“電力電子技術”實踐性教學體系的建設與實踐

孫鐵成,楊 華,呂瑞豐,李久勝,王明彥

(哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院,黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

電力電子技術從上世紀中葉誕生后,經過半個世紀的發展,已經形成較為完整的學科體系和理論,成為相對獨立的學科[1]。“電力電子技術”實踐性教學環節是學生在電能變換理論與方法學習的基礎上,進一步掌握電力電子器件對電能進行變換和控制的技術[2]。是培養學生根據工程要求正確選用電力電子器件的能力,對典型電能變換電路的分析、計算能力,基本電能變換電路的調試能力[3,4]。運用基本概念和基本實驗技能,根據工程背景對電能變換電路要求進行分析與設計能力的訓練[5]。通過實踐性教學環節的教學過程,可以使學生在掌握電力電子技術實驗技能與方法的同時,跟蹤并了解電力電子器件及其控制技術發展的最新動態與趨勢,為從事電氣工程學科的工程設計和工程應用奠定基礎。

1 教學理念

哈爾濱工業大學是一所研究性大學,在研究性大學的教學應以培養研究型人才為目的,過去沿襲下來的傳統教學方法已不能夠適應創新型人才培養的需要,因此尋找一種適合于研究性大學的教學改革思路是十分必要的。我們經過多年的探索和實踐,逐漸形成了一套系統、完善、先進的,適合于研究型人才培養的電力電子技術基礎實驗教學理念。該教學理念可概括為一個中心,兩個途徑,三個層次,三個轉變。“一個中心”是指在實驗教學中以培養學生動手能力、研究和創新能力為中心;“兩個途徑”是指學生獲得知識的途徑除了從課堂教學由教師傳授以外,還從實驗教學由自己獨立學習一些知識點,培養學生的綜合能力和自學能力;“三個層次”是指實驗教學體系包括驗證型實驗、設計型實驗和研究型實驗三個遞進的層次;“三個轉變”是指教學實驗內容從以驗證為主到分析、研究與自我驗證相結合的轉變,從以原理分析波形觀測為主到原理分析、理論設計與工程應用相結合的轉變,實驗平臺的組成從以實驗裝置為主到硬件實驗與仿真實驗相結合的轉變。

2 教學方法

(1)加強實踐性教學改革

傳統的實驗方法,是理論課程所屬下的實驗課程,這些實驗課程基本是驗證性實驗。這樣一來,無論從實驗課程內容、實驗方法,都是無法擴展到理論課程以外所涉及的知識。學生做實驗時是被動完成實驗內容,驗證理論正確性即可。這樣的實驗,無法適應對學生的工程實踐能力和綜合能力的提高。基于上述理由,我們把“電力電子技術”基礎實驗,采取了如下措施:

這門課程共有7個實驗內容,其中驗證型實驗3個,綜合設計型實驗2個,研究型實驗2個。其實驗內容順序為先做驗證型實驗,再做綜合設計型實驗,最后做研究型實驗。在實驗完成以后,安排學生用一周時間完成課程設計。實驗中設置3個驗證型實驗主要是要求學生完成“電力電子技術”中的幾種典型電路如何實現電能變換,這些電能變換電路的基本特點及基本規律,旨在幫助學生掌握基本的實驗技能與方法,培養以實驗為基礎的分析問題、解決問題和獨立思考的能力,為綜合設計型實驗、設計型實驗的進行打下了良好的基礎。在驗證型實驗進行的過程中,我們選擇了一些具有較高實用價值、能夠反映該學科的最新發展的題目作為綜合設計型實驗設計內容。例如SPWM發生器是交流調速中是控制核心,實驗教師就對于SPWM發生器提出設計該電路的各項要求。要求的內容有:實驗內容、基本原理、電路綜合設計,以及如何與變換器構成交流調速系統等。學生根據實驗內容自行決定實驗步驟,設計出完整的方案。為了保證設計的一致性、正確性,又布置了與綜合實驗有關的思考題,要求每位同學獨立完成,并且對布置的內容有完成任務的時間表。學生為了完成設計任務,首先要完成思考題,學生根據綜合實驗的要求,自行設計實驗方案。實驗教師根據學生的設計方案,并且加以引導,最后統一到一個最優的設計方案。對最后確定的設計方案進行焊板、調試、實驗。根據實驗結果寫出具有綜合設計型內容的實驗報告。通過上述實驗過程,學生由原來的被動實驗變成了主動參與,實驗室成為他們實踐鍛煉的場所。此做法受到了學生的好評。

(2)采用計算機仿真手段實現研究性學習

為了培養研究型人才,支持和鼓勵學生開展研究性學習。在“電力電子技術”基礎教學過程中,由于受到學時數限制,課堂上只重點講解分析方法和典型電路,其它一些電路的分析和研究要求學生通過實驗環節來掌握。我們將“電力電子電路”的計算機仿真引進到教學中來,作為支持學習和研究的有力技術手段。實驗6、實驗7均是在計算機上利用PSPICE或MAT LAB軟件進行電路仿真。仿真實驗給學生提供一個虛擬的實驗環境,即可解決實驗設備功能和數量不足的困難,又具有高效、高精度、高經濟性、高可靠性和方便靈活等諸多優點。運用仿真實驗的工具,學生可以根據研究的重點或實際需要,抓住其本質或主要矛盾,對實際對象進行簡化和提煉,加強了對所學知識的理解。所安排電路仿真內容,既有典型電路,也有電力電子技術的前沿變換技術,另外還有我們教師科研課題中具有代表性、啟發性的變換電路。學生運用計算機仿真的手段完成電路仿真和對變換電路深入學習。這樣即可有效地強化對課堂教學內容的理解,又為今后從事科學研究奠定必要的基礎。

(3)通過課程設計的手段訓練工程實踐能力

與課堂教學相配合的驗證性實驗,目的是使學生通過這些基本實驗,深入理解基本電能變換電路拓撲結構和工作原理,受到本門課應有的基本實驗技能的訓練。驗證性實驗依托的標準化的實驗平臺,安全、方便管理,但學生動手搭建、調試電路的機會少,限制了動手能力和創新能力的培養。為了彌補這個不足,我們增設了課程設計教學環節。我們選擇了一些具有較高實用價值、能夠反映該學科的最新發展的題目作為課程設計的內容。在課程設計中,學生首先通過查閱資料進行電路設計,然后完成實驗電路的搭建和調試,并進行深層次分析和研究。通過課程設計訓練工程實踐能力的同時,還可使學生了解新技術的發展動態,同時對本課程的應用領域、可以解決的問題有了更直觀、更感性的認識。我們對參加過課程設計的學生進行了問卷調查,在談到課程設計的主要收獲時,同學們普遍認為:通過課程設計,不僅對理論知識有了更深入的了解,還學到了很多課堂無法學到的內容;主要收獲是動手能力和調試能力得到加強。為了提供良好的實驗條件,我們開發了“PWM開關型變換器”,作為“電力電子技術課程設計”的硬件平臺。該實驗平臺已于2008年通過了學校鑒定,鑒定委員會認為:實驗平臺設計思想先進,通用性強、可靠性高、性價比高,彌補了國內工科院校中“電力電子技術課程設計”實驗裝置方面的短缺,在工科院校中具有很高的推廣應用價值。

(4)通過創新研修項目培養學生創造能力

在完成上述實驗后,部分能力較強、興趣較高的學生還可選擇創新性研究專題。這些研究專題能夠提供給學生獨立思考、自選方案的機會,拓展學生自我發揮、自主創新的空間,同時培養學生通過自學獲取知識的能力。研究性實驗是開展創新性研究專題的重要手段,為了給創新性研究專題提供硬件實驗平臺,近年來我們研制了“全橋移相零電壓DC-DC變換器”及“交流變頻調速系統”等2類實驗裝置,為學有余力的學生提供了培養和鍛煉創新能力的實驗平臺。

3 考試方法改革

實踐性考核不同與課堂理論課程的考試,實踐性考核應考核學生的動手能力,解決問題能力。我們在考試和實驗管理等方面采取了有效的教改措施。

(1)實驗課采用累加式考核方式。對于學生的出勤情況、實驗表現、實驗技能及設備儀器使用熟練程度、是否獨立完成、實驗過程中回答教師的問題、實驗報告質量等內容進行考核。

(2)實驗單獨設課,獨立考核。加強了實驗管理,提高了同學們對實驗的重視程度。

(3)課程設計期間,實驗室全天開放,同學們可以根據自己的空余時間和設計進度充分、合理地利用實驗室的資源,更圓滿地完成設計任務。

4 加強實踐性教學環節措施

(1)建立了面向研究型人才培養的實驗教學體系

由于本課程的實踐性較強,所以在教學方法的改革上,我們重點放在學生能力的培養上,如何構建課程的實驗教學體系一直是課程建設的重點問題。課程的教學團隊以培養學生的設計能力、創新精神和創新能力為目標,在實踐教學方面開展了一系列的教學研究。建立了適用于電力電子技術基礎實驗課程的研究性實驗教學體系。它打破了傳統的以驗證性實驗為主的實驗教學模式,構建了適合于培養學生創新能力的,由驗證性、設計性和研究性實驗有機結合的“三層次”實驗教學體系。該實驗教學體系實施以來,學生參與實驗的積極性、主動性大大提高,設計、研究和解決問題的能力得到了大幅提升,為以后的研究工作打下良好基礎。例如,在創新研究專題中,通過研究性實驗使學生的設計能力和創新能力大為提高。在這些創新研究專題基礎上,有多篇本科畢業設計論文獲得了學校本科優秀畢業論文獎。

(2)把教師的科研經驗與成果引入實驗教學

課程組的幾名教師都具有多年從事科研的豐富經驗,有的教師的科研成果獲得了省、部級獎勵。因此,把教師的科研工作經驗和科研成果引入到本科教學,努力使本科的教學過程帶有研究性質,保持教學內容的先進性,使學生在本科學習階段就接觸到學科前沿、學習到本學科的新技術、新方法和新知識是培養創新型人才的有效途徑。

(3)開展實驗教學研究,提高實驗教師業務水平

實驗教學研究是提高實驗室整體水平的重要途徑。實驗教學研究通過在學校的立項,獲得學校資金的支持,提高了實驗教師的業務水平,增加了實驗中心的實驗設備,學生的實驗條件得到了改善。實驗教學研究應把握課程的發展趨勢及課程的改革方向,注重實驗課程設置的高起點,注重課堂教學與實驗教學的關系、各門實驗課程的相互關系,重視實驗教師與實驗資源的合理使用。同時應注重教學研究成果的推廣。

5 結語

電力電子技術實踐性教學環節是電氣工程及其自動化專業學生培養的重要環節。教學組的全體教師經過多年的辛勤努力,尤其是近幾年的深入、全面的教學探索與實踐,在教學改革、實驗建設等方面取得了顯著的成果。教學組提出了適合于研究型大學的一個中心,兩個途徑,三個層次,三個轉變的教學指導思想。其本質是以培養學生研究能力為目標,采用多種有效的理論教學和實驗教學手段來促進學生有效學習。在實驗教學方面,構建了先進的實驗教學體系。該體系的實施,體現了因材施教,個性化發展的原則,適合于培養學生通過實踐進行分析和研究以及創新的能力。教學組自行開發研制了一批設計思想先進、推廣價值高的實驗裝置,有力地配合了研究性教學體系的建立和教學活動的開展。該實驗教學體系實施以來,學生參與實驗的積極性、主動性大大提高,設計、研究和解決問題的能力得到了大幅提升,為以后從事研究工作打下良好的基礎。教學組在課程建設方面發表多篇有參考價值的教學研究論文。教學改革和實驗研究項目先后獲得省、學校的多項獎勵

[1]許春雨.電力電子技術課程的教學與實踐,第六屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會論文集,2009年8月,哈爾濱:330-336

[2]王澤中,王兆安.電氣工程專業工程教育專業認證進展,第五屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會論文集,2009年8月,西安:1-7

[3]李久勝,王明彥等.“電力電子基礎”課程的研究導向型教學設計,電氣電子教學學報,2008(5):84-86

[4]王兆安,黃俊.電力電子技術(第四版).機械工業出版社,2001年

[5]楊澤斌,孫玉坤,譚倫農.電氣工程及其自動化專業實踐教學的探索與思考[J].電氣電子教學學報,2007(1):69-71