電力電子技術課程教學改革與探索

郭 瑋 吳 鍇 李志偉

山西農業大學工學院 山西太谷 030801

目前電力電子技術的發展日新月異，新器件、新工藝、新技術不斷涌現，特別是全控型電力電子器件的涌現，電力電子電路的工作頻率不斷提高。然而以往的電力電子技術教學方法和內容都無法跟上現在電力電子技術的發展，培養出的人才不能滿足現代化市場的需要。為此，必須進行電力電子技術課程教學改革，建立適應新時代背景下電力電子課程教學體系，使電力電子技術課程與時代發展同步，培養出滿足市場需求的現代化人才。

本課程具備工程性和實踐性的特點，電力電子技術迅猛發展，器件更新換代頻繁，大集成度器件廣泛使用，電路圖和波形圖較多，實踐性強[1]。而從學生的思維習慣看，習慣被動接受，不習慣主動解決工程問題，與實踐脫軌，這樣就導致很多學生能聽懂而不會用，不能學以致用。隨著電力電子器件不斷改進，內容不斷增加，如何高效率地利用課堂時間，將傳統課堂教學融入實踐，使理論課和實踐課相互滲透、相互交融，讓學生在短時間內掌握基本的電力電子器件和變流技術，構建具有一定穩定性和靈活性、又體現學科發展的教學體系勢在必行。

1 課程性質與要求

電力電子技術是一門綜合電子技術、控制技術和電力技術的新興交叉學科，它是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接口，是電氣工程與自動化專業的一門重要的專業基礎課，在該類專業學生的知識結構中占有不可缺少的重要地位。其目的是使學生能了解電力電子電路的功能和主要技術指標，學會分析整流電路、斬波電路、交流電力控制電路、逆變電路；掌握PWM控制技術的基本方法，為進一步學習專業課以及畢業后從事專業工作打下必要的基礎。

電力電子技術課程主要包括電力電子器件和變流技術兩部分，根據電力電子技術課程本身的特點，以山西農業大學電氣專業課程體系為背景，確立了電力電子技術課程的教學要求：(1)了解電力電子器件的概念、特點和分類、工作原理和參數選擇。(2)了解并掌握各種變流電路。(3)掌握電力電子電路的設計方法，將其用于實踐。

2 課程教學中存在的問題

山西農業大學電氣工程及其自動化、農業電氣化專業電力電子教學中存在的主要問題如下。

(1)課時少，內容多。課時40學時(其中課堂34學時，實驗6學時)。隨著新器件的涌現，新技術的發展，內容越來越多，學時卻沒有增加。

(2)電力電子技術課程中電流波形繪圖比較多，傳統的教學模式采用課堂板書教學，畫電路圖會耽誤較長課堂時間，而且不夠形象生動，使得學生對電力電子技術缺乏興趣，覺得不僅難而且枯燥無味[2]。

(3)學生動手能力差[3]，實驗學時少，而且實驗條件有限，實驗設備老化，在實驗教學中，動手能力相對較差。

3 課程教學改革幾點建議

針對山西農業大學電氣、農電專業目前存在的問題，提出幾點建議。

3.1 修訂教學計劃 增加學時

由原來的40學時增加為48學時，其中課堂教學38學時，實驗教學10學時。教學大綱也做相應的修改。把電力電子技術分為“精講”和“泛講”兩部分[3]。對于基本電力電子器件部分，把基本器件和分析方法作為精講內容重點講解，必須講清、講透，舉一反三，讓學生在學習掌握基本電力半導體器件的基礎上，能夠掌握其他新型電力電子器件。對于一些新型電力電子器件，可以“泛講”，引導性地介紹，以拓寬學生的知識面。對于電力電子電路部分，將整流電路、直流斬波電路、交流電力控制電路和交-交變頻電路、逆變電路作為重點內容重點講解，在教學過程中反復強化，把各種電路原理和所對應的電力波形講透徹，并且將各種電路融會貫通，以引起學生的重視，從而加深學生對各種變流電路的理解。

3.2 開展多媒體與板書相結合的教學模式

電力電子技術課程中，電路圖和輸出波形圖多，隨著電力電子技術的不斷發展，內容不斷增加，如何充分有效地利用課堂時間，在傳統教學中融入創新教育，讓學生能夠在短時間內掌握基本電力電子器件和變流技術勢在必行。因此采取多媒體與板書相結合的教學模式，充分發揮二者的優點[4]。對重點問題，邊推導邊講解，通過板書引導學生，增加互動。而對于復雜的波形圖，則通過多媒體展示，增加動態效果，使枯燥的波形變得生動，從而更容易理解。

3.3 EDA仿真技術應用于實驗教學

山西農業大學工學院是應用型學院，著重培養學生的實踐能力和動手能力。所以應加大實驗教學力度，將原來的6學時增加為10學時。每講完一種基本變流電路，緊跟著做相應的實驗，通過示波器觀察波形，加深學生對知識點的掌握。精選了5個最基本的實驗作為基礎性實驗，分別是：三相橋式全控整流電路的性能研究、直流斬波電路的性能研究、單相交流調壓電路的性能研究、單相交-直-交變頻電路的性能研究、半橋型開關穩壓電源的性能研究。以往的實驗教學是通過實驗臺操作來完成。工學院采用的是浙江求是的MCL-Ⅱ實驗臺，設備數量少，設備老化，盡管每年都維修，但是在實驗中，經常會出現接觸不良的現象。而且電壓是200 V，帶電連接電線非常不安全，極易觸電。

為了解決此類問題，在硬件實驗的同時，開設EDA教學，將EDA帶入課堂，將EDA的應用既作為理論課的工具，又作為學生進行硬件實驗的前提[5]。在講授完理論知識之后，先進行EDA仿真。將課堂教學與實驗教學結合起來，不僅可以加深學生對理論課的理解，還可以避免實驗臺操作的一些弊端[6]。采用MatLab/Simulink中的電力電子工具包Sim Power System對教材中各種電路進行仿真，然后再分別將單相半波、全波、三相半波、全波和橋式電路、斬波電路、逆變電路在實驗臺演示并讓學生動手操作進行電路調試，通過示波器觀察，驗證是否與課堂理論教學波形一致。這樣不僅節省了硬件資源和實驗室資源，還加大了實驗教學力度。通過以上5個基礎性實驗，不僅讓學生完成理論的驗證，還通過實驗掌握電力電子儀器的使用，并且在完成基礎性實驗的前提下，設計一些綜合性實驗，將各種變流電路融合，全面地分析電力電子電路。另外還可增加一些設計性的實驗作為選作內容，給學生提供更廣闊的空間。

與模擬電子技術、數字電子技術一樣，電力電子實驗環節包括軟件仿真實驗和硬件實物實驗[7]，兩者相輔相成。硬件實驗旨在讓學生掌握各種變流電路的連線，培養基本實驗技能，記錄實驗數據，觀察輸出波形，分析實驗結果與理論是否一致。

將EDA技術引入課堂后，使用EDA可以隨時以圖形、表格及曲線的形式來顯示電力電子電路中復雜的電壓電流變化波形，并且可以不斷修改參數，在基本電路的基礎上，創新設計電路，加深學生對變流電路本質的理解。在課堂教學中可以將一些抽象、難懂的內容作為課堂重點演示內容，學生也可以在課后進行具體電路的上機仿真。

4 結語

經過研究實踐，建立了基于EDA教學的電力電子課程教學模式，并用于實踐。讓學生更容易理解和掌握課程要求的知識和技能，體驗動手的樂趣，培養學生在實際操作中分析問題和解決問題的能力，積累實踐經驗，為進一步學習其他專業課以及畢業后從事電氣自動化工作打下必要的基礎。電力電子技術課程的教學是一門藝術，講好這門課是不容易的，今后還應繼續加大實踐課程的力度，將EDA技術不僅用于變流電路的仿真，還將用于電路設計。