電力電子技術實驗教學改革模式與探索

馮元 海鵬博 吳宏岐

摘 要：針對本校現(xiàn)有的電力電子實驗裝置不能滿足學生實驗要求的現(xiàn)狀，提出了電力電子技術綜合創(chuàng)新性實驗教學改革。文章闡述了傳統(tǒng)實驗教學的不足，實驗教學改革的內(nèi)容以及具體的改革辦法。本實驗改革的實施不僅增強學生對理論知識的理解，而且使學生從實際應用方面對電力電子這門課程有了更深的理解，改革的實施還增強了學生獨立進行電路分析和制作的能力，為今后的工作打好堅實的基礎。

關鍵詞：電力電子；實驗改革；實際應用

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）09-0121-03

Abstract： In view of the fact that the existing electric and electronic experimental devices currently cannot meet the requirements of the students' experimental demands， a comprehensive and innovative experimental teaching reform of the power electronics technology is proposed. This article describes the shortcomings of traditional teaching， the content of experimental teaching reform and specific reform methods. The implementation of this experimental reform not only enhances students' theoretical knowledge， but also enables students to have a deeper understanding of the application of Power Electronics. At the same time， students' independent circuit analysis and manufacturing ability are enhanced， which will lay a solid foundation for their future work.

Keywords： power Electronics； experimental reform； practical application

實踐教學是培養(yǎng)應用型人才和創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，實踐是創(chuàng)新的源泉，歷史上重大的科技創(chuàng)新成果大多來源于實踐。電力電子技術是綜合性和實踐性要求很高的學科，通過實踐可以大大提高學生的理論水平和實際動手能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，工程意識都將起到至關重要的作用。實踐教學環(huán)節(jié)的成功與否，直接關系到該學科培養(yǎng)人才的質(zhì)量，根據(jù)能力培養(yǎng)為主線和實踐教學相結合的理念，注重素質(zhì)教育和能力培養(yǎng)，增強畢業(yè)生適應性原則，注重培養(yǎng)和挖掘學生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力，注重教學內(nèi)容與科研生產(chǎn)實際結合，使學生畢業(yè)能夠快速適應相關領域的工作，為了完善電力電子實踐教學體系，改進實驗課程教學內(nèi)容和教學方法，以適應時代對高等教育的要求，跟上電氣專業(yè)的發(fā)展，本文提出電力電子技術實驗教學改革模式與探索[1]。

電力電子技術是本校電子電氣工程學院，電氣工程與自動化專業(yè)開設的課程之一，也是培養(yǎng)學生實踐、創(chuàng)新能力的基礎課程。電力電子技術是弱電對強電實現(xiàn)控制的紐帶，它的實驗內(nèi)容是通過驅動電路控制主電路。本實驗的實踐性較強，必須通過實踐環(huán)節(jié)才能加深學生對課程內(nèi)容的理解。在工程實踐和企業(yè)控制電路維護中，此課程始終是基礎和常用的，但是由于此課程實驗是強弱電結合的綜合實驗，對學生的實驗操作水平提出了更高的要求，因此針對這些情況，對這門課的實踐教學進行改革是非常必要的。

一、實驗教學環(huán)節(jié)存在的典型問題

目前本院在電力電子技術實驗環(huán)節(jié)中仍使用MCL-II電力電子及電氣傳動教學實驗臺。該實驗裝置在使用過程中，由于強弱電結合，直流交流電源在不同的位置，并且學生良莠不齊，經(jīng)過頻繁和錯誤使用，器材存在以下問題。

1. 單結晶體管鋸齒波觸發(fā)電路掛箱，直流斬波掛箱，直流斬波電路經(jīng)常燒壞，其中的三項可控整流電路的晶閘管由于頻繁做交直流轉換實驗，學生接線錯誤導致晶閘管損壞較多。同時學生在做驗證實驗時，由于實驗內(nèi)容需要學生在觀看波形時需短接中間的輸出端，在實驗結束時，需要取下短接線，但由于學生過多，在做整流電路時未取下短接線，常燒壞觸發(fā)電路，因此在做這類實驗時實驗老師和學生都必須非常小心。

2. 實驗數(shù)據(jù)與理論值差異較大，嚴重影響實驗效果。通過示波器得出的波形和理論值常出現(xiàn)差異，控制角a角在實際使用中常出現(xiàn)故障導致控制電壓無法按照理論值調(diào)整驅動電壓大小，并且這些問題廠家也無法修復。

3. 由于斬波實驗，三相半波可控整流電路實驗，全相橋式半控整流電路實驗大部分是驗證性實驗，并且對實驗臺要求較高，所有的實驗環(huán)節(jié)參數(shù)和特性必須完全正確，才能得到正確的實驗結果，但現(xiàn)有實驗臺經(jīng)過長期使用，損壞率較高，電力電子實驗經(jīng)常無法得出正確的實驗結論，學生只能被動接受實驗結果。

4. 學生對電力電子實驗在實際中的應用存在模糊的理解，并且不知道學習此課程的用途，同時課本包含高等數(shù)學理論計算過大，再加上實際實驗中學生只單純面對的是實驗臺，因此學習興趣不大。

5. 現(xiàn)有實驗掛箱是模塊化、封閉的掛箱，在實驗過程中只能按照電路圖進行接線，用示波器驗證實驗結果，但對實驗結果的理論分析和電力電子元器件缺乏了解，也缺乏自我創(chuàng)新環(huán)節(jié)。

6. 學生在實驗中接線不存在太大問題，但理論結合實際分析，以及根據(jù)實際情況處理實驗中遇到的問題無法判斷和查找。電力電子這門課需要學生學習好模擬電子電路，數(shù)字電子電路以及電路分析等基礎課程，因此這門課程的學習對學生提出了更高的要求。

實際上，這門實驗課程的線路連線及實驗原理并不復雜，最困難的是完成實驗線路連接以后所進行的調(diào)試與操作，很多學生難以得出相關的正確的波形以及正確的結果和參數(shù)。這是由于學生對實驗的過程及原理理解的不深刻，對相關的知識掌握的不夠透徹，不能熟練應用到實際操作以及應用中去，并且動手能力不夠強，對實驗過程不熟悉，實驗操作生疏，缺乏相關的實際操作經(jīng)驗以及實際操作技巧，遇到實際操作中的問題難以獨立解決，不知道如何下手。對操作過程中的錯誤以及故障難以發(fā)現(xiàn)和排除。

因此必須理論聯(lián)系實踐，實踐促進創(chuàng)新。在學生學習這門課程的過程中，必須注重對基本概念和基本方法的理解，在理論推導中引出實際應用的概念，在案例分析中強化理論概念，加深對電力電子技術的認識和理解。這門課程綜合性、理論性和實踐性都較強，要求學生在掌握基本理論的基礎上，能綜合運用學過的專業(yè)知識，根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體要求，實現(xiàn)對電機的控制和對系統(tǒng)的分析和設計，從而培養(yǎng)了學生的理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力。

電力電子實驗課程和理論課程同等重要，不能看輕實驗重理論，在相關企業(yè)中，非常看重專業(yè)技術人員的業(yè)務水平和理論知識，而業(yè)務水平指的是本專業(yè)的實際操作水平，因此對學生而言，實驗課是非常重要的，只有在實驗課上才能學到電力電子的實際操作以及故障的處理和判斷，這為很多想要從事電力相關專業(yè)的學生打下堅實的基礎，但在實際教學中，很多人認為實驗課是浪費時間，這種想法不僅在部分老師當中存在，很多老師大學畢業(yè)直接就進入高校，理論知識非常扎實，但對于實際應用知道的還是比較少，因此對實驗課重視程度不夠，在學生中也存在把實驗課敷衍了事的學習態(tài)度，實驗課堂紀律遠遠比不上理論課，學生在實驗課中也很難得到相應能力的提高，久而久之，教師和學生都對實驗課比較輕視，認為實驗課是負擔，既費力又無法獲得相應的教學效果，這完全偏離了實驗課的培養(yǎng)目標。同時，長期以來，電力電子實驗采取的教學模式是學生課前預習實驗——教師講解實驗目的和原理——教師演示實驗——學生做實驗及完成實驗——學生交實驗報告，這種流水線模式的教學抹殺了學生的好奇心和主動學習的源動力，學生在這個過程中沒有任何的思考和分析，這樣的實驗過程沒有對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供任何幫助，同時也失去了實驗教學的真正意義，因此只有對傳統(tǒng)的教學模式進行改革，使學生知道為什么要學習這門課程，這門課程在實際中怎么應用，提高學生的學習興趣，這才是教學改革的目的[2]。

二、實驗教學模式改革

1. 開展綜合創(chuàng)新性實驗教學改革。本課程是一門實踐性很強的課程，需要學生首先學好電路分析，電機拖動，模擬電子線路，數(shù)字電子線路以及仿真軟件，常用元器件查找和實際如何選用，熟悉電路原理圖繪制以及發(fā)電機、電動機的相關知識，交直流電動機在驅動電路中的使用和相關原理，最后才可完成電力電子電路的制作和使用，因此對于學生的自學能力要求較高，需要學生有良好的自學能力。

2. 聘請企業(yè)或研究單位技術人員，例如陜汽的高工和機床廠的高工以及相關專業(yè)的企業(yè)技術人員，給學生從整個系統(tǒng)中講解電力電子技術在實際中的應用，讓學生對所學的課程有直觀印象，同時也給學生在以后的個人發(fā)展上提供參考。有條件的話，可以幫助學生在相關企業(yè)聯(lián)系實習基地，使電氣專業(yè)學生在實際中對所學課程加深理解。

3. 由于采用的教材是以王兆安主編的《電力電子技術》這本書，書中概念推算，高等數(shù)學內(nèi)容偏多，許多學生在學習中存在一定難度，因此在實驗過程中，可使用示波器對實際電路中各個元器件在使用過程中的電流/電壓波形進行展示，使學生對課本上的電流/電壓公式有直觀的理解。

4. 對于電力電子實驗內(nèi)容，可以保留必要的驗證性實驗。在學生最初接觸這個實驗時，對實驗設備和儀器比較陌生，因此給學生講解示波器和萬用表的用法，強電實驗中安全用電的基本知識以及碰到簡單故障怎么查找分析，遇到問題怎么解決問題是非常有必要的，告訴學生處理實驗故障的方法和判斷依據(jù)，提高學生的動手能力和簡單分析問題的能力，根據(jù)現(xiàn)有設備情況以及該實驗課程特點，確定幾個驗證性實驗，最好包括整流，斬波，調(diào)壓，逆變四個基本電路實驗。

電力電子實驗必須引起教師和學生的重視，在教學過程中要突出教師主導，學生主體的理念，還必須在實驗內(nèi)容上進行相應的革新，才能激發(fā)學生的學習興趣，這才有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此，在傳統(tǒng)的電力電子實驗內(nèi)容基礎上，需要增加一些啟發(fā)學生的創(chuàng)新實驗，形成新的電力電子實驗教學體系。

三、解決方案

1. 由企業(yè)專家在理論課開展前給學生講解電力電子技術使用情況和未來展望。

2. 理論教學主體教學過程中，力求突出內(nèi)容的重點和難點，同時又要保證教學能通的系統(tǒng)性和完整性，在理論教學上要特別注意電路波形和相位分析，抓住電力電子在電路中導通與截至的變化過程，從波形分析中進一步理解電路的工作情況，通過分析各類電力電子期間的導通和關斷來理解整流，逆變，斬波，調(diào)壓等典型電路的工作原理。理論課開展的同時，可在每個章節(jié)結束后，根據(jù)本章節(jié)內(nèi)容給學生提供一些簡單的實驗由學生選做，可以讓學生通過軟件仿真的方式加深對所學章節(jié)的理解，實驗教學的真正展開往往受到硬件實驗設備的限制，設備的更新?lián)Q代比較慢，并且設備的購置費用高昂，因此可在教學環(huán)節(jié)中引入軟件仿真實驗教學環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)和硬件實驗環(huán)節(jié)不沖突，并且對真正進入硬件實驗提供有益的理論指導，可以使用計算機輔助分析為基礎的電子設計自動化（EDA）來讓學生通過軟件仿真的形式對所學理論知識加深理解，最后讓學生在電力電子實驗室直觀接線和分析，使學生對電力電子技術產(chǎn)生直觀的了解，以便于學生做實驗時，有了傾向性和目的性，提高學生的興趣[3]

3. 現(xiàn)在網(wǎng)絡發(fā)展很快，學生通過智能手機或者電腦完全可以學到還沒掌握的理論知識，對于他們而言最重要的是對所學知識的實際應用，通過做好電力電子實驗，使所學實驗內(nèi)容與理論知識融會貫通，在現(xiàn)實情況下，還是比較困難的，因此，可以加入網(wǎng)絡教學方式，同時和學生做好溝通，以確保學生理論知識基礎扎實，這樣有目的的去做實驗和創(chuàng)新，達到實驗教學的目的。

4. 在電子電氣工程學院一樓的學生創(chuàng)新實驗室，學生可以自我選擇老師給予的實驗題目進行實驗，有基礎的學生可根據(jù)實際情況自主設計產(chǎn)品。設計過程中教師給予一定指導，學生根據(jù)自己情況查閱相關資料，購買元器件，設計、焊接和調(diào)試電路，學生在學習過程中若是對電力電子相關環(huán)節(jié)比較陌生，可以直接去電力電子實驗室進行實驗，加深對自己組裝電路的理解，在這個環(huán)節(jié)中學生不僅了解元件參數(shù)和特性，同時培養(yǎng)學生根據(jù)實際分析和解決問題的能力，很多學生在實際操作中選用了比較熱門新穎的題目，比如：無線直升機的組裝與調(diào)試；無線小汽車的組裝與調(diào)試；無線小機器人的組裝與調(diào)試。通過這些實際題目的組裝調(diào)試以及電路的焊接過程，加深學生對所學課程的理解，同時為全國電子設計大賽，機器人比賽培養(yǎng)合格的創(chuàng)新人才。

綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或相關課程的實驗。綜合性實驗通常由多項任務組成，且多項任務間要遵循一定的先后順序，各項任務的先后順序具有邏輯性，開設綜合性實驗的目的，是培養(yǎng)學生解決實際系統(tǒng)思維的能力和綜合動手能力，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，使學生有更多的組織、判斷和選擇的機會[4]。

四、結束語

讓學生在實驗室單純做實驗只是一個開端，還是有很多不足。

1. 實驗臺使用時間過久，急需大修或者更換，以方便學生實驗。

2. 綜合性實驗，開放性實驗不足，學生沒有足夠的實驗去加深自己對這門課程的理解。

3. 要探索如何把實驗臺充分利用，提高設備的利用率和完好率，這需要教師和實驗員的共同努力。

4. 要建設好電力電子實驗教學示范點，這不是一天就能做好的，這不僅要有資金的投入，更要引起對大學生基礎教學的重視。

在如今的社會發(fā)展大潮下，網(wǎng)絡已經(jīng)完全融入到每個人的生活中，是否能夠改變思路，不光通過電力電子實驗去教會學生做實驗的方法，同時通過教師在網(wǎng)上尋找相關知識推薦給學生，并且尋找相關實際應用的題目以提高學生的興趣，比如可以告訴學生最近國家研發(fā)出來的超音速飛機以及航空母艦，超高速鐵路，并且這些令國人自豪的軍隊裝備以及交通工具都離不開電力電子技術這個基礎，啟發(fā)學生的興趣，通過理論與實際結合改變原有的單純通過實驗室驗證性實驗的方法，幫助學生由被動轉主動的學習方式，這樣對學生才是最重要的，對于學生就業(yè)而言，很多單位都會要求學生有基本的分析問題解決問題的能力，因此在學校中，最重要的不是教多少知識，而是培養(yǎng)這種碰到問題，可以自己研究分析并加以解決的能力。幫助學生學到知識，提高了自身能力，同時結合應用型本科院校學生培養(yǎng)的特點及電力電子技術教學過程中出現(xiàn)的一些問題，提出一種結合基礎理論教學和硬件實驗及課程實際應用的教學方法，目的是為了提高學生素質(zhì)，培養(yǎng)應用型本科人才。同時通過對實踐教學體系的探索和研究，使學生的應用性、創(chuàng)新能力逐漸得到提升。這樣不僅培養(yǎng)出合格的應用型人才，也可培養(yǎng)出一些對所學知識有興趣，愿意繼續(xù)深造，終生研究的工科人才。

參考文獻：

[1]夏微，趙彥強，嚴輝.基于項目教學法的綜合性實驗課程的探索與實踐[J].中國電力教育，2011（32）：127-132.

[2]劉靜，程江浩.基于學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的電磁學實驗教學探索[J].2012（23）：76-78.

[3]葛瑜，王武.電力電子技術遞階式實驗教學研究[J].實驗技術與管理，2011，28（5）：157-159.

[4]葉國建.高校綜合性設計性實驗開設項目的探討[J].中國科技信息，2008（10）：286.

[5]王偉，王靜文.應用型本科院校“電力電子技術”課程教學改革[J].高教學刊，2017（21）.

[6]艾青，李紹武，陳坤，等.電力電子技術課程設計教學模式改革與創(chuàng)新[J].高教學刊，2018（04）：35-37.

[7]胡靜波.“電力電子技術”課程的CDIO教學改革[J].高教學刊，2015（06）：34-35.