴）