產學研新模式下電力電子技術的教學與實踐

摘要：青年教師往往缺乏工程實踐能力和教學經驗，而電力電子技術是電氣自動化專業的核心專業課之一，比較抽象難懂。論述了產學研新模式下電力電子技術教學的實踐經驗和教學技巧。首先，教師自身要通過產學研踐習和新老教師結對子等形式提高工程實踐能力，夯實基礎，錘煉內功，形成自己的教學風格和教學體系。其次，教師要順應技術發展，科學編排教學內容，將現代多媒體教學手段與電氣仿真技術融合到傳統教學藝術中。此外，創建專業實驗平臺是培養和鍛煉學生實踐能力的有效途徑。

關鍵詞：電力電子技術；產學研踐習；多媒體教學；電氣仿真；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0039-02

電力電子技術的發展十分迅速，教學內容從單一的可控硅整流到現在的四大變流電路，變化大、發展快、應用廣是該課程的特點。[1-3]扎實深厚的專業知識和豐富廣博的實踐經驗是教好電力電子技術的前提和保障。青年教師往往缺乏教學經驗，容易照本宣科。為了克服這一點，青年教師應該積極參加產學研踐習等活動來提高工程素質、豐富工程實踐經驗，并通過與老教授結成對子，學習寶貴教學經驗，不斷更新知識體系，提高教學技巧。本文從教學經驗積累、教學內容編排、教學手段探究、實驗平臺創建等方面對電力電子技術的教學與實踐進行了初步的研究和探索。

一、教學能力提升：產學研豐富教師實踐能力，結對子提升教學水平

1.產學研踐習計劃為青年教師助力啟航

電力電子技術是一門實踐性很強的課程，要求教師不但要具有扎實的理論基礎更要具備較高的工程素質，而高校教師的工程素質更是決定是否能培養合格的工程應用型人才的關鍵所在。產學研合作是青年教師面向行業、在企業一線參與項目踐習、實現成果轉化、提高工程素質和教學能力的有效途徑之一。近年來，上海市教委聯合高校為新進教師制訂產學研踐習計劃，青年教師在企業和高校兩名導師的幫助下，可以近距離了解企業的現代生產過程、技術研發設計、工程開發、工藝流程等；可以熟悉企業相關崗位職責、操作規范、管理制度及生產情況。2012年筆者在上海高校產學研踐習計劃的資助下赴南京冠亞電源有限公司踐習，參與了500kw光伏并網逆變器方案設計和電站物聯網組網系統項目，并將所參與的項目凝練為經典案例。具體案例在電力電子技術教學中的應用如表1所示。此外，筆者與產學研踐習單位建立長期的合作關系，包括項目合作研發、工程碩士培養和本科生實習實訓基地等方面的合作。

2.與資深教授結成對子，學習寶貴教學經驗

青年教師的教育教學水平是決定高校人才培養目標能否實現的關鍵要素。華東理工大學為幫助青年教師走好職業生涯的第一步，成立青年教師教學能力培訓基地，充分利用學校現有的國家精品課程和上海市精品課程群、上海市教學團隊和高層次的企業校友團隊，為青年教師搭建教學能力、工程能力訓練的平臺。2012年筆者入選華東理工大學青年教師培訓基地，與電力傳動課題組資深教授結成對子，全程旁聽了“電力拖動基礎及實驗”64學時的課程。筆者的教學導師有著多年從事電氣工程基礎教學的經驗和豐富的工程實踐經歷，通過與資深教授結成對子，筆者在教學的諸多環節，比如怎樣把握課堂氣氛、理順講解思路、繪制黑板板書、制作多媒體課件、應用仿真動畫軟件、為學生解疑答惑等方面都受益良多。

二、教學內容：科學編排教學內容，順應技術發展

近三十年來，全控型器件和計算機控制技術的發展為電力電子技術帶來了一場新的革命。該課程的教材也幾經改版，不斷將新器件、新技術更新到教材內容中去。大多數電力電子技術的教材都是先介紹電力電子器件再介紹四大變流電路。[1，2]考慮到電力電子器件種類繁多，結構、特性參數各不相同，大多數知識點又涉及到半導體物理的知識，半控型器件與全控型器件之間本身的關聯性也不大，如果混在一起教學，會使學生在學習之初就產生畏難情緒。為了使得教學內容能夠便于學生的理解和掌握，筆者考慮以電力電子技術的發展為主線，在授課之前對教材的章節重新做了調整與整合。

調整之后的授課內容主要分為三部分，共40課時。第一部分介紹了晶閘管器件和可控硅整流電路。第二部分介紹了全控型器件和應用全控型器件的變流電路。第三部分介紹了電力電子技術的應用。課程教學安排的主線如圖1所示。整合后的授課安排順應了電力電子技術的發展歷程，從經典的可控硅整流電路到目前應用非常廣泛的全控型變流電路，讓學生在掌握基礎知識的同時也能感受到技術發展的趨勢所在，使學生了解到正是半導體器件的發展和計算機控制技術的進步才帶來了電力電子技術的革新，從而讓學生對電氣工程培養方案中整個知識體系的結構和課程間相輔相成的關系理解得更加透徹。[4]

三、教學手段：將多媒體教學和電氣仿真技術融入傳統教學藝術中

1.多媒體教案的精心設計

好的內容一定要有好的教學手段作為輔助才能取得好的教學效果。多媒體教學在電力電子技術的教學中發揮了很重要的作用，[5]比如筆者在講授脈沖寬度調制（PWM）技術的理論基礎“面積等效原理”時，設計一個動畫形象地展示了沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用在一個典型的慣性環節上輸出響應的波形，并用模擬示波器畫出輸出響應的時域和頻譜波形，讓抽象的理論知識簡單明了地展現在學生面前。筆者進一步設計動畫，讓學生了解面積等效原理的實現過程，演示如何將連續的正弦波切分成寬度相等幅值按正弦規律變化的窄脈沖，再根據面積等效原理利用等幅不等寬的矩形脈沖來代替正弦波脈沖，讓學生能完整并形象地了解SPWM技術的實現。[1]

2.電氣仿真技術的嫻熟應用

除了利用精心設計的PPT課件和動畫演示，采用電氣仿真技術也是近年來電力電子教學過程中很好的趨勢之一。[6]仿真技術是現代電子電路研究分析和設計的重要手段之一，雖然該課程配備了相應的實驗和實踐環節，但是如何在課堂上用最有限的時間形象地演示電路的工作過程，仿真環節起到了不可或缺的重要作用。MATLAB軟件具有電氣系統的仿真工具和專門的模塊庫。MATLAB/Simulink/Power System Blockset模型庫中包含了常用的電力電子器件模型，還提供了整流、逆變電路模塊及相對應的驅動模塊，為構建和編輯電力電子電路并進行調試和仿真提供了一個方便且功能齊全的平臺。[2，6]

在MATLAB仿真軟件中只需在輸入側和輸出側的觀測點設置電壓和電流表，即可讓學生能清晰地觀察波形和相位之間的對應關系。此外，電路仿真還可以方便地編輯電路的結構，調整控制角的位置，更改負載的性質等，使得原本教師單方面的授課變成了教師和全體學生都可以共同參與的電路調試與分析。MATLAB仿真使得原本比較難理解的章節如“變壓器漏抗對整流電路的影響”（如圖2所示）、“電容濾波對整流電路的影響”可以形象生動地展現給學生，通過教學互動，讓學生上講臺調節阻抗、容抗、調節輕載和重載，可以自如地分析不同情況對輸出側電壓波形的影響。

3.現代電氣化教學手段與傳統教學藝術的有機結合

現代教學手段給教師和學生都帶來了便利，但是不能忽略傳統教學中教師精美的板書、步步深入的剖析、豐富而激昂的講解，這一切都為學生營造了很好的教學氛圍。許多教室的多媒體設備安裝在教室的角落，教師如果忽略了傳統教學藝術的精髓，很容易將活動范圍限制在電腦面前。[7]只有將現代教學手段與傳統教學藝術有機結合，在演示電子教案的同時，走下講臺，與學生互動，遇到疑難知識點與同學們一起分析電路、繪制波形、計算參數，這樣才能讓學生印象深刻，學有所獲。

四、創建實驗平臺：專業實驗提高學生實踐能力

電力電子實驗平臺可以加深學生對專業課的認識和提高學生的實踐能力。[8]為了配合電力電子技術的教學，同步開設了“電力電子技術實驗課”，一共分6個必做實驗，設有：鋸齒波同步移相觸發電路實驗；單相橋式整流電路實驗；三相半波可控整流電路實驗；三相全控整流電路及有源逆變實驗；直流斬波電路實驗；單相正弦波脈寬調制（SPWM）逆變電路實驗。在實驗中，教師應多鼓勵學生觀察和思考各種實驗現象，啟發學生思考實際波形和電量計算值與理論值之間的差異，培養學生發現問題及解決問題的能力。此外，還開設了新能源創新實驗室，為學生開設新能源發電、微電網運行與控制方面的創新實驗，設有：三相光伏并網控制技術方法實驗；孤島檢測方法實驗；太陽能最大功率跟蹤方法實驗；微電網運行與控制技術實驗；微電網保護方法實驗。

五、總結

為了能提高工程素質，形成自己獨有的教學風格，筆者參與了2012年度上海市產學研踐習計劃，在企業和高校資深導師的指導下，完成了新能源項目的踐習，將所見所學凝練成為經典教學案例，并在教學內容、教學手段、教學實踐等環節都進行了有益的探索，總結為以下幾點：第一，教師自身要注重培養實踐能力，積累現場經驗，在行業應用的大背景下教學，讓學生清晰地了解所學知識的重要意義，激發學習的興趣和學以致用的熱情。第二，電力電子技術的發展很快，教學內容必須要適應技術的革新，要做到在有限課時的教學中重點突出，層次清晰，難易有別。第三，電力電子技術注重電路和波形的分析，為了增強教學的效果，激發學生的興趣，要根據教學內容的特點，精心設計多媒體課件和動畫演示，把電氣仿真技術引入課堂。第四，在教學過程中，要記住時刻以學生為學習的主體，一切以學習的效果為目的，走下講臺積極與學生互動。第五，為了提高學生的工程實踐能力，適應當前社會的需求，要給學生提供動手實踐的平臺，配合課堂教學增加專業實驗和課程設計環節。

參考文獻：

[1]王兆安.電力電子技術[M].第五版.北京：機械工業出版社，2009.

[2]洪乃剛.電力電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]馬曉宇.淺析《電力電子技術》課程項目教學改革[J].科協論壇，2012，（12）：178-179.

[4]劉偉，賀曉蓉，賀娟.電氣工程及自動化專業卓越工程師培養模式探討[J].中國電力教育，2012，（6）.

[5]黃杰.互聯網教學平臺對電力電子技術教學和學習模式的影響[J].中國科教創新導刊，2012，（34）：166-168.

[6]劉恒娟.MATLAB仿真在電力電子技術教學上的應用[J].信息技術，2012，41（6）：154-155.

[7]戴兵，劉勇.電子教案與傳統教學藝術的有機融合[J].南通工學院學報（社會科學版），2004，20（3）：97-99.

[8]梁梅.電力電子技術綜合實驗平臺的研究與建設[J].中國現代教育裝備，2012，（13）：16-17.

（責任編輯：王意琴）