電力電子技術課程設計教學模式改革與創新

艾青　李紹武　陳坤　李沁

摘 要：結合應用型本科高校的培養要求，對我校電氣工程及其自動化專業的電力電子技術課程設計的教學模式開展研究。加強課程設計教學過程管理，改革實踐教學方法及手段，通過多種途徑開展創新實踐教育。通過改變傳統教學模式不僅增強了學生的學習興趣，還提高了他們的工程實踐能力和創新能力。

關鍵詞：教學模式；工程實踐；創新能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）04-0035-03

Abstract： Combining the training requirements of applied undergraduate universities， this paper studies the teaching model reform in the power electronic technology courses in our school through a variety of ways to carry out the innovation education practice. Changing the traditional teaching mode not only enhances the students' interest in learning， but also improves their engineering practice ability and innovation ability.

Keywords： teaching mode； engineering practice； innovation ability

我校電氣工程及其自動化專業從1993年開始招本科生，經過二十多年的建設發展，為地方社會經濟發展培養了大量的工程技術人才。近年隨著應用型本科教育的推廣，為適應現代化建設的發展需要，工程技術人才的創新實踐能力更加突出。隨著硬件技術的快速發展，電力電子技術在電力系統中的應用越來越廣泛，高壓直流輸電就是典型的代表。同時在新能源并網發電以及大量的開關電源等應用領域加速發展，電力電子技術應用已滲透到國民經濟各部門，對電力電子技術的人才的需求大并且要求越來越高[1，2]。

課程設計是電力電子技術實踐教學的重要組成環節。其目的不僅要求學生掌握基本電力電子器件的性能和應用方法，而且要求學生具備基本電力電子電路的設計能力，更要培養學生在電力電子技術應用領域中工程實踐能力和創新的能力[3]。本文根據電力電子技術課程設計教學大綱要求，從教學過程管理、教學方法及手段、創新實踐教育等方面進行教學研究。

一、教學過程管理

課程設計教學環節的過程管理就是通過一系列的事先定義好的計劃和綱要，來組織、協調和監管整個課程設計過程，完成課程設計目標[4]。電力電子技術課程設計的目的是訓練學生綜合運用已經學過的電力電子變流電路的基礎知識，獨立查找資料、設計方案、選擇器件，設計電路、分析撰寫課程設計報告。通過這一環節的學習加強對電力電子技術基本理論、基本分析方法和基本技能的培養和訓練，加深對變流電路基本理論的理解，提高運用基本技能的能力。課程設計教學過程管理的主要環節如圖1所示。

（一）編寫任務書

根據電力電子技術課程設計的教學大綱，編寫課程設計任務書。一般情況是由教師直接下達給學生，旨在讓學生明確課程設計的任務及要求，引導學生主動查閱資料，理清設計思路從而為方案論證做好準備工作。

任務書的具體要求包括：提交設計報告，報告中要求有設計系統的理論分析計算和仿真分析計算的過程和結果；設計報告要提供各元器件的選型清單；要求根據設計報告制作實物，并將實物測試數據寫入設計報告中。

根據本校實際情況，任務書課題包括基礎題和提高題，主要包括兩個工程應用方面的主題供學生選擇：一個是戶用光伏并網系統中的電力電子技術應用；另一個就是不間斷電源中的電力電子技術應用。其中基礎題包括：（1）單相橋式整流電路的設計；（2）升壓斬波電路的設計；（3）非隔離降壓斬波電路設計；（4）單相橋式無源逆變電路設計等。每個課題指定具體的參數要求。例如基礎課題（1）的參數要求如下：電網供電電壓為單相220V；電網電壓波動為-5%～+5%；輸出電壓Ud為0～150V；負載為反電勢阻感性負載E=50，R=100，L=800mH。

提高題包括：（1）直流穩壓電源設計；（2）恒流源設計；（3）交流變頻電源設計；（4）中頻感應加熱電源等。同樣每個課題指定具體的參數要求例如課題（4）的參數要求如下：線電壓額定值380V，頻率：50Hz±1%，波動系數：A=0.95～1.1；輸出功率：P=10W；輸出最大功率：Pm=15W；感應加熱用額定頻率f=1kHz；功率因數：cosΦ=0.81；盡量減小輸出波形的失真。

確定課程設計任務書的要求和具體課題后，根據學生實際情況進行課程設計分組，每組同學3～4人為宜，可以培養學生團隊協作精神。具體到每一組設計成不同的參數和要求，引導學生明確自己的任務并有一定的學習考核壓力。

（二）方案論證及系統設計

方案論證是課程設計的關鍵環節，充分的論證不僅能提升學生相關的理論知識，鍛煉工程實踐能力，也為后續的系統設計打下良好的基礎。經過小組內的同學的討論、查找資料、形成初步方案，并最終在指導教師審核下確定出小組最佳方案，并要求畫出一個能表示各單元功能的整體原理框圖，提交方案論證報告。同時要加大方案論證環節的考核，提高該環節在課程考核中的占比，從而調動了學生參加的積極性。

首先是主電路設計及選擇電力電子器件。包括以下幾個環節：（1）按照設計任務書，選定主電路拓撲；（2）計算待設計系統各項參數，并選定各元器件；（3）根據選定元器件，仿真驗證是否滿足任務書要求；（4）并撰寫詳細的元器件參數計算方法、元器件選定原則報告。

其次是輔助電源、控制電路及驅動電路、保護電路的設計包括以下幾個環節：（1）按照選定元器件及任務書要求，設計輔助電源；（2）設計控制電路、驅動電路；（3）設計保護電路；（4）撰寫詳細的設計報告。

第三個是焊接主電路、輔助電源、控制電路及保護電路，包括：（1）根據設計報告及選定元器件，焊接主電路、輔助電源、控制電路及保護電路；（2）分塊調試，測試各電路的性能是否滿足要求。

最后是系統聯調階段，包括（1）將焊接的各電路模塊按照設計系統要求連接，并進行系統聯合調試；（2）對系統的各項參數指標進行測試；（3）撰寫詳細的試驗報告。

系統設計環節按照小組內分工可以同步進行，根據工作量控制課程設計的周期。并要求在小組內部經常交流分享。在各個節點同一課題相關的幾個小組之間可以進行對比交流學習，取長補短。

（三）總結及考評

課程設計最后一個任務是整理、提交設計成果，包括（1）完善設計成果外觀，設計演示匯報流程；（2）完善設計報告，仿真報告及試驗報告；（3）演示匯報。

要求提交的材料包括：（1）電力電子裝置設計報告；（2）電力電子裝置仿真報告；（3）電力電子裝置實物及其試驗報告。

在課程設計的過程中會遇到各種各樣的問題，系統聯調時間也較長，課題完成后進行分析和總結很有必要，這也是學生考評中要回答的內容。教學實踐表明改進課程設計的考核體系能大大提高學生的學習效果，特別是在教學過程中問答式的軟考評方式不僅能提高學生參與度，并且可以形成良好的交流學習環境，學生的認可度也較高。教師應該積極地設法改進和進一步完善考評方式，引導更多學生積極主動參與課程設計。

二、教學方法與手段

課程設計相對是一門比較開放的課程，教與學的彈性空間比較大，良好的教學方法和手段對教學效果影響較大。研討式教學通過給定的主題，將課程班里的學生分成若干小組進行準備和討論，在小組討論后推選學生代表小組發言，并且和教師或其他小組開展交流問題的教學方式[5]。電力電子課程設計的教學過程安排正好適應研討式教學方式。同一個大課題下的多個小組集中參加教學過程，完成階段性的任務后進行研討教學，其他小組的成員可以向他提問，教師也要求參與討論，本小組成員可進行補充。通過這種方式讓各小組之間形成一種競爭與交流，不僅能表達自己的觀點，更重要的在于知識的交流和學習，這個過程中教師要注意引導和參與，把握要點，控制好時間。

采用研討式教學不僅可以充實教學過程，更重要的是體現了學生的主體地位，真正做到教學相長，增進師生間的溝通與了解，并且加強小組間學生的交流。

采用軟件仿真與實驗結合的教學手段不僅能提高課程設計的效率，而且能拓展學生學習的時間和空間，利用課余時間課題小組內的同學能夠加強交流和學習。通過電路仿真能對所設計的電路進行驗證，降低實驗成本和縮短時間周期。在課程設計實驗調試階段，每個小組在基于同一仿真軟件構建的虛擬實驗平臺上進行電路仿真，可以方便的與實際硬件電路進行對比分析，提高工程實踐中分析問題，解決問題的能力。

下面通過常用的電力系統仿真軟件MATLAB進行戶用并網光伏發電系統中電力電子變換電路相關知識進行仿真教學。其中重點關注逆變電路的最大功率點跟蹤（MPPT）控制。其中，逆變電路控制模塊中需要學生了解MPPT控制算法實現的過程，方便學生在硬件電路設計中通過反饋信號形成閉環控制實現并網光伏發電系統的優化運行。并網光伏發電系統整體仿真模型如圖2所示。

仿真過程中考慮光照的變化從250W/m2開始，最后穩定在750W/m2。光伏板輸出的電壓和功率如圖3所示。從仿真輸出的結果可以看出隨著太陽光照的變化，調節光伏板輸出電壓能夠跟蹤最大功率工作點，從而提高光伏發電系統的運行效率。

三、創新實踐教育

根據本校的實際情況，創新實踐教育的主要包括校企合作引入的工程實踐問題，教師科研項目中涉及的研究問題，大學生創新實踐中心提供的創新實踐項目三種形式。結合卓越工程師的培養計劃，要求重點培養學生工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力，因此在電力電子技術課程設計教學中需要引入綜合性、創新性試驗內容[6]。

校企合作引入的工程實踐問題主要體現在課程設計任務書上，每個小組的課題可以有針對性的在任務書中明確自己研究的重點，結合工程實踐如何進行相應的設計。校企合作的方式讓學生完成的課程設計作品更加接地氣，增強他們的工程意識，提高學生的工程實踐能力。

教師的科研項目一般具有創新點，在申請到相應的教學科研項目后，將其中學生能夠參與的項目研究內容設計到課程設計中，有意識地培養學生的參與意識和動手解決問題的能力。不僅推動科研項目的建設，也鍛煉了學生的科研創新意識。

學生創新能力的培養可利用學校的創新實踐中心，電力電子技術課程設計可以同意學生自擬課題，但要滿足一定條件并通過教師審核。學生可以自主參加大學生創新創業訓練項目，參加各種形式的競賽，用競賽項目來激發學生對本門課程的興趣，將創新實踐的內容引入課程設計。較好的創新成果能可以轉化成論文或申請專利，進一步促進教學良性發展。

四、結束語

本文以學生的實踐能力、創新能力為核心，分別從教學過程管理、教學方法與手段、實踐創新教育幾個環節對電力電子技術課程設計教學模式進行了改革和實踐。通過本校近幾年的實踐表明，教學模式的改革能夠激發學生自主學習的能力，提高學生分析問題、解決問題的能力以及工程實踐動手能力，為培養具有創新能力的工程應用型人才奠定良好的基礎。

參考文獻：

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