專業認證背景下電力電子技術實驗教學改革探索*

嚴慧敏 楊天燁

摘? 要? 以專業認證對創新型人才與復合型人才培養的要求為目標，基于新購置的電力電子實驗平臺，采用仿真技術與模糊數學進行電力電子技術實驗教學改革。通過仿真模型搭建、仿真參數設置、軟件編程在線測試，將課程內容和實踐環節相結合，滿足線上線下教學要求，提高學生的創新創業能力；在綜合考慮影響實驗考核各因素及其權重的基礎上，應用模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，建立實驗考核模型，有效激發學生的實驗積極性，促進教學目標達成。

關鍵詞? 專業認證；電力電子技術；實驗教學；模糊綜合評價；教學改革；仿真實驗

中圖分類號：G642.423? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0135-05

0? 引言

電力電子技術是電氣類和自動化類專業的核心課程，理論性、綜合性、應用性強，是橫跨電子學、電力學、控制學的交叉學科[1]。電力電子技術被廣泛應用于電力系統直流輸電、新能源發電等領域，滲透科技、國防、經濟、生活等各個領域。實驗教學是理論教學的補充與提高，可以讓學生加深理解理論知識，在創新型人才培養中發揮著舉足輕重的作用[2-5]。

專業認證是河海大學自動化及電氣專業建設迎來的重大發展機遇。以認證促改革，修訂培養計劃及教學大綱，進一步規范專業人才培養體系和各教學環節，使專業人才培養質量保證體系符合國際互認標準。通過專業認證，為本專業的國際影響力奠定基礎。2020年初新冠疫情暴發，學校要求在防控期間一律采取線上教學。學校有不少國外留學生，考慮到國外的防控情況，留學生一律采用線上教學的方式完成學習任務。因此，基于專業認證要求，防控時期線上線下教學呈現常態化，教師要做好線上線下授課的雙重準備。

1? 實驗教學現狀

教師上實驗課時首先講解實驗過程及實驗中的注意事項，學生根據實驗指導書完成實驗內容。這種模式存在以下弊端：

1）實驗按實驗指導書的要求完成，一般為驗證性實驗，創新能力培養不夠；

2）電力電子實驗由于電壓較高，對實驗操作過程的正確性要求很高，雖然實驗前強調了注意事項，但仍存在器件損壞現象；

3）實驗現場時間有限，教師不能科學合理考核每個學生的實踐能力，很難提高學生積極性。

2020年，河海大學電力電子實驗室在“中央高校改善辦學條件專項資金”支持下，購置MCL-III電力電子及電氣傳動實驗裝置，每臺實驗裝置均配一臺電腦，實驗條件得到較大改善。該實驗系統使用幾個大型開發設計軟件，主要有MATLAB、LabVIEW 8.5和CCS3.3，由這些軟件共同參與實驗的運行。如在MATLAB的Simulink獨特的模型文件的支持下，能夠構建多種電路的仿真實驗。實驗者可以根據自己對系統和編程的理解，修改原有提供的MDL模型文件或建立新的MDL文件，實現新的算法和思路。

2? 實驗教學改革探索

2.1? 實驗內容改革

為了滿足專業認證中畢業指標點及線上線下的教學要求，電力電子技術實驗在原來的基礎上開發了仿真實驗。通過搭建仿真電路能直觀地觀察輸出結果，通過調試器件的不同參數，可動態觀察實驗結果。仿真實驗可滿足線上線下教學的要求，學生可以在實驗室完成實驗，也可以在家完成實驗，增強實驗的靈活性及機動性。另外，錄制實驗視頻，詳細介紹實驗的方法、內容及仿真電路的搭建等相關事項，為學生線上實驗提供支撐。

2.1.1? 基于MATLAB/Simulink的仿真電路（以三相橋式全控整流電路為例）

三相橋式全控整流電路中，陰極連接在一起的三個可控硅（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組，陽極連接在一起的三個可控硅（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。每個時刻由一個共陰極組可控硅和一個共陽極組可控硅同時導通，形成向負載供電的回路。可控硅導通順序為VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，觸發脈沖相位依次差60°。帶電阻負載工作時，各自然換向點既是相電壓的交點，也是線電壓的交點。三相橋式全控整流Simulink仿真電路如圖1所示，設置元件的仿真參數，進行實驗電路仿真，修改仿真參數，直到輸出滿意的仿真結果。

2.1.2? 仿真實驗結果及分析

波形圖從上到下分別是輸入測交流電壓波形、可控硅的電壓電流波形、負載測電壓電流波形，其中黃色為電流波形，藍色為電壓波形（本刊電子版可見）。圖2、圖3分別是觸發角為30°、60°時三相橋式全控整流電路的仿真結果，由仿真圖可知，線上的仿真實驗和線下的實驗室操作達到同樣的實驗效果。

2.2? 實驗考核的提升

為了客觀、全面反映學生的學習狀況，了解教師是否達到預期教學效果，采用模糊綜合評價法[6-7]評定學生的實驗成績。模糊綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價。首先由評議者給出每項評價指標因素及權重，得到模糊評判矩陣，由模糊評判矩陣計算出權重向量，再用模糊矩陣的合成運算求得綜合評價的標準化模糊向量，對歸一化處理后的向量按照等級分值求出定量結果。

2.2.1? 模糊綜合評價指標體系

科學評判體系的建立有利于調動學生的實驗熱情，提高實驗教學質量，在綜合考慮影響實驗考核眾多因素的情況下，結合專業認證要求建立綜合評價指標體系，如表1所示。

學生線下實驗成績主要由平時成績、實驗操作、實驗報告組成：平時成績由課堂紀律遵守情況、預習報告書寫情況、實驗提問回答情況、實驗態度組成；實驗操作由實驗設備使用情況、實驗數據測量及記錄情況、實驗工作臺整理情況、軟件開發能力及創新能力組成；實驗報告由實驗報告提交情況、實驗數據處理情況、實驗結論、實驗思考題完成情況組成。

線上實驗通過教學平臺、QQ群或微信群進行實時教學互動，平時成績由上線情況、回答實驗提問情況、預習報告書寫情況、線上互動情況組成；實驗操作由搭建仿真電路情況、實驗數據測量及記錄情況、仿真軟件掌握情況、軟件開發能力及創新能力組成；實驗報告線上、線下統一標準。

2.2.2? 學生成績評定? 模糊綜合評價步驟為：

1）確定一級指標因素及權重；

2）確定二級指標因素及權重；

3）確定某學生的成績評定情況（表2）；

4）求出學生一級指標的評判矩陣及一級評判向量；

5）求出二級指標的決策矩陣及二級綜合評判模糊向量，得到最終的成績評定結果。

根據表2可得到該學生一級指標的評判矩陣分別為：

模糊綜合評判向量Bi=Ai*Ri（Ai為相應的權重集，Ri為單因素評判矩陣），得到一級評判向量分別為：

從而得到二級決策矩陣為：

根據Bi=Ai*Ri，求得二級綜合評判模糊向量為B=[0.225? 0.568? 0.175? 0.032? 0]，0.568（良）數值最大，按照最大隸屬度法，故該生的最終成績為“良”。若將最終成績換算成百分制，則令V=

[優 良 中 及格 不及格]=[95 85 75 65 55]。

計算出該生的分數為：

根據四舍五入原則，最終實驗成績為85分。

3? 結論

實驗教學改革滿足了專業認證及線上線下（特別是國外留學生）的實驗教學要求，實驗效果得到明顯改善。實驗考核的精細化激發了學生的學習興趣，促進了教學目標的達成。只有不斷探索教學改革之路，才能滿足21世紀社會對創新型、復合型人才培養的需要。

參考文獻

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京：機械工業出版社，2009.

[2] 馬輝，李文靜.“多模式、梯度性、信息化”的電力電子技術實踐教學體系研究[J].電氣電子教學學報，2020，42（4）：162-166.

[3] 王凱，周圣哲，李玉浩，等.電力電子技術多元化創新型教學模式探索[J].實驗室研究與探索，2019，38（7）：173-175，184.

[4] 鄒密，趙巖，段盼.“電力電子技術”線上線下協同教學改革與實踐：以電力電子技術為例[J].教育教學論壇，2021（24）：93-96.

[5] 李自成，劉健，曾麗，等.新工科背景下電力電子裝置與系統課程教學的改革與探索[J].中國現代教育裝備，2020（13）：48-50.

[6] 曹新川，郭偉峰，徐翠蓮，等.AHP在“遺傳學”成績評定中的應用[J].教育教學論壇，2020（44）：280-281.

[7] 劉偉波，賈天俊，李明娟.模糊綜合評判法在大學物理實驗平時成績評定中的應用[J].實驗室科學，2015，18（1）：223-225，229.

*基金項目：2020年度中央高校改善辦學條件專項資金項目“電力電子及電氣傳動教學實驗更新項目”（AH20200008）。

作者：嚴慧敏，河海大學能源與電氣學院，高級實驗師，碩士生導師，主要從事電力系統運行與控制技術、實驗技術研究；楊天燁，河海大學能源與電氣學院碩士研究生，主要從事電力系統運行與控制研究（211100）。