“做中學(xué)”戰(zhàn)略下“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式探討

“電力電子技術(shù)”課程是高校電類自動化、電氣工程及自動化等專業(yè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門迅速發(fā)展的新興交叉學(xué)科。課程的應(yīng)用性、實踐性很強，其教學(xué)對學(xué)生實踐能力的提高、啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，具有重要意義。近年來，由于使用的教材和教師的教法的特點，教師將各種電力電子器件、各種結(jié)構(gòu)功能電路作孤立講解，缺乏相互聯(lián)系及系統(tǒng)控制方面的內(nèi)容。學(xué)生普遍存在著對電力電子主電路宏觀概念比較清楚，對控制電路學(xué)習(xí)很少，電力電子電路設(shè)計基本不涉及。出現(xiàn)書本知識與實踐脫節(jié)、動手能力差、懼怕設(shè)計和實驗的現(xiàn)象。此外“電力電子技術(shù)”課程實驗教學(xué)大多屬于演示性或驗證性實驗，限制了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

結(jié)合幾年教學(xué)實踐和CDIO工程教育的特點，對原有的教學(xué)模式進行了改革，將授課內(nèi)容中規(guī)律和特點并加以靈活利用，引導(dǎo)學(xué)生采用發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)和掌握學(xué)習(xí)等創(chuàng)造性學(xué)習(xí)方法、加強理論聯(lián)系實際；從系統(tǒng)角度、實踐角度出發(fā)建立了一套適合于“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)的教學(xué)體系。

教學(xué)思路

在明確教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，首先，教師一定要意識到，興趣是最好的老師，興趣是學(xué)習(xí)的動力和源泉。只要通過有效的興趣培養(yǎng)和教學(xué)方式，就可以讓這些學(xué)生達到甚至超過自己的水平。以科研的態(tài)度和精神貫穿于教學(xué)之中，讓學(xué)生在“學(xué)生做”和“做中學(xué)”激發(fā)課程學(xué)習(xí)熱情。鼓勵學(xué)生走上講臺，敢于大膽走進實驗室；敢于向老師發(fā)難，以“我”為中心，全然不顧“名家”情面。

其次在教學(xué)理念上，以發(fā)展學(xué)生思考能力為本，結(jié)合課程實驗和教師現(xiàn)有的課題進行實踐，建立系統(tǒng)設(shè)計理念，通過對主電路和控制電路、保護電路、檢測電路同時分組進行設(shè)計。CDIO強調(diào)以熟悉產(chǎn)品研發(fā)的生命周期為工程背景的“做中學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，這不是對教師主導(dǎo)作用的弱化，相反對教師在整個教學(xué)活動過程中的掌控能力、自身的知識水平提出了更高的高求。“教師”兼為“導(dǎo)師”，實現(xiàn)學(xué)生在知識獲取過程中的地位由“被動”到“主動”的角色轉(zhuǎn)變：學(xué)生在教師指導(dǎo)下積極、主動地參與實踐，從獨立學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向合作學(xué)習(xí)；從深層次角度講，就是大學(xué)中“物質(zhì)教育”與“自由教育”的轉(zhuǎn)變。在探索、實驗和應(yīng)用中行動上給與相當(dāng)?shù)撵`活性，這樣可以喚起學(xué)生的好奇心，使其熱切地尋求有助于解決問題的知識，同時又具備相當(dāng)?shù)膶嵭泄ぞ摺W(xué)生所具有的創(chuàng)造性的和富有想象力的遠見都將發(fā)揮作用，并能控制其沖動和習(xí)慣。他自己的目的就能指導(dǎo)他的行動。

再次，就教學(xué)方法而言，堅持把工程科學(xué)基礎(chǔ)和工程專業(yè)知識緊密地揉合在一起進行教學(xué)，學(xué)生仍然需要堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。在講述定理、結(jié)論時，要注意理論基礎(chǔ)與專業(yè)知識的結(jié)合。除了應(yīng)用高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理分析內(nèi)容的機理之外，還要講定理、結(jié)論的提出背景、前提條件以及應(yīng)用情況和近代發(fā)展?fàn)顩r等等。在教學(xué)手段上注意應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，如多媒體動畫和系統(tǒng)仿真技術(shù)。熟練的、精心的準(zhǔn)備過的課堂講授仍然是最有效的學(xué)習(xí)和教授經(jīng)驗。

最后，在重點和難點教學(xué)模式上，采用項目或者案例教學(xué)模式，基于問題解決模式的模式；教師引導(dǎo)學(xué)生效仿教師、專家學(xué)者做項目的方法，如專題研討、方案和技術(shù)設(shè)計、仿真模擬和實驗操作等，探索并解決課程內(nèi)容相關(guān)工程應(yīng)用中的現(xiàn)實問題；培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與綜合分析問題的能力。因此恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計題目是項目教學(xué)法運用成功的保證，既不能太難，讓學(xué)生望而卻步，又不能太簡單，沒有挑戰(zhàn)性。這要求教師平時有一定知識積累。“電力電子技術(shù)”實力較強的幾個院校的積極嘗試為我們提供了較好的參考。浙江大學(xué)將“功率因數(shù)校正實驗”等部分實驗項目列為創(chuàng)新設(shè)計型實驗，由學(xué)生自主設(shè)計實驗內(nèi)容和方法，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)以直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電源的設(shè)計為課程設(shè)計的主要內(nèi)容。南京航空航天大學(xué)開發(fā)了“軟開關(guān)逆變電源實驗裝置”課程設(shè)計教學(xué)平臺，以此設(shè)計若干個課程設(shè)計題目。中國石油大學(xué)選擇反激式開關(guān)電源為課程設(shè)計題目。這些題目既緊密聯(lián)系書本知識，又有創(chuàng)新的空間，值得借鑒。

實驗教學(xué)在方式上注重啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與實驗設(shè)計的同時；在時間和內(nèi)容安排上注意了驗證實驗、仿真實驗和綜合設(shè)計實驗的循序漸進。在實踐平臺裝置的設(shè)計上，注意“先進性、實用性、開放性、安全性”的特點，滿足基礎(chǔ)型和綜合設(shè)計型的實驗教學(xué)和實踐活動的要求。使學(xué)生既動手又動腦，豐富工程實踐知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力。同時學(xué)生小組成員之間密切協(xié)作和互相配合，鍛煉學(xué)生的責(zé)任感和協(xié)作、互助的團隊精神。

教學(xué)案例

以“電力電子技術(shù)”內(nèi)容直流-直流變流技術(shù)為例。首先，教師備課時要把自己想象成學(xué)生，想象一下學(xué)生的已知與未知，研究學(xué)生認知與情感發(fā)展的需求，要想到學(xué)生在課堂教學(xué)過程中可能有的變化，從而使備課活動不再是琢磨怎么講能講得清楚、透徹、到位，讓學(xué)生聽得懂、記得牢，要注重的是課堂上學(xué)生怎么學(xué)、怎么動以及為了實踐活動的有效開展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如何點起學(xué)生創(chuàng)新的火花，促使學(xué)生生動活潑地參與，使課堂教學(xué)豐富多樣，把課堂真正還給學(xué)生。

引言部分如講到buck變換器時，先介紹變換器的背景。授課時，按照“識電路”“畫波形”“會計算”“輸出（電壓或電流）控制”四部曲進行。顯然，第四部曲是壓軸大戲。buck變換器的電路原理圖如圖1所示，先講每一個功率器件的工作原理。再從有源開關(guān)V導(dǎo)通，到無源開關(guān)VD因反偏而截止，再到輸出濾波電感儲能（或勵磁），并向負載提供能量；反過來從有源開關(guān)V截止，到電感電流不能突變。故使無源開關(guān)VD正偏而導(dǎo)通，此時電感電流經(jīng)二極管續(xù)流，其儲存的能量繼續(xù)供向負載，并由輸出電壓對其進行去磁。輸出濾波電容作用：主要用來限制輸出電壓上的開關(guān)頻率紋波分量，使之遠小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。

內(nèi)容強調(diào)講穩(wěn)態(tài)關(guān)系和特征。buck變換器的特征公式如式1所示，讓學(xué)生對比以前學(xué)過的理想變壓器的特征公式，說明為什么buck也叫“直流變壓器”。

（1）

第二部曲是利用多媒體動畫技術(shù)演示功率器件開通和關(guān)斷時電路的電流流經(jīng)路徑和主要物理量的波形變化情況。采用MATLAB仿真時所得的波形與課本的波形進行對比，反映了理論知識的現(xiàn)實性。同時對比圖1（b）、（c）圖，對電流下降及上升的原因及“斷續(xù)”和“連續(xù)”概念結(jié)合高等數(shù)學(xué)中 “連續(xù)”的概念不一樣的地方進行辨析。當(dāng)改變參數(shù)使得仿真結(jié)果變化時，也能通過理論分析與仿真調(diào)試，使輸出達到理想狀態(tài)。

第三部曲講授在已知輸入電壓范圍、負載電流范圍和給定的輸出電壓下，利用獲得的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，可以方便計算buck變換器的開關(guān)占空比范圍，從而來計算buck變換器中的元器件電壓穩(wěn)態(tài)應(yīng)力、電流峰值、電流平均值和電流有效值。

在講第四部曲即“輸出（電壓或電流）控制”時，學(xué)生不易明白也看不到。有些內(nèi)容理解不夠具體，如何控制實現(xiàn)的疑問產(chǎn)生。此時重要的是培養(yǎng)學(xué)生有精細、認真、窮追不舍的態(tài)度和敢于提出問題、勇于解決問題的創(chuàng)新精神。學(xué)生參與設(shè)計教師的100V/600A大功率開關(guān)斬波恒流源科研項目，共分四組，每一組完成一個功能設(shè)計調(diào)試或仿真。

第一組學(xué)生設(shè)計不控整流部分的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體參數(shù)：濾波電抗為1200A/0.71mH，整流二極管600A/1600V，鋁電解電容0.3F/400V。

第二組學(xué)生參與斬波電路設(shè)計，設(shè)計的斬波電路圖如圖3所示。通過計算得出電抗器1200A/300μH，C2電容大小190μF/400V。阻容吸收單元選擇電容C3為80μF/450V，選取電阻R1為10Ω。IGBT模塊2MBI1200U4G-120，驅(qū)動模塊在教師的指導(dǎo)下選用瑞士CONCEPT公司的IGBT驅(qū)動模塊2SD315A，該驅(qū)動模塊集成智能驅(qū)動、自檢、狀態(tài)反饋、隔離等功能于一身，能夠驅(qū)動1200A/1200V的IGBT。有的學(xué)生還畫了驅(qū)動電路圖。

第三組學(xué)生設(shè)計了基于TMS320F28335DSP作為控制回路的核心的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器。學(xué)生在CCS集成開發(fā)環(huán)境下編寫的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，在軟仿真下可以明顯看到給定變化引起PWM脈寬的變化。

第四組學(xué)生負責(zé)基于MATLAB下仿真。

在實際設(shè)計中，學(xué)生體會到了控制環(huán)節(jié)如何閉環(huán)、控制量如何檢測，控制算法如何實現(xiàn)，控制信號如何發(fā)出，能量流動必須要有電動勢以及流經(jīng)通路等等。學(xué)生們主動、積極利用老師的科研項目，構(gòu)思、設(shè)計、調(diào)試以及實驗。教師注意發(fā)揮激勵和導(dǎo)向作用，注重肯定、贊賞學(xué)生的點滴進步，讓學(xué)生感受到成功的歡樂，心中喚起自豪感和自尊感。當(dāng)設(shè)計或?qū)嶒炇艿侥康牡闹敢M行時還有措施和方法時，試驗就變成合理的了。此外注意事實的分析和重組是增進知識、增長解釋能力和正確分類的能力所不可缺少的。

總之，“CDIO Initiative”是一個資源開放、寬松自由、包容性強的改革計劃。CDIO計劃并沒有一個適合各專業(yè)課程教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。通過四學(xué)年的教學(xué)實踐，在“做中學(xué)”戰(zhàn)略指導(dǎo)下將原理性電力電子主電路的講解與工程應(yīng)用實例、教師科研課題相結(jié)合。對“電力電子電路”的教學(xué)沒有停留在對其拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理的分析上，側(cè)重了具體電路實例的剖析、仿真及引導(dǎo)學(xué)生對電路的構(gòu)思、設(shè)計及實驗，使分析過程直觀化、理論結(jié)果可視化。在學(xué)生自求的過程中加以輔助，以導(dǎo)為主，將心理狀態(tài)的“自由”與“物質(zhì)世界”的“規(guī)則”有機結(jié)合起來，將“信心和熱忱”傳與學(xué)生，培養(yǎng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)與研究能力。（作者供職于蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院）