“現代電力電子技術”MOOC建設與混合式教學

［摘 要］ “現代電力電子技術”是面向工程碩士教育開設的一門線上線下混合式課程。由于此課程具有多學科交叉、面向工程實際、學習對象較復雜等特點，線上線下混合式教學方法和授課形式需要有針對性地設計。針對以上課程特點，分析并提出了該課程內容選擇方案，提出了適應線上線下教學的內容編排方法，探討了線下授課的教學方法，形成了以課程設計為骨架，設計目標驗證為導向，結合小組討論匯報和答疑的混合式教學方案，提升了課程教學效果，培養了學生研究性學習的能力。

［關鍵詞］ 現代電力電子技術；線上線下混合式課程；教學方法

［基金項目］ 2022年度武漢大學研究生研究學分課程建設項目“新型機電系統動力學建模方法”（武大研字〔2012〕72號）

［作者簡介］ 黃 萌（1984—），男，湖北武漢人，博士，武漢大學電氣與自動化學院副教授，主要從事電力電子技術研究；孫建軍（1975—），男，江西新干人，博士，武漢大學電氣與自動化學院教授，主要從事電力電子技術研究；宮金武（1981—），男，湖北隨州人，博士，武漢大學電氣與自動化學院副教授，主要從事電力電子技術研究。

［中圖分類號］ G643.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0125-04 ［收稿日期］ 2023-08-16

引言

電力電子技術是電力系統及其自動化中一個活躍的分支。它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而成的，已成為現代電氣工程與自動化專業不可缺少的教學內容。

“現代電力電子技術”課程基于利用半導體器件進行電能變換和控制的電力電子技術［1］，重點關注當前廣泛應用的新能源發電裝置、柔性直流輸電系統、無功及諧波補償裝置等內容。主要面向工程碩士研究生，讓學生掌握各種電力電子電路的結構、工作原理、控制方法、設計計算方法；熟悉各種電力電子裝置的應用范圍及技術指標。主要培養研究生從事電力電子裝置與系統的分析、工程設計方面的能力及一定的科研能力。

大規模在線公開課程MOOC（Massive Open Online Course）為學習者提供了新型的知識獲取渠道。茅靖峰等［2］對“現代電力電子技術”教學中面向應用型人才的教學實踐進行研究；趙益波［3］探討了課程設計對電力電子技術類課程學習的重要價值；張玲霞等［4］探討了MOOC時代的教學特征；賀雪晨［5］提出在線授課時需要在以授課為基礎的課堂模式中引入全新的教學理念及優質資源。本文從“現代電力電子技術”線上線下混合式課程的教學特點及要求出發，對課程內容建設和教學方法進行探討。

一、課程特點

“現代電力電子技術”課程擬使電氣工程碩士研究生進一步學習、探索以電力電子技術為核心的柔性裝置在電力系統中的應用，解決電力系統的安全穩定經濟問題，是電力電子技術與電力系統的結合。由于融入了當前應用廣泛的新能源發電、柔性直流輸電等內容，且需實施在線視頻授課，本課程具有以下一些特點。

（一）多學科交叉，關注應用型的問題

新能源發電應用中，電力電子裝置是一個主要環節，但裝置的應用場景差別很大。例如，我國西部地區地域廣闊，所采用的大都是大型光伏電站形式，光伏發電匯集到高壓直流輸電線路。而在東南部，土地資源有限，多是分布式發電形式，太陽能通過微型逆變器并入低壓配網。因此，在教學時需要從地理、經濟、環境多學科角度分析電力電子應用時的特點。與實際結合不僅使學生易于理解，并且能引起學生的學習興趣。

（二）系統較復雜，軟硬件結合

在傳統的電力電子技術課程的教學中，對晶閘管、IGBT等器件進行了詳細介紹，側重于物理過程的分析；對拓撲結構的教學側重于波形分析，強調物理過程。這樣的方法雖然給學生打下較好基礎，但是也弱化了電力電子應用中數模電反饋電路、自動控制原理、工程應用等方面的認知。學生對電力電子裝置與系統缺乏整體性的印象。對于工程碩士來說，學生更感興趣的可能是實用化的技術。

（三）線上線下混合授課帶來的困難

在線課程具有受眾廣、自由開放等一系列不言而喻的優點，然而這種新的授課形式也帶來很多挑戰。首先，學生注意力容易轉移，學習的興奮點一旦失去，可能對課程迅速失去關注度。其次，也存在師生無法面對面實時溝通的問題，特別是在線課程實際上是在“放錄像”，學生出現問題無法及時解答，也無法把握學生的學習狀態。

二、教學方法探討

針對以上課程特點，參考其他在線課程的優秀教學方法，筆者所在教學團隊擬對“現代電力電子技術”在線課程做如下一些嘗試。

（一）線上課程視頻內容選擇

本課程設計并錄制了五個章節的短視頻內容，包括：基本變換類型及穩態分析、電路建模與控制、PWM和軟開關技術、多電平與多重化技術、電力系統應用。每段視頻大約在5～10分鐘，一共17段視頻。

課程內容的選擇有以下幾方面考慮。一是與本科“電力電子技術”課程的承接性。本科“電力電子技術”課程主要包括了基本變換電路、脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation， PWM）技術、軟開關等內容。因此，在工程碩士研究生課程教學中，側重點在于電力電子電路的建模與控制。功率變換類型的內容為電路穩態分析服務，PWM技術內容為開關平均建模服務，軟開關技術則面向實際諧振變換器、移相全橋變換器，更具有實用性和針對性。二是與電力系統發展相結合。隨著新能源發電、直流輸電、柔性輸配電以及儲能技術的廣泛應用，電力電子功率變換得到極大的發展。電力系統應用對電壓和功率等級的要求日益提高，因此，多重化和多電平技術在本課程中進行了介紹。特別地，大功率風電和柔性直流輸電系統中對模塊化多電平（Modular Multi-level Converter， MMC）的需求日益迫切，課程中也單獨設立了一節對MMC的原理進行講授。

（二）線上課程視頻內容編排

本課程的視頻大都控制在5～10分鐘，重點講述所對應小節內容的主線。以現代電力電子功率變換電路建模與控制章節為例。該章節分為四個小節，包括：開關斬波調制技術、小信號建模作用不小、“一機多能”的電力電子功率變換、電力電子系統中復雜行為。每個小節下設兩到三個知識點，如“一機多能”的電力電子功率變換小節，分別講授了電力電子系統的控制架構、反饋控制設計及以新能源發電中的最大功率跟蹤技術為例展示具體分析設計流程。在內容編排上，盡量避免復雜的公式推導。線上課程時長為8～15分鐘。

“現代電力電子技術”中的新能源、柔性直流輸電、諧波和無功補償等內容，更適合于用圖片、動畫的方式直觀地向學生展示。例如，光伏發電P-U特性曲線呈現非線性特征，具有最大輸出功率點。而應用較為廣泛的擾動-觀測法，本質上就是一個動態調整的過程。因此，可以在在線授課時以動畫顯示工作點調整過程。首先，在確定的輻照度S條件下，光伏變換器啟動之后，工作點從原點開始沿P-U特性曲線移動，每次移動ΔU距離。當接近最大功率點時，工作點在曲線頂點來回移動。其次，當光照變化或者電池板被遮擋時，工作點發生跳變，從某條曲線跳到另一條。在風電應用中，可以結合槳距角調節的內容，已不僅僅局限于電力電子學知識。這些動態調整過程，非常適宜在在線課程中以動畫形式展現。

（三）線下課程教學模式

由于“現代電力電子技術”是一門工程性、實用性較強的課程，因此制定合理的課程設計內容，是激發學生學習興趣、提高教學質量的重要途徑。線下課程由課程講座授課和仿真實驗兩部分結合。教師首先由線上課程內容引出、梳理本節知識點。例如，小信號建模部分，從斷續導通模式下的DC-DC變換器出發，先介紹電流峰值控制和次諧波振蕩問題。然后根據開關狀態平均法建立小信號模型，進而分析模型的穩定性和補償設計。

OBE（Outcome-based Education， OBE）教育理念中一個核心內容是面向實際問題的案例教學。MatLab/Simulink仿真平臺是一個適合電力電子仿真設計、驗證的強大工具。教學過程中，通過仿真實例可以輕松解決波形抽象原理復雜的問題。而本課程中新能源發電、無功/諧波補償、柔性直流輸電裝置等主要功能均可在此平臺上實現。還是以光伏發電為例，教學時可借鑒工程設計流程，由教師定出設計指標，如表1所示。

學生根據設計指標，需要根據此應用場合計算DC-DC變換器中電感電流參數，選擇開關器件并設計實現最大功率追蹤算法、PI調節算法并在Simulink中實現。系統主要部分框圖如圖1所示。在這種DC-DC變換器中，也建議學生采用峰值電流控制，觀察無斜坡補償情況下占空比D小于0.5和大于0.5情況下的工作情況。通過時域波形觀察次諧波振蕩現象。通過設置合適的波形采樣點，在分岔圖上觀察次諧波振蕩對應的倍周期分岔現象，分析失穩機理。在此基礎上，完成小信號建模和穩定性分析，進而設計補償策略。

在教學過程中，可以讓學生先實現某個模塊功能，以此熟悉MatLab操作。進而再將整個系統作為課程設計，最終設計目標為系統以最大功率輸出。課程設計的各個步驟內容對應于教師考查重點，從電路設計、仿真應用到設計目標的實現，各個層次考查學生實際應用電力電子技術的能力。誠然，此系統距離實際的光伏發電系統還有較大差距，但是可以讓學生通過此過程直觀認識現代電力電子技術的應用過程，提升學習興趣和成就感。

課程設計主要內容包括五個方面：（1）新能源電力電子功率變換電路的理論分析；（2）電力電子拓撲選擇、依據性能要求進行器件參數的計算；（3）變換器控制算法的選擇，控制參數的計算，小信號建模與穩定性分析；（4）基于Simulink的系統搭建，系統時域和頻率性能的軟件分析；（5）驗證設計目標，形成完整的設計技術報告。

以上五方面內容對應工程碩士的考查重點分別是：（1）理論分析用來檢驗學生理論知識的掌握情況；（2）參數計算用來考查學生能否進行簡單的電路設計；（3）算法選擇用來設計控制/調制算法是否合適；（4）軟件使用是課程的一個重點，主要考查學生能否熟練應用軟件，包括分析軟件和仿真軟件；（5）設計目標對應的是設計的驗證，主要考慮電壓/電流等指標是否能夠達到，并且形成報告等材料，提升總結技術問題的能力。

通過以上幾方面工作可以發現，在線上課程基礎上，線下課程更多是引導學生結合實際場景進行思考和實踐，并推動學生用動手實踐來驗證理論分析。

（四）反饋與答疑

線下課程還需考查學生的反饋情況。本課程組織學生以3～4人小組形式進行仿真實驗并準備匯報PPT。每個小組匯報5～8分鐘，教師現場點評。匯報中，一方面可以培養學生研究式學習的能力，了解資料和文獻的收集情況；另一方面，可以考查學生對知識點的運用情況，例如DC-DC變換器小信號模型的分析和穩定性驗證。此外，小組匯報還能夠培養學生的表達能力和表達的科學性、邏輯性。根據學生反饋，對小組仿真和匯報內容的理解和掌握是本課程的主要收獲。

網絡的便捷性使得教師答疑解惑不再受時間、地域限制。在線學習平臺網站實際上也是一個線上社區，學生通過發帖的方式，隨時提出問題，問題不僅可以被相關教師回答，還可以被其他同學回答。有統計表明，在互動平臺上的回答時間中間值只有22分鐘，遠比傳統課堂對學生的答疑要好得多。當然，教師如能在社區交流中進行引導，學生將能取得更好的學習效果。

通過以上幾方面工作，筆者對“現代電力電子技術”線上線下課程混合式教學進行了實踐性的探索。雖然線上線下混合式教學具有靈活、精確性高、可控性強等特點，但是不可否認的是其也有不少局限性。這種模式對學生的要求更多，要取得很好的教學效果，需要學生在課前進行充分的預習，課后進行回顧與實踐。同時對教師的要求也更高，需要教師對課程安排更加精細。總的來說，線上教學以“教”為主，而線下教師則是提供一種學習的環境，重點在“育”。教師不僅是知識的傳播者，也是學生學習的引導者，是幫助學生學習的助手和朋友。

結語

“現代電力電子技術”在線課程是一門具有較強工程性和實踐性的工程碩士研究生課程。通過在線授課形象化知識點，借課程設計提出目標，學生在目標實現過程中發現問題、解決問題，輔以社區式的交流答疑，激發學生主動性，提升教學效果。目前，該課程線上部分已在MOOC網站“學堂在線”上線，累計報名學習人數4 000余人。課程的線下部分每學年開課一次，累計學生達數百人，課程效果良好。

參考文獻

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.4版.北京：機械工業出版社，2010：1-9.

［2］茅靖峰，顧菊平，王亞芳.基于應用型人才培養的“現代電力電子技術”教學實踐研究［J］.中國電力教育，2012（33）：32-33.

［3］趙益波.“電力電子技術”創新型課程設計探討［J］.電氣電子教學學報，2013，35（5）：111-112.

［4］張玲霞，閆允一，王輝，等.MOOC時代“電路分析”課程新教學模式探討［J］.電氣電子教學學報，2015，37（2）：19-21.

［5］賀雪晨.美國免費在線大學課程的啟示［J］.中國電力教育，2014（30）：27-28+32.