“雙碳”目標下《電力電子技術》課程教學改革的探索與實踐

石榮亮 陸東平 張烈平 李海俠

“雙碳”目標下《電力電子技術》課程教學改革的探索與實踐

石榮亮1陸東平2張烈平1李海俠1

（1.桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006；2.桂林理工大學圖書館，廣西 桂林 541004）

2030年碳達峰與2060年碳中和的“雙碳”建設目標將推動經濟社會往綠色低碳方向發展，有利于促進電力電子技術的革新與規模化應用。針對“雙碳”背景下《電力電子技術》課程的教學現狀以及所存在的問題，文章結合桂林理工大學自動化專業的《電力電子技術》課程教學實際情況，圍繞課程教學內容與授課特點，重點從教學目標、教學內容和教學方法等三個方面探索并實踐了課程教學改革的舉措，以期提高課程教學水平并改善課堂教學效果，從而滿足培養“雙碳”科技創新人才的新需求。

“雙碳”；建設目標；電力電子技術；教學改革

引言

2020年9月，第75屆聯合國大會一般性辯論上明確提出，中國力爭于2030年之前實現二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年之前實現碳中和的“雙碳”建設宏偉目標，以緩解全球的能源危機與溫室效應問題[1]。“雙碳”建設目標的提出將極大地推動我國經濟社會發展向綠色低碳方向轉型，同時將我國的綠色發展之路提升到了歷史新高度，更指明了中國未來40年的綠色發展戰略，有助于促進電力電子技術的革新與規模化應用。全社會處于“雙碳”建設目標的發展起步階段，需要踐行低碳環保理念和強化“雙碳”建設意識。高等院校作為科技創新發源地與基礎研究主力陣營，應主動將“雙碳”建設理念與課程教學改革有機結合，為“雙碳”國家發展戰略的早日實現提供人才儲備與技術支撐[2]。國家教育部于2021年7月印發了《高等學校碳中和科技創新行動計劃》，明確地指出了高等院校應充分挖掘自身在基礎研究、學科建設、人才培養等方面的優勢地位，加快構建高校“雙碳”人才培養體系與科技創新架構，著力提高創新人才培養水平與科技創新能力[3]。同時，要求高等院校建設一批國家級“雙碳”建設相關的一流本科專業，并鼓勵開設一些與“雙碳”建設相關的通識課程，將“雙碳”建設的理念和實踐有效地融入到高校人才培養體系中。

風能和太陽能均是分布廣泛、可高效應用的可再生綠色能源，大力開發并利用風能和太陽能是實現“雙碳”國家戰略目標的重要途徑。風力發電系統與光伏發電系統均是利用電力電子變換器作為自身與電網之間交互的端口，并將相關電力電子技術應用至變換器控制中，以實現風電與光電在電網中的規模化應用。近年來，我國的風電產業與光伏產業的發展均十分迅速并在國際市場占據主導地位，以電力電子技術（特別是DC/DC與DC/AC電力變換技術）為控制核心的風電產業與光伏產業已成為我國極具科技含量以及競爭優勢的高新產業，堅信未來在“雙碳”建設目標的推動下，將發揮越來越重要的作用并成為能源綠色低碳轉型的中流砥柱。

目前，國內高等院校諸多教師在“雙碳”建設目標與課程教學改革相互結合方面開展了頗具意義的探索與實踐。張凱和周琳[4]以高校《計算機網絡》課程為例，提出了建設“4＋3＋2＋1＋微”課程平臺，建立多學科專業的不同課程教學目標，以提升課程教學質量并解決當前教學實踐難以滿足當前“雙碳”類課程內涵要義的問題。張大全等[5]以《大氣污染控制工程》課程應用為例，對課程的教學體系進行重構，納入與節能減排、碳中和的相關教學內容，以滿足“雙碳”目標對課程教學所提出的新要求。王強等[6]在“雙碳”建設的大背景下，總結了綠色工程教育的內涵并探索了化工學科的綠色工程教育途徑，為“雙碳”背景下化工專業學生的綠色工程能力培養提供支撐和理論支持。黃珍等[7]聚焦于企業低碳管理中的碳減排激勵、碳責任確認、碳抵消管理、碳效果激勵和碳信息披露五個關鍵科學問題，主要從課程體系、實踐平臺、招生選拔和師資隊伍等多個維度構建了人才培養體系，為高校在“雙碳”目標下的新文科專業建設與人才培養提供參考。劉麗娜等[8]提出了將“雙碳”理念與新工科融入《生物質能源轉化與利用技術》課程理論體系的教學方法與教學模式，旨在挖掘學生潛力、激發學生興趣，培養具有創新和實踐能力的新能源、新材料和節能環保多技術領域交叉型高素質人才。

以上文獻雖然對“雙碳”建設目標與各類課程教學體系革新、不同專業人才培養模式的融合進行了有價值的探索，但是均未涉及“雙碳”目標下《電力電子技術》課程教學改革的研究與實踐。鑒于此，本文在分析“雙碳”背景下《電力電子技術》課程的教學現狀以及所存在問題的基礎上，結合桂林理工大學自動化本科專業的《電力電子技術》課程教學實際情況，重點圍繞課程教學內容以及授課特點，主要從課程的教學目標、教學內容與教學方法等三個方面探索并實踐了課程教學改革的舉措，以期提高課程教學水平并改善課堂教學效果，從而滿足培養“雙碳”科技創新人才的新需求。

1　課程的教學現狀及其存在的問題

《電力電子技術》課程是一門理論緊密聯系實踐的自動化、電氣工程等本科專業的交叉性與綜合性強的課程，其教學內容涵蓋了電力、電子、控制與計算機等多個學科領域。該課程通常開設在大二下或大三上學期，學生通過先修《電路分析基礎》《模擬電子技術》《電機學》等專業基礎類課程的學習，已經對《電力電子技術》課程的電力電子器件特性分析、各類變換器拓撲工作原理與驅動信號產生機理等相關理論知識有所積累，能夠為電力電子技術控制理論的應用與實踐提供行之有效的理論分析基礎和知識儲備支撐。然而，《電力電子技術》課程的教學實踐過程仍存在一些不足，無法與“雙碳”目標下對科技創新人才的新需求相匹配。

第一，教學方式單一和學生參與積極性低。《電力電子技術》存在著課程內容多且雜、知識點抽象而課程的授課學時又是非常有限的教學現狀。為了能在有限的授課學時內將繁多的知識點全部傳授給學生，部分授課教師往往采用以課堂教學為主而學生被動接受的單向式、單一式教學方式。具體而言，一此教師在課堂上通常以講授知識點為教學主線，學生成為了“填鴨式”與被動式接受理論知識的對象，導致教師在重要知識點的講解、分析與應用等方面缺乏針對性的引導，導致學生難以提高學習興趣，參與課堂教學過程的積極性低。

第二，授課內容陳舊，沒有緊跟快速發展的科技前沿。《電力電子技術》課程的授課內容往往是以所選用教材所包含的知識點為主，而易忽略新興技術知識的補充。正如周孝信院士在《新一代電力系統與能源互聯網》學術報告中提到的在“雙碳”建設國家發展戰略下，以新能源為主體的電力電子化新型電力系統正蓬勃發展，電力電子技術已上升為國家戰略所需的核心技術。然而，課程教材的版本更新及其相應知識點的擴展是相對緩慢的，故以教材所列知識點為教學大綱的授課方式將無法緊跟并匹配日新月異的科學技術。

第三，學生的基礎理論知識不牢固，與課程重要知識點沒有構成完整銜接。《電力電子技術》課程的重點教學內容主要是圍繞電力電子器件、電力電子變換器拓撲和電力電子技術控制應用三個維度逐步深入展開，且三個教學維度的授課內容構成一個相互銜接、逐層推進與緊密關聯的有機整體。學生需要具備扎實的先修課程所包含的與《電力電子技術》課程相關的基礎理論知識，才能容易掌握課程三個維度的教學內容。然而，授課教師在教學實踐過程中發現學生掌握基礎理論知識的水平參差不齊，造成學生無法跟上教師的課堂授課節奏，更難以與教師形成良好的課堂教學互動，使得教學效果與“雙碳”背景下創新人才培養目標之間存在差距。

2　《電力電子技術》教學改革的舉措

為了解決“雙碳”目標下《電力電子技術》課程的教學現狀及其存在問題，本文結合桂林理工大學自動化專業的《電力電子技術》課程教學實際情況，重點圍繞課程教學內容及其授課特點，下面主要從教學目標、教學內容以及教學方法三個方面探索并實踐了課程教學改革的各類有效舉措，以助于實現“雙碳”背景下對科技創新專業人才的培養目標。

第一，將“雙碳”建設理念融入課程教學目標中，構建大學生課程思想政治教育體系。“雙碳”建設目標是與美麗中國的建設目標高度統一，這不僅是中國解決能源危機與緩解氣候升溫的“兩步走”，更明確了中國未來40年的國家重大發展戰略。授課教師應將“雙碳”建設理念與《電力電子技術》課程教學目標有機融合，對于構建適應當代大學生的課程思政教育理論體系具有重要的意義，有利于引導學生養成可持續發展的理念并踐行低碳環保生活，同時有助于當代大學生樹立正確的價值觀與合乎科學的發展觀。

例如，桂林理工大學自動化專業任課教師在課程的緒論授課部分，通過引入《新時代的中國能源發展》白皮書，全面介紹中國貫徹“四個革命、一個合作”的能源安全新戰略、能源發展取得的歷史性成就、能源生產與利用方式發生重大變革，中國積極參與全球能源治理并攜手應對全球氣候變化，推動構建人類命運共同體的理念與行動。同時，讓學生樹立能源危機意識，了解化石能源的大量消耗會產生全球氣候變暖與環境污染等問題，也給我國能源生產安全和“雙碳”建設目標帶來嚴峻挑戰。從科學技術發展與應用的角度出發，讓學生充分認識到以電力電子技術為控制核心的風力發電與光伏發電等可再生能源的規模化應用是實現中國能源結構從化石能源向綠色能源轉型的重要舉措，以培養學生的愛國情懷。此外，還可將中國如何實現“雙碳”建設目標的舉措融入至教學過程中，提高學生思考問題的積極性和學習課程的興趣。

第二，合理更新并構建課程教學內容，緊跟“雙碳”建設的前沿科技。電力電子技術是一門與科學技術前沿緊密結合的交叉型、應用型專業技術。《電力電子技術》課程的教學內容不僅覆蓋經典的基礎理論知識，而且需要緊跟科學技術發展前沿，了解各種電力電子技術的應用場景與發展現狀。對于課程基礎理論知識內容的學習，可通過訂購一本經典的課程教材輔以一兩本同類教材得以完成。本課程選擇張興與黃海宏主編的《電力電子技術（第二版）》作為基礎教材，同時推薦學生選訂王兆安與劉進軍主編的《電力電子技術（第五版）》作為輔助教材，學習有關電力電子功率半導體器件、各種典型的電力電子變換器、以及各類電力電子變換器工作原理及其典型應用等基礎知識內容。考慮到學生掌握學科基礎理論知識的水平參差不齊，難以將先學有關理論知識順利地遷移至本課程學習過程中，以及教材所列教學內容無法涵蓋“雙碳”背景下快速更迭的電力電子技術等問題，授課教師應適當地調整與優化了課程的教學內容，以保證學生能夠完整地掌握經典的和全新的電力電子技術相關知識。

《電力電子技術》課程內容中的電力電子功率半導體器件發展非常迅速，授課教師在準備課程內容的時候需要結合當前的研究熱點與科技前沿相關技術。例如，桂林理工大學自動化專業任課教師在準備電力電子器件這一部分教學PPT的過程中，不僅將教材中所列出的基礎器件部分所涉及的電力電子器件及其應用內容加入該部分教學PPT中，而且將所選用的教材并未涉及新興出現的高性能第三代新型寬襟帶半導體器件——SiC、GaN等的基礎知識內容也加入到教學PPT中，最終在課程教學過程中給學生呈現出一份完整的電力電子器件教學材料。同時，對于SiC、GaN所構成的電力電子變換器及其控制應用技術需要調研科研論文，授課教師下載并研讀最新發表的高水平學術論文并作為教學參考資料，更新并補充至教學內容中。此外，目前基于SiC、GaN的電力電子變換器已在部分工業領域得到應用，但是在更為廣泛的商業應用領域還存在運行穩定性與電磁干擾等問題。在教學過程中，授課教師也會關注這一類前沿的技術領域，以技術專題或課外興趣咨詢等形式進行介紹與討論，保證學生能夠積極地參與到課程內容教學過程中，以提高學生的學習興趣和學習積極性，有利于培養學生的創新思維和科學探索能力。

第三，采用“雙碳”建設理念融入課程授課的教學方法，培養“雙碳”型科技創新人才。在《電力電子技術》課程教學過程中，授課教師需始終貫徹理論緊密聯系實踐的教學理念，學生通過學習理論基礎知識與實踐專業知識應用，培養自身發現問題、分析問題與解決問題的實踐能力。在知識層面上，教師要讓學生能夠掌握電力電子變換器及其控制變換技術的基礎理論知識，了解電力電子功率半導體器件的基本工作原理及其封裝改造工藝，掌握DC/AC、DC/DC、AC/DC與AC/AC四類典型電力電子變換器的工作原理、控制方法和應用特征。在能力層面上，教師應該讓學生熟練掌握四類典型電力電子變換器的分析、設計與控制方法，能夠結合科研項目關鍵技術與工程實踐應用問題開展應用方法研究，制定并完善研究路線。此外，在思想與素質教育層面上，教師應重點圍繞“雙碳”國家發展戰略，將“雙碳”建設理念融入課程的教學過程中，提升學生參與課程互動的積極性與課堂教學效果，培養具有“雙碳”創新實踐能力的專業人才。

例如，桂林理工大學自動化專業任課教師在課程授課過程中制定了相應的教學改革措施。一方面，在課程授課的緒論部分讓學生掌握《電力電子技術》的定義、組成與應用等基本知識，同時給學生介紹“雙碳”建設目標的概念與構建意義，引導學生樹立關注并擁護國家發展戰略決策的愛國情懷。另一方面，引導學生站在人類社會可持續發展的戰略高度看待科技發展歷程，重點圍繞能源危機、全球氣候變暖等對人類科技生產與日常生活帶來深遠影響的問題，使學生了解電力電子技術的發展是為了解決人類命運共同體所面臨的重大問題，從而使得學生對“雙碳”建設理念所涉及的電力電子技術產生濃厚學習興趣，利于學生做出正確、合理的人生職業規劃。

3　結束語

“雙碳”建設目標有利于推動經濟社會往綠色低碳方向發展，有助于促進電力電子技術的革新與規模化應用。本文在分析“雙碳”背景下《電力電子技術》課程的教學現狀以及所存在問題的基礎上，結合桂林理工大學自動化專業的《電力電子技術》課程教學實際情況，重點圍繞課程教學內容和授課特點，主要從教學目標、教學內容和教學方法三個方面對課程教學改革的舉措進行了有益的探索與實踐，將“雙碳”建設理念有機融入至課程教學過程中，以期提高課程教學效果，同時滿足培養“雙碳”科技創新人才的新需求。

[1]陳斌，方藝萍. “雙碳”戰略背景下環境類新工科“雙創”人才培養與實踐探究[J]. 高教學刊，2021，7(z1): 29-33.

[2]呂石磊，王冉. “30·60”雙碳目標下建環專業的教學改革與思考[J]. 高教學刊，2021，7(30): 62-65，69.

[3]曹昆，陳淑芬. “雙碳”目標下《太陽能電池材料及技術》課程的教學改革探索[J]. 廣東化工，2021(24): 171-172.

[4]張凱，周林. “雙碳”背景下能源電力高校《計算機網絡》課程探索[J]. 中國電力教育，2021(S1): 93-94.

[5]張大全，辛志玲，李瑾. “雙碳”目標下《大氣污染控制工程》課程建設要求[J]. 中國電力教育，2021(S1): 95-96.

[6]王強，韓凱，盧紅梅. 雙碳背景下化工專業學生的綠色工程教育[J]. 廣東化工，2021，48(24): 261-262.

[7]黃珍，賈明，劉慧. 雙碳目標下高校建設“低碳科技與管理”專業的探索[J]. 新文科教育研究，2021(4): 60-73.

[8]劉麗娜，漆新華，孫妍，等. 新工科與“雙碳”背景下生物質能源轉化與利用技術課程教學改革[J]. 高教學刊，2021，7(z1): 121-122，125.

Exploration and Practice of Teaching Reform ofunder the Target of "Double Carbon"

The "double carbon" construction targets of carbon peaking in 2030 and carbon neutrality in 2060 will promote the development of the economy and society in a green and low-carbon direction, which is conducive to promoting the innovation and large-scale application of power electronics. In view of the current teaching situation and existing problems of the course ofunder the background of "double carbon", based on the actual teaching situation of the coursein the automation specialty of Guilin University of Technology, this paper explores and practices the measures of the course teaching reform from three aspects of teaching objectives, teaching contents and teaching methods around the course teaching contents and characteristics, with a view to improving the course teaching level and improving the classroom teaching effect, so as to meet the new needs of cultivating "double carbon" scientific and technological innovation talents.

"double carbon"; construction target; power electronics; teaching reform

G642

A

1008-1151(2022)10-0130-03

2022-06-30

廣西高等教育本科教學改革工程一般項目“基于建構主義導向的‘翻轉課堂’教學法在《電力電子技術》課程教學中的應用研究與實踐”（2021JGB205）；廣西高等教育本科教學改革工程立項項目（2016JGA100）。

石榮亮（1987－），男，上海人，桂林理工大學機械與控制工程學院講師，碩士生導師，博士，從事自動化專業的教學和科研工作。