電力電子技術實驗教學在新工科培養模式下改革與探索

劉飛 查曉明 徐箭

摘 ?要：新工科強調人才培養模式由學科導向轉為產業需求導向，電氣學科與能源、環境、交通、信息以及人工智能等領域有學科交叉特點，教學培養模式轉向多課程、多學科融合。因此文章闡述了武漢大學電力電子技術實驗課程在新工科背景下教學創新的必要性與建設目標，并提出了新能源發電、柔直輸電以及電機變頻調速的本科教學綜合性實驗方案，以期增強學生對電力電子在新能源應用的理論知識理解，并提升對電力電子這門課程學習與創新興趣，滿足新工科電力電子人才培養的需要。

關鍵詞：新工科;學科交叉;人才培養;綜合性實驗

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）12-0129-03

Abstract： The new engineering emphasizes that the talent training mode is changed from the discipline-orientation to the industrial demand orientation. The electrical engineering has interdisciplinary characteristics in the fields of energy， environment， transportation， information and artificial intelligence， and the teaching and training mode transfers to multi-curricular and multi-disciplinary integration. Therefore， this paper expounds the necessity and construction goal of the teaching innovation of Wuhan University's power electronic technology experiment courses under the background of new engineering， and proposes a comprehensive experimental program of undergraduate teaching， which contains renewable energy power generation， flexible DC power transmission and variable frequency motor speed control， expecting to enhance the students' understanding of theoretical knowledge of power electronics in the application of renewable energy， and raise their interests in the course of power electronics， to meet the needs of new engineering power electronics talents training.

Keywords： new engineering; interdisciplinary; talent training; comprehensive experiment

一、以新能源建設平臺促進多學科交叉

武漢大學作為百年名校，是中華人民共和國教育部直屬重點綜合性大學和國家“雙一流”建設A類高校。改革開放以來，武漢大學在理科和文科領域已取得了豐碩的國內外領先研究成果，但學科壁壘也使這些優秀的科研成果未能在工程學科方面得到很好的發揮應用。一方面使武漢大學的學科交叉優勢未能得到發揮，另一方面也制約了學校工程相關學科對國內學科發展前沿的占據。特別是工程領域的電氣工程、自動化傳統學科，近年來處于較為緩慢的發展狀態，無一入選國家“雙一流”重點建設學科，不僅學科排名與武漢大學的國內著名大學地位不符，而且在人才引進和培養、學科建設、科研項目以及高水平學術論文發表等諸多方面，難以滿足國家未來能源戰略的發展需求。這將導致武漢大學的工程學科無法在關乎國家與民族未來的能源領域發揮與學校地位相稱的核心作用，使武漢大學的綜合發展受到嚴重制約。而我校電氣工程學科在新能源動力學特性、預測方法、調度控制、海上風電開發等方面的研究，動力、機械和自動化學科在風電裝備制造與并網運行控制技術方面的研究，計算機科學和信息科學在互聯網+、云計算、大數據分析等方面研究，物理和化學在新能源裝備材料和高效儲能技術領域的研究，水利水電科學在抽水蓄能技術領域的研究成果，測繪和遙感學科研究成果在新能源預測領域的深化應用，使武漢大學在新能源發展涉及的發電預測、接入與消納、材料與裝備、儲能科學與技術等方面，呈現出學科門類齊全，研究基礎良好、可提供多學科交叉支撐等巨大優勢。因此，以新能源科學技術為切入點促進測繪遙感、物理、化學，水利水電、計算機等傳統優勢學科在新能源領域的深化應用，培育優勢學科在新能源領域形成領先新增長點，助推傳統工程學科發展的“彎道超車”發揮重要作用。

貫徹黨的十九大精神，推進“雙一流”建設，是學校進入新的發展階段所面臨的新任務。世界能源轉型加速、巴黎協定的簽署、“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念的提出，對學校發展既是重要機遇、也是嚴峻挑戰，因此，面對全球新能源研究熱潮帶來的新的發展機遇和挑戰，布局發展新能源學科領域是學校在新發展形勢下需要做出的重大戰略決策，對于搶占新能源研究的至高點，實現建設綜合性、研究型、國際化大學的發展目標，具有重要的促進作用。為了克服學校目前在新能源領域研究力量較為分散、總體建設力度不夠大的不足，從整體把握新能源學科領域的布局規劃和明確發展重點，對于大力支持基礎良好、發展潛力大的新能源學科方向，加快推進新能源學科的建設發展。在學科建設方面，有利于積極開展跨學科交叉研究，將武漢大學傳統優勢的基礎學科與工程學科相結合，實現學科間的交叉融合與相互扶持，不同學院、不同學科的教師和研究人員的合作與交流。

二、創新教育方式與教育手段的需要

目前隨著科技創新不斷整合信息與工業，在傳統工科的基礎上催生新工科發展。根據教育部組織討論的新工科建設路線，新工科教育模式下知識的集合包括學科知識+工作場所知識，該發展范式著重突出技術發展更新工程人才知識體系;以學生志趣求創新工程教育方式和手段。即要求人才培養基地的高等學校建立更多樣化和個性化的工程教育培養模式與教育手段[1]。

隨著新能源以及新材料技術的不斷涌現，電氣工程學科具有了更加廣泛的內涵和外延。電氣與能源、環境、交通、信息以及人工智能等領域都表現出跨學科交叉融合的大趨勢，尤其是以二次能源電為載體的能源互聯與應用將成為未來發展與研究熱點，也為電氣工程學科成為新工科專業創造機遇。為了滿足新工科發展需求，人才培養模式將由學科導向轉變為產業需求導向;由專業體系分區轉變為跨界交叉融合。過去本科教學內容與實驗室建設模式將不再適應新工科背景下的人才培養需要，必須盡快調整培養模式與方案以吸引與電氣工程學科關聯性較強的外專業學生，培養學生的復合型才能。

以教育部《國家級實驗教學示范中心管理辦法》、高等學校電氣類專業教學指導委員會《電氣類專業教學質量國家標準》和《工程教育認證標準（2015版）》、《武漢大學學院（系）實驗中心建設與管理辦法》為依據。

在新工科以及武漢大學建設“大機大電”的背景下，我院已建成的新能源發電高效變換及傳輸學科實證平臺擁有太陽能光伏并網發電實物平臺、風力（直驅/雙饋）并網發電模擬平臺、超級電容儲能變換模擬平臺、柔性直流輸電試驗平臺等科研實證平臺，并在此基礎上構建了智能電網的智能發電系統。這些科研實證平臺在建設過程中，偏重學科前沿問題，與基礎教學實驗在一定程度上脫節。當今電力電子、能源變換及傳輸是電氣工程中兩大引擎，推動著電氣工程學科的第二次革命。在本科與研究生教學大綱中，新能源方面的課程重要性逐步提升，但與之配套的教學實驗一直未能有效開展。因此，將科研實證平臺與教學實驗平臺融合建設新能源發電與靈活輸電本科教學實驗室勢在必行。

根據國務院《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，面對武漢大學建成中國特色世界一流大學，打造一流學科的目標，我校面臨嚴峻的形勢。尤其作為推動著電氣工程學科的第二次革命的兩大引擎——電力電子、能源變換及傳輸，其知識日新月異。急需加強新型電力電子拓撲與控制技術實驗模塊與方法建設，創新面向本科生和研究生的教學實驗模式與內容。以適應新工科與新經濟形勢下復合型、創新型人才培養要求。

三、建設方案

（一）打通科研實證平臺與教學實驗平臺之間界限，提高新工科背景下復合人才培養能力

通過對現有電力電子教學實驗平臺的改造與修購，將其與科研實證平臺融合，豐富教學實驗內容和方法，使得學生通過實驗環節掌握最新的科研成果，訓練電力電子科研實踐的基本技能，拓寬專業視野，提高對電力電子、電力傳動、新能源發電等學科的認知和興趣。最終實現將復雜工程問題的解決過程、基礎教學實驗認知過程、學科專業人才興趣和能力培養過程融合起來，實現復合型、高素質人才培養的目標[2，3]。

（二）構建電氣工程、能源動力、電子通信等多專業學生創新軟硬件平臺

通過電力電子技術實踐創新平臺開放、舉行電力電子專業技能培訓、設置電力電子學生創新支撐項目、組織并指導學生參加各種電力電子大賽、鼓勵和引進專業教師擔任指導老師，構建電力電子專業學生創新的軟硬件平臺[4-7]。

以本科實驗教學為中心，以實驗中心“十三五”發展規劃為基礎，統籌規劃，合理布局，分時間、分步驟地進行電力電子技術綜合實驗室的建設。通過定制化開發可編程電壓型PWM變流器實驗實訓模塊，創新電力電子技術教學實驗內容與模式。同時考慮到實驗儀器設備配置需具有一定的前瞻性，將具有新時代電力專業特色、反映電力電子學科動態的技術引入實驗教學中，即滿足常規實驗教學需要，又緊跟科技變革的潮流，具備一流大學一流學科培養一流專業人才的實驗教學條件。

主要完成可編程電壓型PWM變流器實驗實訓模塊、多用戶端實時電力電子仿真平臺、三端輕型直流輸電實驗平臺、異步電機變頻調速器、電力電子器件與裝備展示平臺的設備購置和建設工作，構建電力電子與新能源綜合性實驗教學平臺。

1. 可編程電壓型PWM變流器實驗實訓模塊

針對當前電力電子裝備主流拓撲——電壓型PWM變流器，采購可編程電壓型PWM變流器實驗實訓模塊。該模塊不僅可以完成全控型器有關的驅動、斬波、PWM逆變等教學實驗，還提供了可編程接口和相關輔助軟件功能模塊，幫助學生針對電壓型變流器開展各種PWM調制、保護與控制算法的編程實訓。

2. 多用戶端實時電力電子仿真平臺

利用現有的電力電子實時仿真平臺——RT-lab系統，擴展多用戶端功能，構建可供多人遠程同步上機分時操作的多用戶端仿真系統。培養學生熟練掌握電力電子系統仿真技能，進一步促進對電力電子拓撲與控制的理解。

通過以上兩個功能的建設，可建成國內首套基于實時仿真與可編程功能模塊的電力電子仿真與實驗實訓系統。

3. 三端輕型直流輸電實驗平臺

該平臺主要面向本科生專業方向必修課《電力電子裝置與系統》的教學實驗，開展電力電子裝置功率控制策略、保護策略、建模驗證等方面的教學實驗與實訓，同時是未來與電機及新能源發電實驗室互聯的重要接口。通過該平臺（如圖1）可以實現新能源接入、交直流配電網等系統功能研究。

4. 異步電機變頻調速器

異步電機變頻調速是電力電子技術應用最早也是最廣的領域之一，通過采購現有成熟的變頻調速器，學生一方面可以加強實踐認識，另一方面可以通過實際調速實驗掌握與理解異步電機變頻調速的原理與特性。該設備可以與電機實驗室聯合開展教學實驗。

5. 電力電子器件與裝備展示平臺

該平臺展示常用電力電子器件實物、各種電力電子裝備的實物圖片，通過說明介紹文字，強化學生對相關知識的認識與理解。

四、結束語

通過對現有電力電子教學實驗平臺的改造與修購，將其與科研實證平臺融合，豐富教學實驗內容和方法，使得學生通過實驗環節掌握最新的科研成果，訓練電力電子科研實踐的基本技能，拓寬專業視野，提高對電力電子、電力傳動、新能源發電等學科的認知和興趣。最終實現將復雜工程問題的解決過程、基礎教學實驗認知過程、學科專業人才興趣和能力培養過程融合起來，實現復合型、高素質人才培養的目標。

通過電力電子技術實踐創新平臺開放、舉行電力電子專業技能培訓、設置電力電子學生創新支撐項目、組織并指導學生參加各種電力電子大賽、鼓勵和引進專業教師擔任指導老師，構建電力電子專業學生創新的軟硬件平臺。

參考文獻：

[1]龔薇，周凱，朱光亞，等.新工科基于CLT電力電子綜合實驗設計探討[J].實驗技術與管理，2018，35（4）：177-179.

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[3]馮元，海鵬博，吳宏岐.電力電子技術實驗教學改革模式與探索[J].高教學刊，2018（9）：121-123.

[4]宗哲英，張旭，郝永強，等.基于MATLAB GUI的電力電子技術虛擬實驗仿真平臺的設計與構建[J].實驗科學與技術，2018，16（3）：146-149.

[5]王曉寰，馮建周，張瑩.電力電子技術課程體系建立與實踐[J].教育教學論壇，2018（33）：35-36.

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[7]楊延菊，任曉霞.電力電子技術仿真教學實驗探索[J].現代信息科技，2018，2（8）：42-44.