電力電子技術課程體系建立與實踐

王曉寰　馮建周　張瑩

摘要：OBE和CDIO教學理念均強調了課程之間的系統性和學生綜合能力的培養。《電力電子技術》是電氣工程及其他相關專業一門重要的專業技術基礎課，通過問題驅動式教學方式，與其他課程項目式系統建立，并通過課上討論、課程設計，實驗項目等多個環節引導學生掌握電力電子技術及相關課程知識，建立電力電子專業知識體系，具備基本工程實踐能力。

關鍵詞：課程體系；電力電子技術；項目式教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）33-0035-02

一、背景

《電力電子技術》[1，2]是電力、電子、控制三大電氣工程技術知識的交叉學科。它是利用弱電去控制強電的技術，其發展和應用與電力系統及其自動化、現代控制理論、材料科學、微電子技術等領域密切相關。《電力電子技術》是電氣工程及其他相關專業的專業技術基礎課，課程的特點是電路形式多種多樣，每個電路在不同的情況下會產生不同的工作效果，其效果的分析涉及到電路中各變量波形。該課程是一個實踐性和應用性非常強的課程，但是課堂講授過程中由于電路的多樣性及復雜性，在沒有電路原型的基礎上學習起來比較困難。

為適應社會需求、用人單位的需要，電氣工程及其自動化專業建設指導委員會按照學校修訂教學計劃的要求，并結合OBE和CDIO教育理念，創新“電力電子技術”課程內容，結合“電力電子技術”課程的特點，將模擬數字前導課程，現代控制理論，電源技術，計算機控制，電力電子仿真等專業課程[3]以及課程設計，生產實習，畢業設計等實踐環節以項目式為連接建立知識和實踐體系，培養學生綜合實踐能力[4-6]。

二、項目式課程體系教學法實施步驟

項目式課程體系教學法，即在教師在學生學習電力電子技術課程之前設定好若干項目，主要為電路系統設計，并將項目交由學生團隊。該項目設計內容涵蓋電力電子電路的原理與設計，系統控制參數設計，系統模擬實現與數字實現軟硬件設計，電路仿真與實驗驗證。通過項目的實施，學生在設計過程中了解并把握整個過程及每一個環節中的課程知識。學生在教師的指導下親自處理一個項目由設計到實現的全過程，在這一過程中學習掌握教學計劃內的教學內容。

三、項目式教學法實施手段

1.項目計劃書撰寫：學生根據項目內容進行工作分解以及分工，設定本團隊的設計目標，并完成項目計劃書的撰寫。主要是讓學生通過閱讀相關專著、文獻等掌握所研究課題的發展情況及最新進展。將項目設計方案進行匯報，并就方案的性能、成本、效率等方面與老師和同組同學進行討論。使其在溝通能力、團隊合作能力等方面得到鍛煉。

2.項目實施階段：項目實施主要包括理論設計與實踐驗證兩大部分。理論設計以團隊為單位，在相關課程及其課程設計階段完成。實踐階段分為計算機仿真和電路搭建與調試，在本科生實驗室結合綜合實訓和生產實習完成。

3.項目驗收階段：以小組為單位，每個小組進行總結、整理并撰寫報告，做成PPT。同時小組內成員根據個人完成情況進行不記名打分，進行平均加權后上報。不同班級同一項目的同學進行競賽式匯報，每組派一名同學作為評委與答辯組教師進行提問與評分。促進各組之間的討論與研究。學生提交項目研究報告、圖紙、實物、仿真以及程序演示、實驗波形等。

4.舉例。項目題目：200W直流開關電源的設計。（1）輸入電壓：單相AC 220V/50Hz。（2）輸出電壓：DC 24V。（3）輸出功率：200W。（4）輸出穩壓精度：ΔVo/Vo≤1%。（5）動態過渡過程時間：ts≤20ms。（6）電壓超調量：σn≤15%。該題目要求學生設計并完成電路的選擇，主電路元器件及變壓器等設計，驅動電路設計，控制系統設計，輔助電源及保護電路等系統的參數設計，硬件電路及其軟件編程，matlab仿真，電路板PCB設計與焊接，實驗調試。涉及到的專業相關課程包括：電力電子技術，電源技術，自動控制理論，計算機控制，電力電子仿真，直流傳動控制等相關課程。同一組同學完成該項目的全部設計與操作，跨度為一個學期。指導教師提出時間節點，每一個時間節點完成相應任務并提交階段性匯報和設計材料，最終形成全套的項目設計，并進行結題報告及答辯。

四、電力電子課程問題驅動的課堂授課方式

在以往的電力電子技術的授課過程中，教師主要是以講授方法來進行課堂教學，由于理論知識的煩瑣乏味，所以很難提起學生的興趣，再加上大班授課，學生眾多，使得很多學生，尤其是坐在后排的學生聽課效果很差，注意力很難集中。為了改變這種現狀，根據CDIO教學理念，采用了一種問題驅動的課堂授課方式，該方法的主要思想是將課堂上教師的角色由教授知識變為學習引導，將課堂的主體由教師變為學生。

授課老師根據授課內容將整本書分為4—6個單元，在每個單元開始前，把本單元的主要學習內容以問題的形式列在黑板上或者PPT課件中，學生利用課余時間進行針對性的自學，讓學生自己先在書中尋找答案，主動的解決問題。在教師教授過程中可以分配學生對其中知識點進行講解或討論。最后，由老師對重點難點問題進一步講解，這樣既能鍛煉學生的口頭表達能力，也能讓學生在自學時有一定的壓力，從而產生動力，提高自學效率。這種方式的另一個好處是：不管是前排的學生還是后排的學生，他們的壓力和動力都是相同的，每個人和老師都是零距離，從而實現了零距離教學。

問題驅動式授課方式需要學生利用課余時間來自學，授課老師會根據問題的難易程度和數量，使學生自學的時間控制在30分鐘左右。學生講解或討論的情況可計入平時成績中，收集的信息量和對問題的理解程度以及與所學知識的融會貫通等可作為評判的標準。

五、課程持續性的延展

課程體系是指同一專業不同課程門類按照門類順序排列，是教學內容和進程的總和，課程門類排列順序決定了學生通過學習將獲得怎樣的知識結構。課程體系主要由特定的課程觀、課程目標、課程內容、課程結構和課程活動方式所組成，其中課程觀起著主宰作用。在課程體系中，專業課程建設更是其基礎工程，課程內容和形式作為制約課程質量的決定因素作用于學生知識、素質與能力的構建。“電力電子技術”課程建設以此為依托，在專業知識鏈的銜接中起到橋梁作用，構建電氣工程專業相關課程體系，通過將多門課程的教學和實踐融入同一個項目式教學，化零為整，輔助學生重塑本學科專業知識的構架，通過有效的教學方法和手段，優化體系結構，實現了學生的自我培養和實現。

燕山大學電氣工程及其自動化專業以河北省電力電子節能及傳動控制實驗室為平臺（光伏發電，風力發電，高頻開關電源，開關磁阻電機等平臺），充分利用實驗室資源。通過專業教師帶領參觀及講解，讓學生了解電力電子技術課程應用方向，從抽象的理論知識轉化為直觀的感性認識。結合電力電子技術課程設計及課程實驗題目，開展了有意義的學習和研究。鼓勵學生結合學校“大學生科技立項活動”以及教師科研項目進行更深入的學習和實踐活動。

六、教改效果

通過本課程的項目式教學，從課堂授課、課程實驗、課程設計、生產實習、學生科研、教師科研多個方面建立起以培養學生實踐能力和創新能力為核心的“電力電子技術”課程實踐教學體系。體系建立及實踐2年多來，成效顯著，學生在電力電子技術方面的實踐能力和創新能力得到明顯加強，符合培養具有創新能力的應用型人才目標，可以為電氣工程及其自動化專業相關課程的實踐教學提供借鑒。

參考文獻：

[1]王鵬凱.高校電力電子技術課程教學改革與實踐[J].當代教育實踐與教學研究，2017，（12）：206.

[2]劉奇.電力電子技術的應用研究[J].通訊世界，2017，（23）：164-165.

[3]艾青，李時東.仿真技術在電力電子技術實踐教學中的應用[J].科技與創新，2017，（22）：47-49.

[4]王永壽.談如何切實提高電子電工專業學生的實踐技能[J].考試周刊，2017，（94）：33.

[5]衛昱含.電力電子技術在電氣控制中的應用[J].電子技術與軟件工程，2017，（22）：241-242.

[6]胡鵬，石瑛，蔣贏，吳昊楠.融合EDA技術的電類專業課程教學研究[J].教育現代化，2017，4（44）：177-178.