新工科背景下“電力電子技術”課程數字化新形態教材建設研究

王子赟 王 艷 紀志成

（江南大學物聯網工程學院 江蘇·無錫 214122）

0 引言

國際工程教育的研究和報告表明，未來工業產業鏈的發展方向與工科人才的培養方針和教育方式密切相關，日益系統化與智能化的工程項目緊緊地依托在工科教育中。[1]當前世界經濟正處于高速發展時期，產業結構的變革使工業發展日趨合理高效。隨著虛擬現實、大數據、人工智能等前沿科技的新興發展，現階段國家科學技術與產業驅動要素呈現出新的態勢，以制造業為主的傳統工業不斷受前沿科技的沖擊。面對新形勢下的科技變革與產業現狀，迫切需要對傳統工科教育做出調整，以適應日新月異的社會發展。我國教育部自2017 年以來積極推進“新工科”的教育體系，著重培養新時代的工程技術人才，并先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”。[2]新工科有兩條主線：第一條主線是高校教育路線，它一方面注重計算機科學、電力電子技術等原有傳統工科的改造升級，融入新元素以期與時代接軌，另一方面又注重綜合交叉學科的衍生與建樹，比如在智能控制領域，它就是自動控制原理、現代控制理論、計算機科學和運籌學等學科的交叉，是一門反映現階段科學技術發展趨勢的高級控制理論；第二條主線是社會產業路線，它注重的是新體系與新結構，是對原有傳統產業進行符合發展現狀的結構調整與變革。無論是哪一條主線，都有一個共同的主旨，那就是適應目前的生產力水平與科技發展現狀。

電力電子技術是一門利用晶閘管、IGBT、MOSFET等電子元器件和模塊化電路對電能進行控制與變換的技術，具有很強的工程實踐性。通過這門課程的教學，力求使學生掌握常用電子元器件的結構特點與特性參數、四種變流技術的電氣拓撲與應用（AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC），理解相控技術、PWM技術等專業技術以及能夠對一些電能變換電路進行控制。現階段“新工科”的教育背景下，這門課程的課堂教學又有了新的內涵與要求。

教材建設作為學科建設的重要組成部分，是課堂教學的主要載體以及學術成果、科學技術的集中反映，認真貫徹落實新形態教材建設，也是“新工科”背景下工科建設的必由之路。[3]然而，不同版本的教材只是當時社會科技程度的寫照，具有鮮明的時代性。隨著科技進步與時代發展，大多數舊版本教材已經不能反映前沿科技的水平狀況，與目前的生產力嚴重脫節，且多媒體技術已允許新型教材數字化，教材新形態建設問題亟待解決。與傳統的紙質書籍相比，數字化新形態教材有效利用了多媒體手段，比如可以在電力電子技術教材的某個電路圖旁邊嵌入二維碼，學生通過掃描二維碼，就可以打開此電路圖的仿真軟件，通過動態仿真相關電子元器件的工作情況更加深刻地理解整個電路的工作方式。教材的數字化減少了傳統紙質化課本印刷、發行的成本與周期，且相對于紙質書的較低翻新頻率，數字化教材可以及時更新教學內容。

1 新形態教材建設思路

新形態教材就是充分利用信息化技術手段，整合互聯網的課程資源，給傳統的紙質化課本增添了新的線上要素，它是創新型教學改革與新時代教材建設的重要舉措與應有之義。[4]傳統的紙質教材雖然凝結了科技工作者的智慧結晶，集中反映了當時的技術水平并承擔了培養一大批技術人才的任務，但在經濟高速發展的今天，教材里面的內容顯然已經有點過時。傳統教材主要形式就是文字、公式、圖或者表，表現方式較為單一。現在的多媒體技術使得一些動態gif圖或視頻可以嵌入到教材中去，極大豐富了教材的內容與表現方式。

新時代的教育建設呼吁數字化新形態教材。傳統紙質化教材優點是錯誤率較少，紙張對光線的漫反射有利于緩解眼疲勞，書本具有質感。而數字化電子教材則是攜帶方便，不使用紙張，節約環保。且豐富的圖片、視頻等資源可以幫助學生更好理解課本內容，內容翻新率較高。但過多電子屏幕光線的攝取容易產生眼疲勞，且書本上經常出現錯別字和亂碼的情況。[5]新形態教材則結合了紙質化教材與數字化教材各自的優點，通過兩者結合的方式，極大豐富了教材內容，有助于推進“新工科”建設。在課本中嵌入二維碼就是新形態教材的一項重要舉措，學生們掃描二維碼可以獲取到豐富的與對應知識點相關的資源資料，作為特定知識點的拓展與延伸。

2 “電力電子技術”課程新形態教材建設

就電力電子技術領域的傳統經典紙質化教材來說，王兆安、黃俊主編的《電力電子技術》2000 年出版了第四版，2009 年出版了第五版。全書特點是內容緊湊，結構合理，體現了當時的技術發展水平，且理論與實際應用各有側重，難易適中，適合本科教學。華中科技大學的陳堅主編的《電力電子學》于2004 年出版第二版，特點是理論推導詳細，內容嚴謹系統，但是由于理論部分過于深入，實際應用相對較少，適合考研與研究生教學。此外還有洪乃剛、林渭勛等版本的教材，都各有側重，反應了當時的科技水平。[6]不可否認這些經典教材在電力電子技術領域的突出地位和作用，然而即使是經典的教材也需要與時俱進，加入新時代元素。當代電力電子技術的發展呈現出以下趨勢：

（1）全控型電子元器件的發展占據主流地位。經典的半控型器件如晶閘管由于其過載能力較差、易受干擾而誤導通等原因逐漸退出歷史舞臺，現階段MOSFET 等全控型器件因其開關速度快、驅動功率小等優勢被廣泛應用。

（2）電子元器件的發展日趨高頻化。供電電源頻率的提高有利于減少用電設備的體積和重量，且頻率越高，電路中的波形越理想。

（3）電路結構模塊化與集成化。將電子元器件分立安裝，不僅會增加工作量，且容易出現安裝錯誤。如果將實現某一特定功能的電路進行集成化封裝再批量生產，則可以降低成本，提高可靠性，同時也有利于企業的知識產權保護。

（4）控制數字化。模擬信號量受環境影響較大，例如溫漂導致的誤差等，而離散的數字信號則不受工作環境的影響。利用計算機軟件設計控制方案，不僅可以減少電子器件的個數，也方便實施各種控制策略。

這些發展趨勢引領著電力電子技術新形態教材的發展方向，通過課本嵌入二維碼實現新形態教材的建設工作。比如可以在復雜的全控型器件講解內容旁邊插入二維碼，學生可掃碼獲取此器件的結構剖析圖、工作原理以及此器件的主要生產廠家和未來趨勢，這種教學方式不僅可以使學生對器件有更為立體的理解，也能對從事制造此類器件的廠家有感性的認識，利于教材與實際生產接軌；在交-交變頻器等較復雜的模塊化電路圖旁邊插入二維碼，學生可掃碼獲取此電路圖的配音講解與動態gif圖，甚至是此圖的仿真軟件，通過形象的講解內容與仿真實操更好理解其工作原理；在PWM 等技術旁嵌入二維碼，學生可掃碼獲取此技術手段在現實生產中的實際應用以及此技術的發展前景，培養學生的知行合一的意識，激發其對此技術的新應用的憧憬；在仿真實驗環節嵌入二維碼，學生可掃碼下載仿真軟件以及實驗講解視頻，這樣不僅省去了學生網上搜尋仿真軟件的時間，也可以看視頻自習實驗步驟等等。

3 總結

面對日新月異的科技與經濟發展，“新工科”概念的提出對工科教育改革有了新的要求與期待，而教材作為課堂教學的重要載體，是課程改革的一個重要環節，數字化新形態教材建設就顯得尤為重要。本文針對電力電子技術新形態教材的建設方案提出若干意見，以期推動課程改革的發展，培育時代新人。