“電力電子系統與控制”研究生課程改革探索

師蔚 （上海工程技術大學城市軌道交通學院）

一、課程特點分析

“電力電子系統與控制”課程為上海工程技術大學交通運輸專業碩士的一門學科基礎專業課程。課程內容主要研究電力電子學的基本原理、電能轉換的動態建模方法以及控制系統的設計方法。即首先介紹目前主流電力電子開關控制器件，然后以四大類基本電能變換技術為主線，介紹各類電力電子系統與控制的動態建模及分析方法。通過本課程使學生掌握各種電力電子系統與控制的工作原理、控制方法、設計和計算方法。使學生具有一定的電力電子系統與控制的設計能力、具有一定的運用仿真工具實現電力電子系統與控制的靜動態仿真的能力、具有綜合評價和分析電力電子系統與控制問題的能力。掌握與本專業方向相關的電力電子系統與控制問題的分析和解決的思路和手段，了解幾個領域中電力電子系統與控制運用的現狀和趨勢。

本門課程作為一門碩士學科基礎專業課程，與本學科的“電力電子技術”相關課程存在一定差異。體現在課程內容方面就是研究生課程必須要體現“高、新、精”?！案摺币馕吨n程的起點較高，即在本科“電力電子技術”課程基本原理基礎上，強調電力電子系統及控制的動態建模方法，以及基于動態模型的系統設計及分析方法。在課程“新”的方面主要使課程多反映電力電子系統與控制方面的新知識、新科技、新成果以及新應用。課程的“精”主要體現在交通運輸領域的電力電子系統與控制方面的應用須具有專門案例庫，并對其主流共性問題進行精講。傳統的“電力電子系統與控制”的教學內容雖選取經典教材，但由于電力電子及控制技術的快速發展，已有的課程內容不能完全反應新技術及新應用，無法體現課程“高”以及“新”的特點。同時傳統的教學內容中也未含有針對交通運輸工程方向的應用，需要進行相應案例庫的開發。在課程中將思政教育與專業相結合，將“交通強國”的戰略要求、愛國主義情懷等課程思政內容潛移默化地融入課程中去，激發學生的工程意識和創新意識，努力成為具有民族擔當的時代新人。以教師“教授”為主的教學模式，也很難適應新的人才培養理念及要求，必須進行教學方式的改革，適應我國新工科建設理念的要求，適應新形勢下的人才培養需求。

二、課程內容的更新

在原有課程內容基礎上進行課程內容的更新，引入目前能夠體現電力電子發展方向的新技術以及最新案例庫的討論，并貼合課程內容融入思政要素，使學生提高對電力電子系統與控制的學習興趣，提高教學效果。

（一）電力電子系統及控制最新技術的導入

電力電子系統及控制新技術的導入主要涵蓋幾個主要的方面：電力電子新器件、電力電子功率模塊新技術以及電力電子系統與控制新應用。

在電力電子器件方面，從歷史發展初期的晶閘管以及后期門極可關斷晶閘管、電力雙極性晶體管、電力場效應晶體管為代表的全控型器件高速發展，一直到絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），成為現代電力電子器件的主要器件，并且以IGBT 為核心的智能功率模塊不斷成熟。以硅材料為基礎的各種電力電子器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料碳化硅、氮化鎵制造的電力電子器件，具有耐壓、低通態電阻、更好的熱穩定性、耐射線輻射等優異特性。新型碳化硅及氮化鎵功率器件因此具有功率密度大、開關損耗小、適合高頻工作、高溫穩定性好等優點，逐步受到關注，并在電動汽車及軌道交通車輛上得到了成功應用，是電力電子器件新的發展方向。因此，課程在器件介紹中要加入碳化硅、氮化鎵的內容。

在電力電子功率模塊方面，雙面冷卻技術顯著降低了芯片結溫，提升了功率模塊的可靠性，膜電容技術在功率模塊中的應用也減小了功率模塊的體積。矩陣轉換拓撲結構的交交變流電路作為目前電力電子功率模塊以及功率模塊和牽引電機進行集成驅動的不斷發展，成為目前電力電子模塊的發展方向。

電力電子系統應用主要針對學生學習的交通運輸方向，側重交通運輸方向的電力電子系統新應用。交通運輸對電力電子系統要求低造價、高功率密度及體積密度、高效及高可靠性，因此系統要朝著高集成化、高電壓、頻率等級、高的工作溫度以及控制智能方向發展。

（二）案例庫內容的導入

案例教學是一個讓學生參與課程內容，且以學生為主體的教學活動。為保證案例教學活動的效果，促進師生的互動交流，提高學生的積極性和主動性，我們同時兼顧知識傳授和學生能力培養，有針對性地建設課程案例庫。

在本課程案例庫建設中，首先考慮課程服務于專業碩士培養目標的達成，即在課程案例選材中，根據我校交通運輸專業碩士的特點，確定學生的研究方向為城市軌道交通車輛工程方向。電力電子系統及控制技術應用在軌道交通車輛領域，主要包括電力牽引及輔助供電，根據軌道交通應用領域的不同又分為城市軌道交通車輛及高速軌道車輛的應用兩個方面。因此案例設置首選方向即是針對兩種典型車輛的兩個領域，促使學生的專業研究方向與課程案例內容產生共鳴，調動學生主動學習的熱情。在進行具體案例設計中，選擇以上研究方向的有代表性、較前沿的、能夠反映我國軌道交通車輛領域實際問題的案例。案例庫建設主要包含案例的描述、案例的主要研究方案、案例的性能評價幾個方面。案例描述要介紹案例的研究價值及研究內容，除文字介紹外，可以包含一些圖片、數據，甚至錄像和動畫，多方面展示案例。在案例的研究方面，教師必須進行基礎文獻的準備，同時留有一定空間，讓學生自我進行文獻檢索，提高其調研的基本能力。隨著對案例探討的深入，針對問題進行深入剖析，引導學生將知識轉化為解決實踐問題的能力。案例的性能評價中，教師應準備基礎素材引導學生對問題進行反思，評價過程中要綜合考慮經濟、環境、法律、安全、倫理等制約因素。

（三）思政內容的導入

在全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記提出了提高學生思想政治素質的明確要求，要把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人。因此，在本專業課程教學過程中，必須從高校育人本質出發，不斷深度挖掘提煉專業知識體系中所蘊含的思想價值和精神內涵，增加課程的知識性、人文性，實現課程知識體系與價值引領的有機統一。

修讀該課程的學生為交通運輸專業碩士，主要的就業方向為交通運輸方向。作為電力電子系統與控制的重要應用——軌道交通車輛，是一個重要的課程思政切入點。因此要將“交通強國，鐵路先行”的理念融入課堂。如今，中國高鐵已經成了我國一張靚麗的“名片”，我國高鐵里程已經位居世界第一。我們要將以上內容所承載的文化自信、民族自豪感、愛國情懷等傳播給學生。在我國的新基建中，“城際高速鐵路和城市軌道交通”建設如火如荼，無數軌道建設者默默奉獻，他們是我們時代的楷模，他們承擔社會責任，他們堅持科技強國、弘揚工匠精神，我們要將這些內容融入課程，增強學生的專業自豪感，幫助學生樹立職業理想。

在電力電子系統及控制的動態建模方法，以及基于動態模型的系統設計及分析方法這些理論教學過程中，要強調在學習、探索過程中求真務實、嚴謹認真、精益求精。在進行案例教學和學生進行案例探索中，引導學生弘揚探索創新精神。要加強學生職業道德培養，幫助學生樹立良好的職業道德觀，為日后進入相關行業就業打下堅實的基礎。意見，并利用網絡教學平臺進行評價內容的信息公開，為后續學生進行相關匯報提供借鑒，不斷提高翻轉課堂的效果。

總之，研究生的“電力電子系統與控制”課程在內容上要引入電力電子新技術，使專業課程貼近工業技術的最新發展。通過交通運輸領域的電力電子系統與控制特色案例庫建設，提升學生文獻檢索能力，提升學生分析問題、解決問題能力。將課程思政的內容導入課程，增強學生的愛國熱情，培養學生職業道德。案例教學與翻轉課堂相結合，改善教學效果，為相關課程改革提供參考。

三、課程教學方法的更新

研究生相對于本科生來說，具有相對更好一些的專業基礎、專業理解及表達能力，因此在課程教學方法上，核心的理論模塊主要采用傳統教學模式，并結合案例庫與翻轉課堂。

在進行相關翻轉課堂教學前，進行案例內容的布置。教師利用學?，F代網絡教育平臺發布翻轉課堂任務，將教師準備好的案例內容、任務內容及任務目標在網絡平臺上發布。學生可以通過網絡教學平臺查看教學資源，明確教學任務及教學目標，還可以通過網絡平臺進行群組討論以及與教師進行交流。在核心任務內容中，需要研究生針對案例，根據教師規定的核心研究內容進行文獻查閱，然后分組進行資料整理與撰寫總結報告，制作匯報PPT 并在課堂上匯報交流。在學生進行資料收集整理及撰寫報告過程中鍛煉專業文獻獲取、綜合運用和分析問題的能力。通過課堂上匯報交流，充分調動了研究生主動研究案例內容的積極性，激發了其內在學習動力。在網絡平臺與研究生進行答疑交流，引導學生進行科研材料獲取，促使學生對問題進行深入思考。

翻轉課堂教學中，教師需要起到積極引導及過程評價作用。當研究生進行相關案例的內容分享過程中，教師要針對學生的講解，從內容的切題情況、廣度、深度對學生講解的內容進行記錄并評價。在學生進行階段匯報結束后，要引導其他研究生與匯報學生進行案例的討論，教師適時加入，引導學生進行評價及反思。

課后還需要針對本次翻轉課堂進行相關總結與客觀評價，這對促進學生的主動學習有積極推動作用，并能保證后續翻轉課堂教學的持續順利開展。教師要對學生的匯報內容、實際表達、交流過程三個主要方面進行評價，以正面評價為主，提出改進