工程問題設計在“電力電子技術”課程教學改革中的應用與實踐

孫秀桂，張洪斌，彭建榮，孫江波

（1.大理大學工程學院，云南大理 671003；2.大理供電局，云南大理 671000）

“電力電子技術”課程是電氣工程專業必修的專業基礎課，該課程具有電路圖多、波形多、工程性強等特點〔1〕。電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現代化技術〔2〕，該技術廣泛應用于發、輸、配、用電等環節〔3〕，以靈活交流輸電技術、高壓直流輸電技術、定制電力技術為代表的先進電力電子技術也成為建設統一智能電網的重要基礎和手段〔4〕。掌握電力電子技術是每個將要在該領域中工作的人員應具備的基本技術。然而傳統的“電力電子技術”課程內容多，學時少；課程體系相對陳舊，與現有的電力產業結構的發展不相適應。如何在電力電子新器件、新技術、新應用不斷涌現的情況下，對“電力電子技術”課程進行教學改革，使教育目標符合新技術環境下對工程師技能的期望是十分必要的。本文利用基于工程問題設計的方法對課程教學進行改革，注重對器件特性及電路特性的分析，并結合工程問題講解電路設計、分析方法，使學生能夠更深入的理解電力電子技術的應用，以適應培養具有創新能力的應用型人才的需要。

1 基于工程問題設計的“電力電子技術”教學模式探索

1.1 基本電路中工程問題的設計 “電力電子技術”課程中，電路繁多，在講解基本電路時，通過工程問題設計，講解電路的構成、結構和原理。如在講解直流∕直流降壓變換電路BUCK電路時，采用基于問題的課程教學方法，設計問題為：如何由固定直流電源得到滿足負載需求的直流電源。教學中采用啟發式教學方法。在教學過程中，由變壓方法入手，提出電路中最常用的直流電路的分壓方法，利用電阻分壓；分析電阻分壓的缺點：耗能大、效率低。引導學生提出改進的方法，將耗能元件改為非耗能元件。提出一系列問題：①采用非耗能元件后如何組成直流變換電路？②組成電路后存在的電流斷續問題如何解決？隨著在電路設計中問題的深入及分析，最終得到直流斬波電路，并分析出其單刀雙擲開關電路模型。設計過程見圖1。

在此過程中，能夠培養學生的分析能力和初步的設計思想。而在講解電路的數量關系時，以電感電壓為目標，通過對電感電流連續時工作特性分析〔5〕，得出伏秒平衡公式，由伏秒平衡公式推導電路的輸入輸出關系。該過程減少了繁雜的數學推導過程，大大節約了課堂時間。通過工程問題的解決，學生學習積極性提高，極大地激發了學生的學習興趣。

圖1 直流斬波電路問題式分析過程

1.2 采用問題式啟發及創新的學習方法 教學中，不停留在傳授知識層面，而是以工程應用為背景，通過工程問題的設計，使學生適應工作過程中知識與技術的更新。在講解逆變電路時，結合課程學習知識點，分析其在智能電網分布式電源中的應用，設計工程問題為：分布式電源中逆變器的應用。該問題針對逆變電路的諧波問題，要求學生設計輸出電壓為300 V的多電平逆變器。其Matlab仿真結果見圖2。

圖2 單相系統獨立電源七電平逆變電路圖

在解決該工程問題的過程中，學生對新型器件IGBT、MOSFET的開關特性及其開關條件、控制特點有深入的認識，掌握了多電平逆變器的設計實現方法，認識到電力電子電路諧波的影響及消除方法。通過對工程應用問題的解決，培養學生樸素的工程設計思想與創新精神。

1.3 知識拓展 課程改革中，除了用工程實例將理論知識與工程應用相聯系，還把學科前沿的研究狀況充實到課堂中。將先進電力電子技術在電力系統中的應用如有源電力濾波器、動態電壓調節器及靜止同步補償器等工程問題，通過項目驅動的形式，鼓勵、引導學生查閱相關資料，了解電力電子技術在上述設備中的應用。

隨著晶閘管的應用范圍漸漸縮減，電力電子技術應用的飛速發展使學生對學以致用產生困惑〔6〕。為解決該問題，鼓勵學生利用全控器件設計整流器。PWM整流器作為各種電力電子應用系統與電網的接口，已成為電力電子技術發展中的熱點和亮點〔7〕。而直流輸電技術是未來20年內先進電力電子技術的技術發展路線之一〔4〕。結合這兩個電力電子技術發展的技術前沿熱點，在工程問題設計時，要求學生完成基于PWM整流技術的直流輸電站設計，并對設計方案進行仿真。其仿真見圖3。

圖3 HVDC仿真程序圖

在設計中，學生認識到PWM控制整流電路四象限運行特點，既可感性運行，亦能容性運行。根據此特點，要求學生進一步分析該形式在智能電網中作為潮流控制器的作用。通過對理論與工程實際問題的聯系，拓寬了學生的知識視野。

2 實踐教學的改革

“電力電子技術”的實踐性很強，實驗是其必不可少的教學部分。電力電子技術實驗是集強電電路和弱電控制于一體的綜合性、專業性比較強的實驗。為了使學生在實驗課中能夠形象地學習、直觀地理解實驗相關內容，除了設計一般實驗項目仿真性實驗題目，還增加了新能源及智能電網方向的設計題目。在此僅列舉光伏發電系統MPPT控制設計題目。學生通過查閱文獻資料，了解控制系統的基本要求，通過對控制方法、電路拓撲的復雜程度的比較，采用Boost變換電路完成實驗設計。其仿真見圖4。

圖4 光伏發電系統MPPT仿真圖

通過仿真性實驗項目的設置，能解決實驗設備更新換代慢的缺點，又能將電力電子技術的基本原理知識和實際應用問題相結合，解決學習只停留在理論層面的問題，鍛煉學生解決實際問題的實踐能力。

3 教學改革效果

3.1 建立多種形式的考核方法，重在考核學生運用知識的能力 “電力電子技術”課程是一門實踐性較強的學科，在考試中增加實際運用能力的問題及分析，如在試卷中增加當外界條件變化，晶閘管觸發電路的要求，尤其分析大電感電路中觸發脈沖的特點。

平時成績中突出對能力的考核，通過小論文、仿真實驗報告、新能源應用調研報告等進行考核和測評。如在2013級電氣工程及其自動化1班，要求學生對電力系統中直流操作電源進行系統仿真，并作為測評學生平時成績的一部分。

3.2 教改前后成績比較 教學改革中，通過工程問題的解決，學生的學習熱情有所提高。在考試重點、難點、試卷覆蓋面相同及考察知識點一致的情況下，對教改前2011級及教改后2012級學生考試成績進行比較。在2011級學生“電力電子技術”課程考試中，學生考試平均成績為65分，而教改后2012級學生考試平均成績為70分，有65.5%的學生分值分布在70分以上。在2012級采用教學改革方法后，學生對知識的復現和運用能力有所提高，分析問題的能力增強，學生考試成績有了明顯提高。3.3 教學學習效果評價 在教學中，注重教學成果，如何測比學習成果是教學活動的一個重要內容。文中利用Bloom教育目標分類學理論對“電力電子技術”課程教學成果進行評價。基于Bloom教育目標分類學的理論〔8〕，從知識、理解、應用、分析、綜合、評價幾個方面檢驗學生的學習成果。理論教學評價測試一級指標為：理論知識認知、應用分析能力、知識綜合能力、解決問題能力。同時基于EC2000項目組用的11個細化學習成果屬性化的成果，結合課程的教學特點，對實踐學習成果進行分項測試〔9〕。實踐教學測試一級指標為：實驗動手能力、分析數據能力、解釋數據能力、實驗設計能力。主要考察學生在實驗中對實驗目的的理解，對實驗數據的判斷分析能力，從數據中得出實驗結果的能力，同時根據實驗的過程提出對實驗的改進方法及用Matlab檢驗實驗方法可行性的能力等。

根據得到的教學成果測試指標，采用基于模糊語言評價方法對該教學成果進行評判〔10〕，其計算方法如下。

模糊綜合評價模型由因素集U、評判集V和評判矩陣R組成。評判的步驟如下：

1）確定評判對象的因素集U=（u1u2...un）。

2）給出評判集V=（v1v2...vn），評語集中的元素可以是定性描述的數值，也可以是定量的數值。

3）第i層綜合評判結果Bij（i表示第i層，j表示同一層中的第j個子目標）。

4）構成模糊矩陣Ri，

式中l表示第i層子目標的個數。

設第i層子目標的權重集為則該層上的綜合評判結構為

5）進行上層的模糊綜合評判。根據式（2）求出的子目標的綜合評價結構，構成上層的模糊矩陣

求出每層上所含子評價目標的權重并算子，求出該層上對應的權重C，再根據式（2）求出該層的綜合評判結果

6）求綜合評價值：利用第一層的權重值與所求的權重集得到綜合評價值。

根據總結的教學測評指標，利用模糊綜合評價的方法計算結果為：

S=C°R=(0.36 0.56 0.08 0.00)。根據評價結果，該課程學習成果在良好水平的可能性為0.56。同時跟蹤學生畢業后社會對學生的評價。在2012、2013屆畢業生中，挑選從事與電力電子技術相關工作的畢業生120人，對這些學生進行跟蹤調查，社會評價結果良好率在0.8以上。

4 結論

為使“電力電子技術”課程內容與工程實際相聯系，利用基于工程問題設計的方法，在課程教學中，結合教學內容、電力電子技術熱點及前沿技術，提煉設計工程問題。在工程問題的方案選擇、實現與仿真過程中，培養學生學習興趣，激發學生學習課本知識的積極性，培養學生的創新性思維。尤其PWM整流器的設計與應用，更是體現了電力電子新技術的發展方向，拓寬學生的知識視野。通過教學改革前后學生的考試成績對比，學生成績有明顯提高。同時基于Bloom教育理論確定教學成果測比測試項，采用基于模糊語言的評價方法對教改后的教學成果進行評價，其教學效果良好可能性較高，達到教學改革的目的。

〔1〕王卓，王強，曹晶人，等.“電力電子技術”課程教學改革探討與實驗〔J〕.中國電力教育，2013，270（11）：37-38.

〔2〕唐擊.智能電網背景下大功率電力電子技術的巨大市場機遇〔J〕.廣東輸電與變電技術，2010（1）：8-10.

〔3〕劉晉，牛印鎖，文俊.國內外“電力電子技術”課程教學研究〔J〕.中國電力教育，2012（6）：64-65.

〔4〕張文亮，湯廣福，查坤鵬，等.先進電力電子技術在智能電網中的應用〔J〕.中國電機工程學報，2010，30（4）：1-6.

〔5〕陳堅.電力電子學：電力電子變換和控制技術〔M〕.北京：高等教育出版社，2004.

〔6〕程瓊，付波.“電力電子技術”課程教學模式在新技術新觀點下的探索〔J〕.中國電力教育，2014，304（9）：57-70.

〔7〕張崇巍，張興.PWM整流器及其控制〔M〕.北京：機械工業出版社，2003.

〔8〕布盧姆.教育目標分類學：第一分冊：認知領域〔M〕.羅黎輝，丁證霖，石偉平，等譯.上海：華東師范大學出版社，1986.

〔9〕趙川平.重視學生學習成果研究提升高等工程教育質量〔J〕.中國高教研究，2009（7）：90-91

〔10〕孫秀桂，李霞.地方型高校工程教育課程改革探索及評價體系研究〔J〕.大理學院學報，2013，12（4）：80-84.