面向工程應(yīng)用的電力電子技術(shù)課程教學(xué)實踐研究

趙濤+沈亞斌+徐友+徐開蕓

摘 要 針對社會對電力電子技術(shù)專業(yè)人才需要掌握的能力的要求，從電力電子技術(shù)課程內(nèi)容、教學(xué)方法、課程設(shè)計、實踐創(chuàng)新訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計等方面進行教學(xué)改革與實踐，促進學(xué)生工程應(yīng)用能力的提高和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù)；工程應(yīng)用；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）22-0098-02

Teaching Research of Course of Power Electronics Technology for Engineering Application//ZHAO Tao， SHEN Yaibin， XU You， XU Kaiyun

Abstract In this paper， according to the requirement of the society for the power electronic technology professionals， the teaching re-

form of the course of the power electronic technology have been im-

plemented from several aspects such as course contents， teaching methods， project design， practical innovation training， and gradua-tion project. The engineering application ability and consciousness of innovation of students is improved. Better results in teaching have

been achieved.

Key words power electronics technique； engineering application； teaching reform

1 引言

電力電子技術(shù)是對電能進行變換和控制的一門技術(shù)，是自動化及相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)應(yīng)用已滲透到國民經(jīng)濟各部門。對電力電子技術(shù)的人才的需求越來越迫切，除了對相關(guān)理論知識的要求外，更強調(diào)對工程實踐能力、工程設(shè)計、工程應(yīng)用能力的要求。這些要求具有普遍意義，反映了對這類人才的通用標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)電力電子技術(shù)專業(yè)人才需要掌握的能力的要求，就如何提高學(xué)生工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力，從教學(xué)方法、教學(xué)手段、課程設(shè)計及大學(xué)科技活動和畢業(yè)設(shè)計等方面進行教學(xué)改革與實踐。

2 面向工程應(yīng)用的問題導(dǎo)向法

電力電子技術(shù)課程內(nèi)容涉及知識面廣、概念多。要在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)把電路、波形講透，讓學(xué)生都能理解，是件不容易的事情。此外隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，知識也呈現(xiàn)碎片化的特點，其獲取也越來越容易。在這一背景下，教師的角色需要由過去的知識傳播者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者和激勵者；過去是告訴學(xué)生所不知道的知識，現(xiàn)在應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生運用正確的思維方法，自主獲取知識，并使之系統(tǒng)化。為此，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段都應(yīng)有所改變。

首先要激發(fā)學(xué)生的求知欲，將過去冰冷、枯燥和抽象的知識點融入工程應(yīng)用中；發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及解決問題，學(xué)生尋求解決問題的過程，也是獲得知識的過程。在這一過程中，計算機仿真是不可或缺的學(xué)習(xí)手段。基于PSPICE、MATLAB、PSIM和MathCAD等軟件，采用虛實結(jié)合教學(xué)方式，充分利用軟件資源，提高學(xué)生求知欲及解決問題的能力[4-5]。利用仿真軟件搭建仿真電路進行仿真實驗，仿真實驗不受時間、場地的限制，學(xué)生可以觀測任意一點的電壓和電流波形。為了取得良好的仿真實驗效果，必須較好地掌握仿真原理、仿真操作和調(diào)試方法等。正確的仿真波形也是對學(xué)習(xí)的一種鼓勵和獎賞。

3 基于工程項目的課程設(shè)計

課程設(shè)計是完成電力電子技術(shù)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。其目的是使學(xué)生掌握基本電力電子器件的性能和應(yīng)用方法，以及基本電力電子電路的設(shè)計思路，培養(yǎng)學(xué)生在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中獨立分析和解決問題的能力。

目前，有不少院校開設(shè)了電力電子技術(shù)課程設(shè)計，但課題多是進行理論計算和設(shè)計，主要完成參數(shù)計算、電路設(shè)計和仿真等。嚴(yán)格地說，該類課程設(shè)計對學(xué)生實踐能力、工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)效果有限。電力電子技術(shù)課程設(shè)計實際課題開設(shè)較少的一個主要原因是實驗安全性和設(shè)備耐用性差。而課程設(shè)計一般為開放性的，其主要任務(wù)之一是讓學(xué)生完成焊接、調(diào)試電路，不宜采用課內(nèi)實驗用的集成的實驗裝置。因此，如何在課程設(shè)計過程中保障學(xué)生的人身安全和設(shè)備安全，是實施課程設(shè)計的一個難題。

南京工程學(xué)院自動化學(xué)院于2013年重新開設(shè)電力電子技術(shù)的課程設(shè)計。為了解決上述難題，針對電力電子技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的DC-DC變換和DC-AC變換的兩種變流電路[6]，

結(jié)合數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢，開發(fā)了開放式的DC-AC變換和DC-DC電能變換通用實驗平臺。圖1給出AC-DC電能通用實驗平臺結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生通過該平臺，可以進行SPWM逆變器設(shè)計，也可以實現(xiàn)直流電動機的四象限的控制，掌握交—真—交變流電路的結(jié)構(gòu)，單、雙極控制，SPWM調(diào)制等控制技術(shù)。

擬定課程設(shè)計課題，主要考慮5個原則：1）注意內(nèi)容的先進性、綜合性和實踐性，反映電力電子技術(shù)發(fā)展的新水平；2）應(yīng)適合實踐教學(xué)和啟發(fā)創(chuàng)新；3）內(nèi)容不應(yīng)太簡單，難度要適中；4）能夠結(jié)合工程實際應(yīng)用，并且具有一定的實用價值；5）成果最好具有相對的完整性和可考核性。表1為電力電子技術(shù)課程設(shè)計的部分課題。

由于課題貼近工程應(yīng)用，學(xué)生興趣比較大，能夠獨立完成電路設(shè)計，主電路和驅(qū)動電路的制作、焊接和調(diào)試，及磁性元件的計算與選擇。經(jīng)過三屆學(xué)生的實踐情況，取得良好效果，為后續(xù)的課程和畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

4 三位一體實踐能力培養(yǎng)

電力電子技術(shù)工程應(yīng)用人才培養(yǎng)的定位最終要落實到培養(yǎng)過程之中。具體來說，就是以現(xiàn)代電力電子技術(shù)為工程應(yīng)用背景，結(jié)合計算機技術(shù)、控制理論及其他相關(guān)理論和技術(shù)，開設(shè)不同層次不同類型的選題。通過課程設(shè)計、課外科技活動和畢業(yè)設(shè)計，三位一體培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，做到點、面結(jié)合。圖2給出教學(xué)、科技創(chuàng)新和畢業(yè)設(shè)計三位一體的能力培養(yǎng)框圖。

以電力電子裝置典型的工程項目為對象，分解為核心模塊、提高及創(chuàng)新模塊、系統(tǒng)模塊、輔助模塊。課程實踐環(huán)節(jié)可以完成核心模塊的設(shè)計和調(diào)試，科技創(chuàng)新和畢業(yè)設(shè)計可以完成提高及創(chuàng)新模塊、系統(tǒng)模塊。輔助模塊通過相關(guān)課程完成。對學(xué)有余力的學(xué)生通過科技創(chuàng)新和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，進行系統(tǒng)設(shè)計及算法研究，保證項目的連續(xù)性。三位一體的設(shè)計大大激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，拓展了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的綜合設(shè)計能力，在各種競賽上取得優(yōu)異成績。實驗內(nèi)容與課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計相互關(guān)聯(lián)。學(xué)生工程實驗?zāi)芰Φ玫教岣摺?/p>

5 結(jié)束語

經(jīng)過幾年的實踐表明，以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的電力電子技術(shù)教學(xué)重構(gòu)，打破了以理論知識傳授為主要特征的課程模式，以電力電子技術(shù)工程應(yīng)用為核心，建立分類分層的課程實踐、科技創(chuàng)新和畢業(yè)設(shè)計三位一體的實踐能力培養(yǎng)模式，既突出優(yōu)秀學(xué)生能力培養(yǎng)的點，又兼顧多數(shù)學(xué)生基本工程實踐能力的面，以點帶面。改變學(xué)生的被動學(xué)習(xí)與被動實踐，為學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力和主動實踐能力的培養(yǎng)提供機會，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，對學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)及就業(yè)和深造等都有較大幫助。參考文獻

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

[2]Rashid M H. Power Electronics： Circuits， Devices， and Application[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]陳建業(yè).電力電子電路的計算機仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[4]趙濤，張永號，劉啟新，等.MathCAD在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013，35（3）：55-58.

[5]趙濤，等.PSpice在電力電子技術(shù)教學(xué)改革實踐中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2009，21（6）：123-127.

[6]Rashid M H.電力電子技術(shù)手冊[M].2版.北京：機械工業(yè)出版，2004.