以“產(chǎn)出”為目標(biāo)的電力電子學(xué)課程改革

宋瀟瀟 孫章 沈霞 閻鐵生

摘 要 “電力電子學(xué)”課程主要講授電能變換和控制，是電氣工程專業(yè)非常重要的專業(yè)課，課程專業(yè)性強(qiáng)，難度大。在工程認(rèn)證背景下，基于OBE（Outcomes-Based Education）理念，以學(xué)生的能力產(chǎn)出為目標(biāo)，在課程中優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力具有非常積極的意義。

關(guān)鍵詞 OBE理念 電力電子學(xué) 課程改革

Abstract The course of power electronics studies power conversion and control， which is a very important professional course for electrical engineering major. Power electronics is very professional and difficult course. Under the background of engineering certification， based on the idea of outcomes-based education （OBE）， aiming at students' ability output， optimizing teaching content and reforming teaching methods in the course are great significance to cultivate students' ability to solve complex engineering problems.

Keywords concept of OBE; power electronics; reform of course

0 引言

為了適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國(guó)家提出了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的戰(zhàn)略，工程能力、創(chuàng)新能力以及其他的復(fù)合能力變的越來(lái)越重要，電氣工程及其自動(dòng)化的專業(yè)技術(shù)人才不僅要掌握扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要具有解決復(fù)雜工程問題的能力，為此以產(chǎn)出為導(dǎo)向，以培養(yǎng)能力為目標(biāo)的OBE（Outcomes-Based Education）教育模式越來(lái)越受到重視。[1-4]課程作為教學(xué)的基本載體，課程的建設(shè)對(duì)學(xué)生能力的獲得起到了非常關(guān)鍵的作用，因此課程的建設(shè)和改革勢(shì)在必行。

電力電子學(xué)是一門典型的交叉學(xué)科，主要研究如何高效的實(shí)現(xiàn)電能變換和控制，電子學(xué)、電力學(xué)和控制理論在電力電子技術(shù)中都發(fā)揮著重要的作用，[5-6]包括四種基本的能量變換模式：交流到直流變換、直流到交流變換、直流到直流變換以及交流到交流變換，但目前電力電子學(xué)課程的老師講的多，學(xué)生參與熱情不高，導(dǎo)致最終對(duì)解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)達(dá)不到預(yù)期。基于OBE理念，以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力為目標(biāo)，梳理教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建更為合理的教學(xué)體系;改革教學(xué)方法，使學(xué)生能根據(jù)用戶要求，提出合適的解決方案，最終結(jié)果不僅能滿足技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)能綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、以及對(duì)環(huán)境等的影響。通過發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，逐步提升學(xué)生解決工程問題的能力。

1 課程改革的實(shí)施

以產(chǎn)出為導(dǎo)向，以專業(yè)知識(shí)的掌握、工程意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為目標(biāo)，我們從以下幾方面對(duì)課程進(jìn)行了建設(shè)。

1.1 精心梳理教學(xué)內(nèi)容

電力電子課程作為電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，包含整流、逆變、直直變換、交交變換四大類電力變換，還包含了不同的控制方法。課程內(nèi)容多，課時(shí)顯得不夠，所以需要在教學(xué)大綱的框架內(nèi)精心梳理教學(xué)內(nèi)容和課程結(jié)構(gòu)體系，具體如下：

（1）減少工程中不常見、不常用的電路。隨著器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的半控型器件的領(lǐng)域正在被全控型器件所替代。考慮到半控型器件晶閘管的重要性在逐漸降低，而全控性器件得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，逐漸縮減整流部分的內(nèi)容，減少課時(shí)，保留一些重要的常用的電路。比如單相整流電路中，單相橋式整流電路仍然需要在課堂上學(xué)習(xí)，而其他一些不常用電路就不再要求，把更多的精力放在直直變換電路以及逆變電路中。這樣學(xué)生可以通過自學(xué)培養(yǎng)自己分析問題的能力，同時(shí)也解決課時(shí)不足的問題。

（2）控制方法和主電路學(xué)習(xí)相結(jié)合。針對(duì)控制方法，課程主要分析了相位控制的方法和PWM控制兩種方法，注意控制方法和具體主電路的結(jié)合運(yùn)用。電力電子系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1中控制電路一般包含相位控制和PWM控制，主電路即是電力電子中的四種變換。在以前的教學(xué)中，課程開始時(shí)，向同學(xué)們介紹該系統(tǒng)構(gòu)成，然后會(huì)分為四章分別介紹四種主電路，PWM控制技術(shù)又是獨(dú)立的章節(jié)。由于各部分內(nèi)容是分章進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)主電路和控制電路如何配合構(gòu)成電力電子系統(tǒng)印象不深刻，理解不深入，針對(duì)這個(gè)問題，將前后知識(shí)進(jìn)行“遷移”，將四種能力變換的方式和相位控制以及PWM控制串接起來(lái)，在每一種主電路分析的時(shí)候，結(jié)合當(dāng)前使用的控制方法，以構(gòu)成電力電子系統(tǒng)為目標(biāo)進(jìn)行分析，讓學(xué)生清楚必須主電路和控制電路配合起來(lái)，才能構(gòu)建系統(tǒng)，避免以前學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)兩部分知識(shí)的割裂，使學(xué)生建立起電力電子系統(tǒng)的概念。

（3）教學(xué)內(nèi)容緊跟新技術(shù)發(fā)展前沿。電力電子技術(shù)是電氣學(xué)科中非常活躍的一個(gè)分支，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，因此在教學(xué)中注意和技術(shù)前沿相結(jié)合。例如在第二章電力電子器件的學(xué)習(xí)中，引入SiC、GaN等新型器件，說(shuō)明其在開關(guān)特性和參數(shù)上和傳統(tǒng)的器件的區(qū)別，同時(shí)布置作業(yè)讓同學(xué)們通過查找電力電子權(quán)威期刊雜志，了解當(dāng)前器件的發(fā)展現(xiàn)狀，以及器件發(fā)展對(duì)電力電子線路可能產(chǎn)生怎樣的影響。這些問題都是開放的，學(xué)生查閱文獻(xiàn)后需要?dú)w納、總結(jié)。這樣既培養(yǎng)了大家查閱文獻(xiàn)能力，閱讀英文文獻(xiàn)的能力，也激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（4）教學(xué)內(nèi)容和工程實(shí)際相結(jié)合。電力電子技術(shù)和工程實(shí)際結(jié)合很緊密，在課程中也要體現(xiàn)其工程應(yīng)用，在不同的章節(jié)中引入不同的工程案列，而有些綜合的案例，需要融會(huì)貫通各章知識(shí)，才能解決問題。例如在電動(dòng)汽車中，公共交流電網(wǎng)如何為蓄電池充電，這一部分首先需要用整流部分的內(nèi)容，整流以后的直流電需要給蓄電池充電，這個(gè)過程需要用到直直變換電路的內(nèi)容，蓄電池中存儲(chǔ)的直流電如何給交流電機(jī)提供能量，這部分是逆變電路的內(nèi)容，這些問題會(huì)提前布置給學(xué)生，學(xué)生同樣需要分組查找資料，對(duì)系統(tǒng)有大體的認(rèn)識(shí)，再通過課堂學(xué)習(xí)盡力解決遇到的問題。通過對(duì)這些工程案例的分析，學(xué)生理解了電力電子電路如何在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用，讓理論和實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)大家的工程意識(shí)。

1.2 更新教學(xué)方法

在梳理教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，也注意更新教學(xué)方法。

（1）采用信息化的教學(xué)手段。使用課程網(wǎng)站提前推送課程內(nèi)容。電力電子學(xué)課程內(nèi)容多，知識(shí)點(diǎn)密集，僅僅依靠上課時(shí)間是不夠的，老師提前推送和課程內(nèi)容相關(guān)的問題，利用課程網(wǎng)站的資源，同學(xué)可以提前觀看相關(guān)視頻，通過課前預(yù)習(xí)，使得學(xué)生對(duì)本次學(xué)習(xí)的內(nèi)容做到心中有數(shù)，在預(yù)習(xí)中不懂的地方，有針對(duì)性的學(xué)習(xí)，會(huì)收到更好的效果。

（2）采用和工程實(shí)際結(jié)合的項(xiàng)目制教學(xué)方法。

在電力電子課程教學(xué)過程中，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的解決工程問題的能力，以一個(gè)具體案例的實(shí)施為例，不僅要滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，還要考慮經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)境的影響等因素，最后綜合確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這個(gè)過程中，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，查閱相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，得到幾種不同的設(shè)計(jì)方案，并比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇一個(gè)較為合適的總體設(shè)計(jì)方案。

例如，當(dāng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)電動(dòng)汽車的充電器時(shí)，需要把公用電網(wǎng)上的交流電轉(zhuǎn)換成為蓄電池充電的直流電。老師提前布置課題給學(xué)生，學(xué)生需要先查閱資料，理解蓄電池的充電方式有哪些？得到通常采用三段式的充電方式后，需要通過電力電子的專業(yè)知識(shí)，理解如何實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓充電。直直變換電路有很多種，應(yīng)該用什么主電路實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)負(fù)載對(duì)充電系統(tǒng)的要求，選擇滿足指標(biāo)的直直變換電路。主電路確定后，控制方式該如何選擇？都是學(xué)生需要考慮的問題，在這個(gè)過程中，由于有具體的目標(biāo)，學(xué)生上課會(huì)更加認(rèn)真和積極。同時(shí)在選擇整流電路時(shí)，不僅要考慮能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，還要考慮整流電路可能產(chǎn)生的諧波，而諧波會(huì)對(duì)周圍設(shè)備以及對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，因此需要考慮增加功率因數(shù)校正等環(huán)節(jié)，減小諧波對(duì)電網(wǎng)和對(duì)周圍設(shè)備的影響。通過這些工作，讓學(xué)生理解工程問題不僅只有技術(shù)問題，還需要考慮環(huán)境因素等問題，從而增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

2 結(jié)語(yǔ)

電力電子是研究高效的實(shí)現(xiàn)電能變換的一門學(xué)科，課時(shí)緊張，內(nèi)容多，通過認(rèn)真梳理教學(xué)內(nèi)容，更新教學(xué)方法，使學(xué)生的工程意識(shí)和解決復(fù)雜工程的能力得到培養(yǎng)和鍛煉。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”（ OBE） 的工程教育模式：汕頭大學(xué)的實(shí)踐與探索[J].高等R工程教育研究，2014（1）：27-37.

[2] 張培，胡元，何春蓮，等.信息化與工業(yè)化融合的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式探討——以紅河學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)為例[J].中國(guó)電力教育，2011（30）：6-7.

[3] 李曉英，王興貴，楊維滿.基于OBE的“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，40（1）：45-48.

[4] 沈虹，王曉寰，張瑩.基于OBE理念的電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇（16）：118-119.

[5] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第5版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6] 錢照明，張軍明.我國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004.19（8）：10-22.