新工科背景下“電力電子技術”課程改革探索

蔣建波，楊念婷

（大理大學，云南大理 671003）

2017 年，在綜合性高校和工科優勢高校的新工科建設研討會上，新工科理念〔1-2〕首次被提出，其具體內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。大理大學（以下簡稱“我校”）電氣工程及其自動化專業和儲能科學與工程專業是新時代背景下典型的工科專業，而“電力電子技術”課程是這兩個專業共同開設的一門專業教育必修課，其課程目標是使學生掌握電力電子器件特性、各種基礎變換器、常規調制技術和軟開關技術，并培養學生的安全意識、創新意識和嚴謹的科學態度。因此，為了實現該課程的目標以及響應新工科對人才培養所提出的新目標，必須將新工科“立德樹人、應對變化、塑造未來”等理念落實到“電力電子技術”課程的建設中。

“電力電子技術”課程的特點包括波形多且復雜、電路拓撲多樣化等〔3〕，同時，該課程還涉及調制技術、自動控制技術等，屬于電力學、電子學等多學科融合的綜合性課程。然而，我校的“電力電子技術”課程目前存在學時不足、教學手段單一、課程內容陳舊、未充分融合課程思政等問題，對該課程進行必要的改革創新，已刻不容緩。

針對上述問題，我校“電力電子技術”課程組以新工科理念為指導思想，結合新時代背景下各相關產業對電力電子技術的新需求，對課程思政、教學手段、課程內容等進行一系列的改革，以期培養符合新時代需求的多元化、創新型卓越工程人才。

1 “電力電子技術”課程存在的問題

結合新工科背景下對工科人才需要具備較強的工程實踐能力、創新能力和國際競爭力的需求與新時代電力電子技術高頻、高功率密度的發展趨勢，綜合分析可以發現，目前我校“電力電子技術”課程存在多個亟待解決的問題，以下將對這些問題進行詳細闡述。

1.1 課程內容多而學時不足電力電子技術是一種應用于電力領域的電子技術，其核心內容是利用電力電子器件對電能進行變換與控制。這門課程以模擬電子技術、數字電子技術、電路原理課程為基礎，并融合自動控制理論、電力系統分析、工程電磁場等課程的部分內容。課程內容結構以半導體開關器件為基礎，以4 種基本的電力電子變流電路（即直流-直流變流電路、交流-交流變流電路、整流電路和逆變器電路）為主體，并輔以調制技術、軟開關技術等，其特點包括拓撲結構多樣化、特征波形多且復雜、開關邏輯各異等。

針對該課程內容，理想的學時應該是64 學時左右，然而，目前我校針對該課程所分配的學時不足，僅為48 學時，對該課程的教學造成不小的挑戰。由此也引申出其他方面的問題，如：為了囊括所有教學內容，會造成知識點密集，使得學生難以完全接受，無法保證學生充足的反應吸收時間，也必然會犧牲部分師生互動的時間等，以上問題必將降低學生的學習效率。

1.2 教學手段單一目前的教學手段包括多媒體教學（PPT）、板書和單獨開設的實驗課。結合“電力電子技術”這門課的特點不難看出，目前的教學手段還有較大的改進空間。針對“電力電子技術”課程，作者認為理想的教學手段應該是理論教學與實驗教學為主體，并以思想政治教育、該領域的應用與發展趨勢的講解、各種先進工具的利用等為輔助，形成多樣化教學方式集合，進而針對不同受眾群體和教學目標因材施教。

首先，受器件參數、電氣環境的影響，電力電子電路具有很強的非線性特征，而目前的教學皆以理想化條件為基礎展開分析。這種方法雖然便于理解，但與實際脫離嚴重，學生在今后實際工作中遇到類似電路時，會對相關波形等產生疑惑，無法達到學以致用的目的。

其次，新時代背景下，針對電力電子的仿真工具具有多樣化、精度高等特點。具有代表性的仿真軟件或平臺主要有Matlab 軟件的Simulink 工具箱〔4〕、PSIM〔5〕、硬件在環仿真平臺〔6-7〕等。雖然實驗課相比仿真更接近實際，但目前我校電力電子實驗設備較少，無法保證每位學生有充足的實驗時間，且實驗參數固定，無法隨意更改，不便于研究參數變化對變換器性能的影響。

最后，電力電子技術發展至今，仍處于高速發展階段，目前的課程教學中未涉及電力電子發展的前沿技術，學生對電力電子發展的趨勢不了解，也不熟悉電力電子行業發展相關的需求，進而可能限制學生的創新思維。

1.3 課程內容陳舊目前我校“電力電子技術”課程仍然沿用2009 年出版的教材及其相關的內容體系，而至今為止，電力電子技術在十多年的發展歷程中涌現出許多新技術、新拓撲。雖然這些技術都是基于傳統電力電子技術衍生而來，但也存在許多差異。例如針對并網逆變器的并網電流紋波衰減問題，傳統的方法是采用分立形式的LCL 濾波器，然而，基于此問題，有學者提出了采用電磁能量轉移的方法將并網電流紋波轉移至其他不關鍵的支路中〔8〕，進而實現并網電流紋波衰減，同時也將分立的磁性元件進行集成，有效減小了濾波器體積。又如針對低功率的并網逆變器應用，傳統的拓撲結構通常選擇H 橋逆變器拓撲，但該拓撲會導致直流側存在兩倍頻功率振蕩，且無法實現升壓逆變，在光伏并網應用中還存在共模漏電流問題，而針對這一問題，有學者提出一種由兩個Boost 變換器交錯級聯構成的逆變器拓撲〔9〕，可以同時解決兩倍頻功率振蕩、共模漏電流和升壓逆變等問題，見圖1。

圖1 文獻〔9〕提出的逆變器拓撲結構

諸如此類的新技術還很多，在此不做贅述。由此可以看出，目前的課程內容體系已無法適應新時代的發展，需要在此基礎上進行必要的革新。需要注意的是，原有知識點雖然陳舊，但對于學生理解基本原理具有不可替代的作用，因此對課程內容的革新是在原有知識點的基礎上融入新的知識點，而不是完全的替代。

1.4 課程思政缺乏傳統教學中，教師更注重教學理論內容，不同程度忽略了大學課程是傳授知識和思想政治教育相結合的。如何深入貫徹落實全國高校思想政治工作會議精神，為國家、為社會培養出明辨是非、德才兼備的復合型人才是每個大學教師需要思考的問題。同樣，目前我校“電力電子技術”課程仍然偏重于理論教學，未充分融合課程思政，有待加強與改進。

2 “電力電子技術”課程改革探索

針對目前我校“電力電子技術”課程存在的諸多問題，結合已有資源，開展以下幾個方面的課程改革工作。

2.1 課程思政融入教學過程我校“電力電子技術”課程團隊堅持以“立德樹人”為根本原則，結合電力電子技術相關領域開展課程思政工作。

首先，課程團隊成員通過研討會的方式，對“電力電子技術”相關課程內容深入挖掘、總結出適合開展思政教育的知識點。例如在講授逆變電路知識點時，引申出光伏并網應用，以光伏為代表的新能源發電具有零排放、無污染、環境友好的特點，在我國碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標的推進中起到了舉足輕重的作用，而光伏逆變器是光伏并網的核心裝備，作為電氣、儲能專業的當代大學生以及未來的工程人才，需要履行好實現“雙碳”目標的義務。

其次，通過歷史案例等形式探尋總結電力電子相關領域中存在的德育元素，在講解相關知識點的同時引出案例，激發學生的民族自豪感，培養與引導學生樹立正確的價值觀、歷史責任感及文化自信。例如我國的高壓直流輸電技術中，以換流器、無功補償裝置等為代表的核心裝備，都是基于電力電子技術發展而來的，而我國的國產裝備也處于世界領先地位，這使得我國的高壓直流輸電技術巍然屹立于世界之巔。以此來激發學生的民族自豪感，并由此培養學生作為未來工程人才的責任感。

2.2 豐富教學手段，增強學習興趣針對教學手段不夠豐富及學時不足的問題，我校“電力電子技術”課程團隊將先進的仿真工具引入課程教學中。前文所述3 種先進仿真工具中，以Matlab/Simulink 應用較為廣泛，因此選擇這一工具來豐富教學手段。下面以一個簡單的案例設計來闡述該工具的作用。

以帶阻感負載的單相橋式全控整流電路為例來展示引入先進仿真工具后的教學效果。圖2 展示了利用Matlab/Simulink 搭建的帶阻感負載的單相橋式全控整流電路的仿真模型，根據理論分析（定義電感無窮大），該電路的關鍵波形見圖3，其中u2和i2為交流側電壓和電流，ud和id為直流側電壓和電流，uVTx和iVTx分別表示第x 個晶閘管的電壓和電流。

圖2 單相橋式全控整流電路仿真模型

圖3 單相橋式全控整流電路關鍵波形

可以看出理想條件下直流側電流是恒定的，交流側的電流為標準的方波。如此定義雖然便于分析，但與實際情況相差甚遠。圖4 展示了U2=100 V、L=10 mH、R=10 Ω、α=45°時的仿真結果，可以發現與理論分析差距較大，這是由于實際應用中電感值是有限的。這可能導致學生在今后工作中遇到類似問題時并不能完全理解這種現象，不能達到學以致用的目的。

圖4 單相橋式全控整流電路仿真波形

基于圖4 對該電路進行分析，以促進學生的理解與掌握。可以看出實際條件下，在交流電壓由正到負之后，電感電流并不能完全持續到下一個觸發信號的到來，這就造成在另一組晶閘管開通之前，前一組晶閘管就會提前關斷，關斷之前的工作模式與圖3 所示相同，另一組晶閘管的電壓等于電網電壓u2；關斷后晶閘管VT1承受一半的交流電壓u2/2，這也是圖4 中觸發信號到達之前晶閘管電壓出現跳變的原因。

為了驗證圖3 所示關鍵波形的合理性，需要引導學生不斷加大電感值進行重復仿真驗證，以逼近圖3 所示波形。圖5 展示了隨著電感值逐漸增加時直流側電流的波形，可以看出隨著電感值的增加，直流側電流從斷續變為連續，并逐漸趨于恒定，從而驗證了圖3 所示波形的合理性。

圖5 隨電感值增加時id 的仿真波形

從上述案例可以看出，通過Matlab/Simulink 工具的仿真實驗，可以清晰地展示參數變化情況下整流器的輸出特性，有利于加深學生對該電路工作原理的理解。同時，該仿真工具也被各電力企業廣泛應用，通過仿真練習，也可以使學生掌握一門實用技能。此外，仿真練習安排學生以課外作業的形式完成，讓學生在課前就對知識點有清晰的認識；同時，利用雨課堂等互聯網工具加以輔助，豐富課外教學手段。綜上所述，通過先進仿真工具及互聯網工具的應用，可以間接起到節約課時的作用，有利于提高學習效率。

2.3 科研與教學融合，擴展視野課堂內所講授的知識點，大部分都具有基礎性較強、新穎性不足的特點。筑牢學生的基礎固然重要，但如果能在扎實的基礎之上再輔以創新能力的培養，則更有利于提升學生的綜合素質。

針對這一問題，我校“電力電子技術”課程團隊的教師將自己近期取得的科研成果在適當的地方，以知識拓展的形式融入課程教學中。例如，圖1 所示的逆變器拓撲即為作者在攻讀博士期間所提出的一種新拓撲，主要應用于低功率的光伏并網系統。此部分內容可以在講解H 橋逆變電路的時候引入，H 橋逆變器的優點是拓撲結構簡單，控制方便，適合以此為例向學生講解逆變器的原理。然而，當H 橋逆變器被應用于光伏并網系統時存在3 個方面的問題：共模漏電流、直流側兩倍頻功率振蕩和無法升壓逆變。針對這個問題，作者利用兩個升壓直流變換器（一個由圖1 中的L1、S1和C1構成，另一個則由圖1 中的L2、S2和C2構成）通過巧妙的交錯級聯方式構成圖1 所示的新型逆變器拓撲。該拓撲交流側和直流側共地，從而完全消除了共模漏電流；還提出一種兩倍頻功率解耦策略以消除直流側功率振蕩；最后，該拓撲還具有升壓逆變能力。因此，所提出的新拓撲完全解決了上述3 個問題。

此類例子還有很多，但其共同點都類似，即基于基礎的電力電子技術，通過巧妙的構思加以改進，實現不一樣的功能，解決當下工業界存在的問題。通過科研例子的擴展，能夠打開學生的眼界，有利于培養學生的創造性思維。科研反哺教學的主要方式包括但不限于：向學生講授科研創新點推導思路，培養學生解決問題的能力；向學生介紹通過需求導向型方式取得的科研成果，培養學生探索、發現并解決問題的能力。

2.4 改進課程內容，適應時代潮流如前所述，我校“電力電子技術”課程目前仍然沿用2009 年出版的教材，無法適應當前電力電子技術的發展。針對這一問題，首先對教材內容知識點進行了改進，改進的方式包括增加部分新內容、替換部分已被淘汰的內容；其次，對實踐教學內容也進行了相應的改進。

在增加新內容方面，主要體現在增加一些目前被廣泛應用的變流電路，以及上文中所述的增加一些科研成果進行知識拓展。例如，在整流電路應用中，目前被廣泛采用的是PWM 整流器，其優勢是不會向電網注入低次諧波，進而影響電網運行的安全穩定性。這部分內容加入相控式晶閘管整流電路之后，可以起到承上啟下的作用，同時也可以培養學生發現問題、解決問題的思路與能力。

在替換內容方面，主要體現在一些理論知識晦澀難懂且目前已被先進技術淘汰的知識點。例如，在晶閘管整流電路的相位控制實現方面，以前的方式是采用同步信號為鋸齒波的觸發電路，該電路本質上是一種運行邏輯多變、拓撲結構復雜、元器件較多的模擬電路，學生對此類電路的理解掌握能力較差。此外，該電路功耗高，可靠性較差，目前已被可靠性高、多功能化的集成電路所替代，如果再占用較多課時（3 個課時左右）對此類內容進行講解，將得不償失。因此，此部分內容被替換為常用的集成電路系列的功能與應用介紹。

在實踐教學內容方面，將鋸齒波同步移相觸發電路實驗移除，增加了基于Matlab/Simulink 仿真平臺的PWM 整流電路仿真實驗，采用實際試驗臺操作與仿真實驗相結合的方式進行理論驗證，一方面將實際實驗的真實性與仿真實驗的靈活性進行優勢互補，另一方面也一定程度上彌補了實驗設備不足的缺點。

3 改革成效

由于本次課程改革處于初期探索階段，因此本研究僅對比了改革前后兩屆學生的期末考試情況及學生評價情況，雖然樣本數量不夠充足，但在一定程度上也能反映本次改革的成效。改革前后兩屆學生的總人數均為58 人，圖6 所示為改革前后兩屆學生的期末考試成績對比圖，及格率從89.7%上升至96.6%，80 分以上的同學從8.6%增加至27.6%。可以發現經過課程改革以后學生成績得到了明顯的提升，不及格人數由6 人減少至2 人，對應占比由10.3%下降至3.4%；60～69 分區間人數由21 人下降至12 人，對應占比由36.2%下降至20.7%；70~79 分區間人數由26 人增加至28 人，對應占比由44.8%增加至48.3%；80~89 分區間人數由5 人增加至14 人，對應占比由8.6%增加至24.1%；90 分以上的學生也實現了從0 人到2 人的突破。同時，改革后的期末考試成績也由改革前的輕度偏態分布轉變為正態分布。在學生評價方面，主要通過學生網絡評教和紙質打分的形式，通過統計，改革前后評價的平均分也從90.3 分上升至92.5分；在同行評價方面，通過與云南民族大學等同行教師相互交流，得到了“教學手段豐富多樣、教學思維新穎”等好評。

圖6 改革前后期末考試成績對比

此外，通過此次改革以及后續的努力，以期實現以下目標：

3.1 弘揚文化自信，提升歷史責任感通過理論教學與課程思政的高度融合，以有效激發學生的民族自豪感與歷史責任感，使其深刻體會到作為未來工程人才所肩負的責任，進而培養學生正確的價值觀，激發學生的斗志，使其更加努力地投入到理論學習中。

3.2 應用仿真工具，提高學習效率通過先進仿真工具的應用，以起到預習的作用，在課程講解過程中學生能夠快速進入狀態，起到了事半功倍的效果；其次，充分調動學生向老師提問的積極性，進而提升學習主動性，以達到提高學習效率的目的。

3.3 豐富學生技能，拓寬學生視野首先，Matlab/Simulink 仿真工具是眾多電力企業廣泛使用的一種仿真工具，力求學生在本課程的學習中熟練掌握這一工具的使用方法，豐富學生的技能庫，提升競爭力；其次，通過科研成果的拓展，培養學生發現問題并解決問題的能力，激發其創新思維能力，拓寬學生對本專業應用的視野。

大理大學“電力電子技術”課程團隊針對目前課程教學所凸顯的一系列問題，以新工科理念為思想指導，采用融入思政教育、課程內容結構改進、結合先進工具與科研成果等方式進行改革與探索。目前已取得了初步成效，但仍然存在許多需要完善的地方，下一步將從深入貫徹課程思政教育、提高科研反哺教學的力度與范圍、繼續豐富完善教學手段等方面進一步對“電力電子技術”課程進行改革與完善。