解決復雜工程問題能力培養研究

0 引言

電力電子技術課程的核心知識是電能的變換與控制，涉及半導體、電工、電子、控制等多領域知識。電力電子技術課程具有顯著的基礎性和理論性特征，對學生的實踐能力也有很高要求[]。《工程教育認證標準》是我國現行的工程教育本科專業認證標準，其中在涉及工程知識、問題分析、設計／開發解決方案等畢業要求中，均要求學生具備解決復雜工程問題的能力[2-4]。

目前，我國高校大部分電力電子技術課程仍然采取“你講我聽”的單向灌輸式授課方式。由于電力電子技術覆蓋面廣，涉及各類強電和弱電等，這種授課方式導致實物演示教學環節缺失，無法突出學生學習的主體地位，與《工程教育認證標準》的要求有較大差距[5]。從實踐來看，考慮到電力電子系統安全性和系統復雜性等因素，真正能讓學生實現動手實踐的教學環節占比較小，導致課程的實踐性較弱。此外，因缺乏有效的引導與訓練，極大地抑制了學生在電力電子技術課程學習中的主觀能動性。這與教學改革要求不相適應，也不符合《工程教育認證標準》中對學生解決復雜工程問題能力培養的要求[4，6-8]。

本文圍繞電力電子技術課程特點，從課程教師團隊優化、教學大綱改進、課程教學方法改革、電力電子技術虛擬和實物訓練平臺建設、課程學習評價改革與教學質量改進幾個方面，對如何促進學生解決復雜工程問題能力的培養進行探討。

1 課程教師團隊優化

教師團隊須轉變以課本為中心的教學理念，正確理解我國工程教育認證以學生為中心、成果導向、持續改進的理念，不斷學習并引入一些新的教學方法，如STEM、CDIO等，實現以解決專業領域內復雜工程問題能力培養為核心的教學方法的轉變。同時，強化教學中的工程背景和技術應用，充分考慮復雜工程問題中常見的非技術約束，從多維優化的角度對包括經濟、社會、人文、法律各個層面的因素進行綜合考慮，并一一映射到電力電子相關工程的設計要點中，有效提升學生解決復雜工程問題的能力。

2 教學大綱改進

傳統教學大綱存在重理論輕實踐等問題，導致課中和課后都缺乏對學生工程實踐能力的培養，更談不上對復雜工程問題解決能力的培養。例如，傳統電力電子技術往往大篇幅講述晶閘管的應用、工頻逆變的分析等，這與生產實踐中對以變頻器、光伏逆變器為代表的高頻高效電力電子設備之間存在較大差距。因此，在課程教學改革中，須根據專業培養目標和工程教育認證要求，從成果導向和持續改進的角度突出對學生解決復雜工程問題能力的培養，進一步改進和完善電力電子技術教學大綱。

3課程教學方法改革

布魯姆將認知思維目標從低到高分解為六個層級：識記（記憶）、理解、應用、分析、評價、創造。目前高校教學主要通過課堂講授方式進行，這種教學方式的不足在于課本上固定的教學方法和思路無法體現復雜工程問題，進而導致對學生分析、評價、創造等高層次認知能力的培養效果不理想。

3.1 案例教學法

從教學大綱規定的基本概念和基礎知識出發，以案例提供的材料和問題為中心進行討論和分析，引導學生做出判斷和決策，讓學生利用基礎知識解決實際問題，進而訓練他們的高層次認知能力。由于電力電子技術已經在新能源、電動汽車、電源等常見系統中得到廣泛應用，實踐性強，適合采取案例教學法進行教學。圖1為典型并網型光伏逆變系統構成，教師可以通過對光伏逆變系統的案例分析，將常見的電力電子基本拓撲融入工程應用，提高學生解決復雜工程問題的能力。

3.2基于項目引領的教學法

該教學方法注重培養學生主動發現問題、分析問題并解決問題的能力，這正是解決復雜工程問題能力培養的內在目的。例如，引導學生在基本電力電子技術分析平臺，通過對系統輸出電流的測量和分析快速掌握電流實際波形，理解占空比變化和開關管的開關頻率與電流之間的關系，從實際例子中掌握電感的儲能與釋能。電力電子輸出電流的測量和分析如圖2所示。

結合電力電子技術課程的特點和新版教學大綱，將教學內容圍繞一個具體項目展開，從抽象的系統指標入手進行層層分解，實現系統的功率計算、電壓電流計算、開關器件的應力計算、損耗計算和型號選擇等，鞏固學生對課程基礎知識的掌握。

3.3以競賽為驅動的教學法

“競賽驅動”是對學生進行個性化培養、提高學生團隊合作創新能力的有效手段，是一種以學生為中心的實踐型教學形式。電力電子類競賽涵蓋面寬、綜合性強，能較全面地對學生解決復雜工程問題的能力進行檢驗。電力電子類競賽題目，如電機驅動、電源、智能電網等，來源于生產生活實際又具備集成性和復雜性，相關知識點涵蓋模擬電路、數字電路、功率電路、控制論、磁性技術等眾多學科，體現了學科間的交叉和融合。各個知識點之間既獨立又統一，能體現復雜工程問題的特點。

針對全國大學生電子設計競賽等常見賽事，平時有針對性地進行題目設計和更新，對相應指標或要求進行分解，實現這些題目與電力電子技術課程知識點的主映射。在此基礎上，進一步結合其他通識課程和專業課程進行細化，形成概念到實物的轉化，通過仿真、編程、調試、測試、修改和分析等環節，鍛煉學生的動手能力，理解電力電子技術課程各知識點之間、電力電子技術課程與其他課程之間的有機聯系。同時，通過賽后總結，指導教師和課程組等根據情況對教學大綱和培養計劃等進行修訂。“以賽促教、以賽促學、以賽促練”，采用以競賽為驅動的教學法將課程學習與實踐相結合，有效培養學生解決復雜工程問題的能力和創新能力。

4電力電子技術虛擬和實物訓練平臺建設

首先，考慮到電力電子技術實際工業中應用的復雜性和多樣性，如變頻器、電源、新能源發電系統等，對各個應用進行分析和歸類后，電力電子技術訓練平臺在建設過程中堅持盡量接近實物的原則。現在很多訓練平臺過于注重操作的簡易性，采用了不少“傻瓜式”的封閉型插線式實驗辦法，導致系統特性無法隨意改變、控制方式單一，嚴重脫離電力電子技術的實際應用環境，不利于學生掌握并靈活運用電力電子技術中重要的開關器件、驅動等知識，限制了對學生動手能力和創新能力的培養。其次，部分實驗設備采用DSP、ARM、FPGA等處理器實現控制，但是這種比較敏感和易損的環境給實驗教學或創新時進行二次開發造成了困難。學生不僅要掌握實驗原理、控制策略和代碼編寫，還需熟悉處理器內部資源和外設電路。這種開發模式下控制策略的算法代碼不易編寫，不能與控制理論系統框圖進行對照，易出錯且難于查找改正，控制信號調節困難，開發周期較長。

為此，可以考慮在PC平臺上引入一些實時快速原型和半仿真的如RT-LAB等硬件實驗裝置，進一步加強對學生解決復雜工程問題能力的培養。在鞏固電氣類、自動化類學生電力電子技術基礎知識的同時，加強對學生的行業背景訓練，強化其工程設計和工程創新意識，培養他們解決復雜工程問題的能力，從而提高高校本科工程教育質量。

5課程學習評價改革與教學質量改進

隨著各類產業的迅速升級，本科院校學生學習效果評價體系越來越受關注。傳統單一的學習效果評價體系已經不能適應當前對工程教育的要求和對學生解決復雜工程問題能力的需求。因此，對學習效果評價體系改革具有很強的現實意義。針對電力電子技術課程目標，需要結合電力電子技術基本元素如開關器件、電路拓撲，以及通過相關電路、調制和控制實現特定功能的特點，設計與之相適應的考核與評價方式。除了考核學生對電力電子知識點的掌握情況外，還應考核學生從電力電子系統關鍵指標（如效率、功率密度等）分析、解決問題的能力。對課程中學生創新能力的考核，應結合課堂討論和實訓實驗評價等方式進行，從個性化、多元化的角度，實現電力電子技術學習效果評價體系改革。

一方面，在課程和實踐教學各個環節，通過作業、考試、報告、項目和競賽等手段，跟蹤分析學生電力電子技術課程目標分項達成情況，并針對總結出來的主要問題修正下一年度課程教學相關措施，由此形成閉環式的電力電子技術課程教學體系。在整個教學環節中，需要堅持以培養學生解決復雜工程問題的能力為導向并采取多元過程性評價。另一方面，通過加強校內教學質量監控、收集畢業生或用人單位（尤其是電氣類或自動化類企業）的反饋，適時評價電力電子技術教學大綱的達成度及其合理性，改進課程體系和課程目標，從而持續提高課程教學質量。

6 結束語

電力電子技術課程涉及半導體學、電工理論、電子學、控制理論、磁技術、數字信號處理等，是一門實踐性和理論性都非常強的課程，有利于培養學生解決復雜工程問題的能力。在電力電子技術課程教學改革中應依托但不依賴課本，圍繞案例、項目等對課程的重要知識點進行分析，引導學生從解決復雜工程問題的角度思考并掌握各個知識點之間的關系。從實訓的角度加強實驗教學，開發電力電子技術虛擬和實物訓練平臺，教師團隊通過科研促進電力電子技術課程教學，做到理論與實踐相結合，激發學生學習興趣。在教學評價體系中堅持以解決實際問題為導向，同時考慮學生和電力電子技術各類工程項目的個性化、多元化等特點，從而為提高電氣工程、自動化等專業本科生解決復雜工程問題能力提供有效支撐。

7參考文獻

[1］何湘寧，李武華，羅皓澤，等．支撐能源高效轉換和高質調控的電力電子技術［J].中國科學：技術科學，2023，53（10）：1674-1686.

[2]張智剛，康重慶.碳中和目標下構建新型電力系統的挑戰與展望[J].中國電機工程學報，2022，42（8）：2806-2819.

[3]安勇，王文龍．激發工程教育專業認證“源動力”［J].中國高等教育，2023（11）：55-57.

[4]王庚，朱露，胡德鑫，等．工程教育專業認證標準的國際比較研究［J].高等工程教育研究，2022（2）：35-44.

[5]李志義，趙衛兵．我國工程教育認證的最新進展［J].高等工程教育研究，2021（5）：39-43.

[6]陳厚豐，張凡稷.近十年我國高等工程教育的發展軌跡、困境與路徑抉擇[J].大學教育科學，2021（5）：60-68.

[7］朱露，唐浩興，胡德鑫，等．工科本科生解決復雜工程問題能力評價模型［J].高等工程教育研究，2023（4）：86-99.

[8]易力力，趙慶，邱志偉，等．以解決復雜工程問題為核心的大學生科研訓練項目實踐［J].實驗室研究與探索，2022，41（5）：197-201.