基于新工科背景下電力電子系列課程的實驗教學改革

李 沁 葛楨甄 陳坤燚 徐 建

（湖北民族大學信息工程學院 湖北·恩施 445000）

0 引言

繼2017年教育部啟動“新工科研究與實踐”項目提出新工科建設后，高等工程教育逐步轉向培養工程實踐能力強、具備創新能力、適應于新產業新經濟的高素質復合型工程人才，其中成果導向機制的課程開發和教學設計是新工科背景下人才培養模式改革的重中之重[1]。

“電力電子學”是電氣專業的專業基礎課，其系列課程包括方向課、選修課和課程設計等，其中實驗教學是培養學生工程實踐和綜合應用能力的重要環節。但是現有的傳統實驗室由于形式和內容單一，存在開放性和交叉性不足等問題，限制了實驗教學的代表性和創新性、實驗項目的設計性和靈活性，教學效率低下，無法滿足新工科建設的內涵與特征。

本論文中，我們以新工科建設要求為目標，以學生為中心，修改實驗教學模式，融入多學科和科技前沿知識，改進實驗教學評價機制，培養學生工程應用和綜合實踐能力。

1 電力電子系列課程實驗改革路徑

針對我校“電力電子學”實驗教學中存在的問題，提出“三類課程、三個層次、兩種方式、三項能力”的實驗改革路徑，即通過必修課、選修課、課程設計類三類課程，基于驗證性、綜合性、設計性三個層次的實驗，采用基礎型和開放型兩種實驗方式，培養學生實踐操作能力、綜合分析能力和創新設計能力。

三個層次的實驗依次遞進為：基于傳統電路拓撲的基礎驗證性實驗；綜合相關課程知識的綜合性實驗；基于綜合性實驗和工程應用要求的設計性實驗。

基礎型實驗內容相對固定，主要用于驗證課程結論和熟悉實驗平臺與實踐操作。而開放型實驗由學生通過查閱資料、結合相關知識、自行設計實驗方案，在教師引導下完成實驗。

所培養學生的三項能力體現在：具備借助實驗平臺開展參數計算、搭建功能系統的能力；具備對實驗結果進行合理分析、解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結論的能力；具備對工程實驗研究及工程中的簡單工程問題進行分解和分析，提出改進方案設計并說明設計方案可行性的能力。

2 電力電子系列課程實驗大綱修訂

根據上述改革路徑，針對現有教學大綱內容重新修訂電力電子相關課程教學大綱內容，要求實驗內容設置充分體現基礎驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗三個層次。

基礎驗證性實驗在必修課《電力電子學》課程學習過程中完成，其大綱基于基本電路元件、經典電路拓撲模塊進行實驗項目設計，只在實驗平臺上進行基礎性實驗，目的是幫助學生掌握電力電子學基本理論、熟悉實驗平臺操作方法，應設定為必修實驗。

綜合性實驗應在《電力電子裝置與系統》《電力電子仿真》等選修課、方向課中增加比重，綜合體現電力電子學、自控原理、電力拖動、Matlab等課程內容以及電力電子應用的科技前沿知識，結合儲能雙向直流變換電路模塊、并網逆變電路模塊、風力發電變流電路模塊、電機控制電路模塊、智能微電網雙向變流模塊進行多個實驗項目設計，將主電路設計與控制方法相結合，培養學生基于實驗結論和數據進行綜合分析的能力。

《電力電子綜合課程設計》等課程應設置設計性實驗，采用開放引導式的模式，通過電路硬件設計與調試、電路仿真與代碼編寫、算法驗證與創新、工程應用與驗證的設計流程，以項目的形式開展，充分體現“以設計為中心”的教學理念，培養學生針對復雜工程問題研究開發設計的能力。

通過對電力電子系列課程實驗大綱的優化設計，進行基礎性、綜合性和設計性三層實驗的設置，既能體現課程的核心知識結構，又能展現當前學科發展現狀，還能與其他相關課程有效銜接，實現電力電子系列課程的立體化發展，為課程體系建設與改革打下良好基礎。

3 電力電子系列課程實驗方案設計

為適應新工科建設要求，突出OBE的教學理念，本文以設計性實驗為例說明如何進行實驗方案設計。

設計性實驗應突出“以設計為中心”，培養學生解決復雜工程問題的能力，本論文基于此要求設置實驗教學實施方案如下圖1所示。

圖1：設計性實驗教學實施方案

如圖1所示，設計性實驗的教學實施方案包括學生自主學習、課堂能力提升和課程引導與監督三個主要模塊。

3.1 學生自主學習

3.1.1 理論認識

明確的理論認識能保障實驗目的有效開展，是能夠更合理完成設計性實驗的前提。其任務的安排和設置應按照解決復雜工程問題能力培養的目的進行改造，如涉及“電力電子變流器應用”這一工程環節時，學生的理論學習應圍繞解決深層次的工程問題，例如電力系統運行、控制、無功補償、電能質量等復雜工程問題展開。

3.1.2 仿真運行

針對電氣工程中的復雜工程問題，需要培養學生通過多種方法進行分析的能力，能夠采用新工具和軟件基于工程進行仿真開展問題分析。可通過引導，將工程問題分解為若干小目標，學生將系統建模、仿真調試運行等步驟放到課下進行。

3.2 課堂能力提升

3.2.1 平臺測試

平臺測試過程包括仿真運行測試和實驗平臺測試，是學生自主學習和課堂指導學習的有機銜接，有利于教師及時掌握學生學習狀態和重難點問題，便于教師督促提升學生學習效果。因此課堂運行測試結果是課程考核成績的重要組成部分，在課程大綱實驗考核部分應酌情增加分值比例。

3.2.2 難點答疑

綜合學生自學情況和運行測試結果，通過啟發引導式提問，提煉主要問題，有針對性的重點分析。考慮到不同實驗項目選題，此過程以小組形式討論完成。

3.2.3 能力提升

電氣工程問題不僅涉及理論知識和工程技術，還應考慮環境、經濟、管理等方面的問題，因此針對同一工程問題，在基本實驗目的達成下，對于較高層次的學生可提出進階要求，通過綜合應用、問題分析等能力提升訓練，培養學生解決復雜工程問題的綜合能力。

3.3 課程引導與監督

在實驗教學過程中，為有效提高學生實踐操作和問題分析的能力，教師應擔任好引導、輔助和監督的角色。

因此課程管理應貫穿于教學全過程中，對學生自學過程應有合理的組織、引導、啟發和監督，在課堂上應充分調動學生積極性和主動性，整體提升教學質量。且在實驗考核成績中，過程考核評分應占60%以上，在課程達成目標評價報告中其權重分配也應占有較大比例。

4 電力電子系列課程實驗應用典型案例

由于逆變電路是電力電子變流電路中的典型電路，在電力系統中廣泛應用。在本文中以“光伏并網逆變控制實驗”為例系統闡述設計性實驗方案的應用。

4.1 學生自學引導過程

如表1所示為學生自學實驗的組織引導過程，該過程按階段完成。教師應準確把握重點和難點，及時引導，避免學生學習的盲目性，并按學生反饋隨時修正調節進度和難度，保障自學效果，提升自學效率。

4.2 課堂能力提升

“光伏并網逆變控制實驗”的課堂教學計劃如表2所示。

4.2.1 運行測試

本實驗的運行測試應根據學生學習目標制定，包括針對理論知識的預習問答、仿真運行測試和實驗平臺電路測試。由于仿真運行應在學生自學階段完成，通過隨機提問和仿真測試結果，及時準確的把握學生自學完成度。

4.2.2 組內討論

將實驗過程分解為系統仿真和硬件電路設計與調試，每一階段都由小組分工、協同合作完成。在小組分工階段各學生通過自學查詢資料完成參數計算、模塊設計等子任務，在課堂上通過實驗平臺調試完成系統整體運行測試。“光伏并網逆變控制實驗”中應完成開環和閉環兩種控制模式設計和比較分析。

4.2.3 難點答疑

設計性實驗通過自行選題分組，重難點各不相同。“光伏并網逆變控制實驗”的主要難點問題在于控制器的結構設計、濾波器參數設計、輸入輸出電壓電流的波形及相互關系分析。將難點問題分解到組內討論的系統調試過程中，通過調試結果和波形輸出對重難點內容針對性分析解答，能幫助學生更好的掌握和理解，提升實驗效果。

表1：自學引導過程

4.2.4 能力提升

現代電力工程包含越來越多的復雜工程問題[2]，例如光伏并網系統包含了直流變交流逆變器、濾波環節和電網系統，因此在設計系統方案時，對學有余力的同學，在考慮系統安全穩定運行基礎上，還能基于場景綜合考慮環境、經濟、社會和管理等因素，提出具有創新特征的可行性方案。全面提升學生分析解決復雜工程問題的綜合能力。實驗過程中可引導學生依據光伏并網系統相關逆變器技術規范、并網性能測試與評價方法的行業標準和規范進行設計。

5 結語

新工科建設對于高校本科教育培養工程應用型人才提出了新要求，本文基于新工科建設與人才培養模式改革，構建了“三類課程、三個層次、兩種方式、三項能力”的實驗改革路徑。針對電力電子系列課程開展了實驗教學改革研究。針對《電力電子學》《電力電子裝置與系統》《電力電子綜合課程設計》等電力電子系列的相關課程，設置基礎驗證性、綜合性、設計性層次依次遞進的實驗，采用基礎型和開放型的實驗方式，通過完善教學大綱、轉變教學模式、建立教學反饋機制、加強過程引導監督、采用全方位考核評價體系，全面培養和提升學生實踐操作能力、綜合分析能力和創新設計能力。