《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革探討

李軍徽++嚴(yán)干貴++張?zhí)煅?+王汝田

【摘要】《電力電子技術(shù)》是電氣類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，為了適應(yīng)電氣工程學(xué)科的發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，我校秉承“一個核心、三個重點(diǎn)”的教學(xué)理念，從理論和實(shí)踐教學(xué)兩方面進(jìn)行課程改革。實(shí)踐證明，這些改革有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維和方法，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】電力電子；教學(xué)改革；教學(xué)理念；理論教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

【基金項目】吉林省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度課題《新能源形勢下電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐》（ZC13072）；東北電力大學(xué)校教改項目《多功能電力變流實(shí)踐創(chuàng)新平臺建設(shè)》。

【中圖分類號】TM1-4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）17-0010-02

我校《電力電子技術(shù)》課程創(chuàng)生于1995年，是國內(nèi)電力高校較早開設(shè)該課程的學(xué)校之一，課程創(chuàng)始人為國內(nèi)電力領(lǐng)域知名專家駱濟(jì)壽教授。電力電子技術(shù)是以提高電能質(zhì)量及其使用效率為目標(biāo)的一門基礎(chǔ)性技術(shù)[1-2]。隨著現(xiàn)代大功率電力電子器件制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用（例如同步發(fā)電機(jī)組的可控硅勵磁、柔性交流輸電-FACTS、高壓直流輸電HVDC、變頻節(jié)能、可再生能源發(fā)電和大功率儲能等），導(dǎo)致電能的產(chǎn)生、傳輸、存儲和利用都發(fā)生了革命性的變化，已成為現(xiàn)代電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)“安全、高效、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)電能供應(yīng)”的重要支撐技術(shù)[3-5]。同時，上述新型發(fā)電、輸電、用電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，又導(dǎo)致現(xiàn)代電力系統(tǒng)在工程設(shè)計、運(yùn)行控制、維護(hù)管理、研制開發(fā)等方面將發(fā)生重大變化，從而對電氣工程技術(shù)人員的能力提出了新的更高的要求[6-8]。因此，《電力電子技術(shù)》課程是“電氣工程及其自動化專業(yè)”的重要必修技術(shù)基礎(chǔ)課[9-10]。

本課程組從2004年開始進(jìn)行教學(xué)改革，以校級教改項目——《電力電子學(xué)課程內(nèi)容方法及手段的改革》（2004年）為發(fā)端，從教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)方法和教學(xué)手段建設(shè)等方面，持續(xù)開展了系列課程建設(shè)與改革，其中《電力電子學(xué)課程內(nèi)容方法及手段的改革》研究成果獲2008年校級教學(xué)成果二等獎，《電力電子技術(shù)》課程目前已經(jīng)被評為吉林省省精品課。

本課程組注重加強(qiáng)自身教學(xué)水平和教育能力建設(shè)。課程組成員積極參加科學(xué)研究，主持承擔(dān)了多項國家級、省部級科研項目，取得了以國家科技進(jìn)步二等獎為代表的一批獎項。通過科研實(shí)踐不斷提升了自身的理論水平和研究能力，助推了教學(xué)水平和教育能力的提高。課程組教師堅持科研成果引入課堂、引入實(shí)驗室，追求理論與實(shí)踐相結(jié)合的最大化和最優(yōu)化。

一、《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)理念

我校自從1995年創(chuàng)立《電力電子技術(shù)》課程以來，經(jīng)過不斷地積累，特別是近些年來在教學(xué)改革方面的探索與實(shí)踐，逐步形成了我校特有的教學(xué)理念。可將其概括為“一個核心，三個重點(diǎn)”。

“一個核心”指以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維和方法為核心。只有以此為核心，才能不斷提高學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)和工作當(dāng)中能夠活學(xué)活用、舉一反三，正所謂“授人以魚不如授人以漁”。

“三個重點(diǎn)”一是以常用電力電子器件的開關(guān)特性為主線；二是掌握分段線性化思想的電力電子電路分析方法；三是注重對變流電路的性能分析與評價。電力電子器件的開關(guān)特性貫穿了《電力電子技術(shù)》課程的始終，首先要掌握相關(guān)電力電子器件的開關(guān)特性，并且根據(jù)電力電子器件的通態(tài)、斷態(tài)、開通、關(guān)斷的伏安特性，采用分段線性化思想，將電力電子電路分析問題轉(zhuǎn)化為基本電路分析問題，與此同時，還要以對變流電路的性能分析與評價為宗旨，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維和方法。

二、理論教學(xué)方面的教改措施

1.精選教學(xué)內(nèi)容

我校《電力電子技術(shù)》課程在2003年以前，一直是以半控型功率器件——晶閘管及其應(yīng)用為主要內(nèi)容，已難以反映電力電子技術(shù)的最新發(fā)展情況，更無法反映現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

課程組教師通過對教學(xué)內(nèi)容的重新審視，精選課程內(nèi)容，遵循“元器件-電路系統(tǒng)-電路系統(tǒng)控制”的邏輯，增加了全控型電力電子器件、電壓型逆變電路和PWM控制技術(shù)等內(nèi)容，確定了以電力電子器件、四種典型變流電路、PWM控制技術(shù)等為主要內(nèi)容，重點(diǎn)突出電力電子器件的開關(guān)特性和分段線性化思想的電力電子電路分析方法，幫助學(xué)生掌握非線性時變周期性電路分析方法和電力變流原理，并注重對變流電路的性能分析與評價，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和方法。

課程體系圖如圖1所示。采取“經(jīng)典與現(xiàn)代相統(tǒng)一”的原則，突出相控整流電路和PWM電壓源型逆變電路這兩部分內(nèi)容，兼顧了授課內(nèi)容的基礎(chǔ)性和先進(jìn)性。通過課程基本內(nèi)容幫助學(xué)生建立技術(shù)意識和工程意識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和方法。

圖1 課程體系

注重科研成果進(jìn)課堂，先后將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)等領(lǐng)域的科研成果以專題課形式引入課堂。在10余年的課程建設(shè)過程中，該課程組由創(chuàng)生時的一門專業(yè)選修課程發(fā)展成為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，進(jìn)而衍生出以《FACTS技術(shù)》、《風(fēng)力發(fā)電》為代表的反映學(xué)科前沿的現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的新型發(fā)輸電課程群。

2.改進(jìn)教學(xué)方法

主要采用講授法實(shí)施研究性教學(xué)，以充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和教師的科研素質(zhì)，使得每位同學(xué)能夠在較短時間內(nèi)獲得系統(tǒng)的電力變流知識；通過引入“高壓直流輸電”、“靜止無功補(bǔ)償器”等新型電力工程技術(shù)，采用討論法，幫助學(xué)生建立電力變流技術(shù)對改善電網(wǎng)運(yùn)行性能的作用機(jī)理，幫助建立“技術(shù)意識與工程意識”；采用演示法，在課堂引入電力電子變流電路的仿真及實(shí)物展示，幫助學(xué)生形成直觀的物理概念。

3.優(yōu)化教學(xué)手段

根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)（非線性動態(tài)受控周期性電路分析、基礎(chǔ)性強(qiáng)），由單純板書授課方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍟绞綖橹鳎嗝襟w教學(xué)、隨堂練習(xí)為輔的多樣化教學(xué)。endprint

板書授課方式的優(yōu)點(diǎn)是板書內(nèi)容能夠很好地反映教師的授課思路，學(xué)生容易跟隨教師的授課思路，便于課堂內(nèi)容的當(dāng)場消化；其不足是信息量較少、表現(xiàn)手段單一，難以有效地表達(dá)現(xiàn)場感和動感強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，影響了學(xué)生對授課內(nèi)容的準(zhǔn)確理解。

為此，本課程組進(jìn)行了教學(xué)手段改革，制作了多媒體課件，個別章節(jié)內(nèi)容還配置了動畫，將反映電力電子電路動態(tài)特性的多電氣量的變化波形以更加形象、直觀、準(zhǔn)確的方式刻畫出來，有效地提高了課堂教學(xué)效果；利用諸多大型電力電子設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用圖片，展示了以電力電子技術(shù)為核心的學(xué)科前沿技術(shù)，激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，開闊了學(xué)生們的專業(yè)視野；采用隨堂布置思考題的方式，引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)過的內(nèi)容進(jìn)行更深層次的思考。

輔助于這些多媒體課件，學(xué)生普遍反映這門課不像傳言的是一門“難懂、繁瑣并枯燥”的課程，而是“非常有意思（教學(xué)方法使得電路工作過程直觀）、非常形象（多媒體引入大量的現(xiàn)場實(shí)例圖片）”的課程。

三、實(shí)踐教學(xué)方面的教改措施

面對學(xué)生數(shù)較多的情況，設(shè)計了以驗證性實(shí)驗為主的基本實(shí)驗內(nèi)容，以滿足學(xué)生的共性要求，開發(fā)出了適合于課程內(nèi)容要求的試驗項目，開設(shè)了2個驗證性實(shí)驗（三相橋式全控整流電路實(shí)驗、直流斬波電路實(shí)驗）、2個設(shè)計性試驗項目（采用自關(guān)斷器件的單相交流調(diào)壓電路、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及其驅(qū)動電路特性分析），為提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力提供了重要的實(shí)踐平臺。

為滿足學(xué)生的個性化、多樣化的要求，還創(chuàng)設(shè)了“綜合性、設(shè)計性、研究性、自主開放型”等自選實(shí)驗，為激勵學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。所選題目均為電力電子技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用新技術(shù)，如風(fēng)力發(fā)電、高壓直流輸電、高功率因數(shù)整流器等。通過這些實(shí)驗，使學(xué)生了解電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，掌握學(xué)科前沿知識。

四、教學(xué)改革成果

《電力電子技術(shù)》教程改革，有效地激發(fā)了學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，并產(chǎn)生了較好的育人效果。學(xué)生座談會及問卷調(diào)查對課程組教師教學(xué)效果評價均很好，學(xué)生測評優(yōu)良率≥85%。90%以上的教師教學(xué)督導(dǎo)組和院部同行評價結(jié)果均為良好以上。

自2004年以來，每年都有10余名學(xué)生選擇電力電子技術(shù)類的電子設(shè)計，并在全國及吉林省電子設(shè)計競賽中獲獎；每年還有50余名同學(xué)選擇電力電子技術(shù)方向的畢業(yè)設(shè)計，其中，有1篇本科畢業(yè)設(shè)計成果發(fā)表在第一屆高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會，有多篇本科生畢業(yè)設(shè)計成果被評選為校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計，并被學(xué)校校報選中作為優(yōu)秀畢業(yè)論文。

參考文獻(xiàn)

[1]趙爭鳴，施博辰，朱義誠.對電力電子學(xué)的再認(rèn)識——?dú)v史、現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報，2017，32（12）：5-15.

[2]周威.我國電力電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（5）：246-246.

[3]徐赫陽.電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（6）：223-223.

[4]張恒友.電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（23）.

[5]龍文.電力電子技術(shù)在無功補(bǔ)償自動控制中的應(yīng)用[J].電子世界，2017（6）：173-173.6

[6]王斌，王顥雄，胡艷，等.電氣工程及其自動化專業(yè)強(qiáng)化電力電子技術(shù)的教改實(shí)踐[J].中國電力教育，2007，2007（3）：88-89.

[7]李平.“卓越工程師培養(yǎng)計劃”下的電力電子技術(shù)教改探索[J].中國科技信息，2012（17）：152-152.

[8]賈曉芬，蔣粉紅，高威.關(guān)于電力電子技術(shù)教學(xué)方法的探究與改革[J].科技信息，2014（3）：82-82.

[9]李文謹(jǐn)，王恩亮.淺談以應(yīng)用型為目標(biāo)的電力電子技術(shù)教學(xué)改革[J].科技視界，2014（34）：92-92.

[10]李久勝，王明彥，孫鐵成，等.研究型大學(xué)中“電力電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32（s1）：79-82.

作者簡介：李軍徽（1976-），男，陜西寶雞人，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院教師、副教授，工學(xué)博士，主要從事新能源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及電力電子技術(shù)教學(xué)工作。

嚴(yán)干貴（1971-），男，江西鷹潭人，東北電力大學(xué)科研處處長、教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，主要從事新能源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及電力電子技術(shù)教學(xué)工作。endprint