基于CDIO工程教育理念的“電力電子技術”課程教學改革與實踐創新

鄒夢麗 李建軍 王憲磊 羅繼東 侯寶華

摘要：隨著高校教育的不斷深化改革，為培養復合型工程技術人才，文章在CDIO工程教育理念的指導下，對電力電子技術課程的教學目標、教學內容、教學方法、教學手段、實踐過程等方面進行了創新型改革與探索，提高了學生的學習興趣，有利于培養學生的工程意識和創新能力。

關鍵詞：CDIO模式;電力電子技術;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0076-03

在高校電氣工程專業中，“電力電子技術”是一門非常重要的專業必修基礎課，主要研究電源的控制，指的是利用電力電子器件對電能進行變換和控制，橫跨電力、電子和控制三個領域[1]，其內容變化之大、發展之快、應用之廣以及新技術和知識點之多是該課程的主要特點。這門課程掌握得好壞程度，會決定后續相關專業課程學習的好壞，直接影響到學生動手創新能力的運用。因此進行該課程的教學改革，是十分必要且有實際意義的。

CDIO（Conceiving—Designing—Implementing—Operation）是國際工程教育與人才培養的創新模式，該模式強調綜合創新能力、個體與社會協調能力的培育，更加關注工程實踐能力的提升[2]。近年來逐漸被國內教育認可并廣泛采用，為本課程的教學改革起到積極性的指導作用。

一、教學改革的主題思路

（一）目前課程教學存在的問題

電力電子技術課程的教學內容較多，很難在有限的學時內講完。變流技術中基本電路按照電路結構、工作原理、波形分析和基本公式計算及應用進行講解。其中工作原理不易理解，電路分析過程抽象，尤其是波形的動態變化過程，沒有動態圖輔助，學生很難整理清楚思路。此外，知識體系緊密，公式計算多且煩瑣，有時計算復雜的內容需要借助高級的計算機運算，這要求學生的數學功底十分夯實。該課程在工程實際中有大量的應用，多數的知識重點內容與難點內容需要具體的工程實例講解，學生才能聽懂并明白其重要性。針對課堂存在的問題，采用當下流行的CDIO國際工程教育理念，可有效培養學生理論聯系實際及工程創新的能力[3]。

（二）教學目標定位

電力電子技術是一門研究電源變換的課程，隨著科技的發展，其技術廣泛應用于電力、制造、機械等領域。教學過程中應積極探索本課程縱深向多門課程貫通的發展，力求基礎和前沿并重發展，優化、精簡課程內容，突出重點、難點，制定合適的教學目標，以培養出知識面較全面、創新能力和實踐能力強的技術人才。

（三）教學方法及教學手段改革

教學方法要多樣化，例如引入活動探究法、直觀演示法、知識遷移對比法、案例教學法、討論分析法、系統教學法等。把這些教學方法按照“提出問題—分析問題—解決問題—總結問題—遷移應用”的思路最后歸納出“認知、學習、應用、總結、提高”五層次教學模式：在“認知”模塊中，難于理解的知識點盡量利用多種方式進行生動化的展示，如圖表形式、動畫形式、視頻形式等，充分激發學生興趣，營造積極向上的學習氛圍;在“學習”模塊中，通過多媒體課件傳統講解，配合多種方式的教學方法，結合仿真軟件觀測電壓電流波形的變化，使學生掌握電力電子技術的基礎理論知識;在“應用”模塊中，通過組織學生討論實際案例，對實際問題進行分析，培養學生自行解決討論問題的能力;在“總結”模塊中，運用系統歸納法，將知識點進行串接，使得學生能夠全面、系統地建立知識架構;在“提高”模塊中，利用問題導向法，將理論和實踐完全結合，提高學生的綜合素質[4]。

二、創新型教學改革實踐

（一）優化整合課程內容，提高課程的綜合化程度

把電力電子技術看成是一項系統工程，就課程本身進行全面、系統、科學的研究。該課程的主要內容應以電力電子器件為核心，以四種變流技術和兩種控制方法為基礎，以四類變換器的應用為目標，兼顧當前電力電子技術的發展[4]，同時考慮課程學時、數目的限制，通過與往屆畢業生交流溝通，咨詢調查行業職能的實際要求，認真聽取建設性意見，結合應用實際精選教學課程內容，進而優化、整合課程內容，突出重難點，詳略得當，使得課程內容具有科學性和新穎性，充分體現先進的教學理念，兼顧知識與能力的培養，切實提高該課程的教學質量。

（二）借鑒其他高校的教學模式

通過外出調研的機會，與疆外其他高校教電力電子技術課程的教師溝通交流教學經驗，對比分析自身缺陷，對該課程進行教學改革。調研分析，大部分高校的電力電子技術課時數目相近，少的安排有48學時，多的達到56學時。普遍反映都是課時少、內容多。任課老師需要精選備課，認真選取教學案例及素材，使課程教學內容與專業相結合，合理安排課程及主要教學內容，體現該課程的價值。各高校在該課程的教學中，多數都采用案例式教學，針對電力電子技術涉及的相關其他課程的應用列舉大量的工程實例，重視每種變換電路的應用，尤其是在電力系統中的應用介紹。具體章節上普遍認為第二章電力電子器件關于動態特性可不必占用過多的課堂時間，會應用電氣電子器件，能夠掌握基本特性即可。第二章電力電子技術課與第九章電力電子器件的驅動保護等內容合并講解，重點掌握晶閘管、MOSFET、IGBT。第三章至第六章的課程核心內容的四大變換電路中重點掌握整流電路和逆變電路，控制方法。第七章PWM控制技術重點與逆變電路結合講解。第十章電力電子技術的應用，個別學校有組織學生自學，或開展討論課程等形式，多數教師是自己插編入相應變換電路中進行實例講解。實驗方面，各高校都配有實驗室，完成相關基礎驗證實驗。個別高校將實驗分為基礎、創新和探究型。局域實踐課時安排，部分實驗設為學生自主、自愿選擇。

（三）與相關企業聯系，搜集教學素材

結合往屆電氣專業畢業生的去處，到學校所處的新疆區域中相關生產一線的發電企業及地方的國家電網等單位進行調研，了解社會對電力電子技術課程的要求，搜集經典案例，注重教學內容與其他課程的交叉性，調整授課結構，整理上課的主線脈絡。調研結果反映，電力電子技術廣泛應用于電力系統、光伏電站等，因此學生在學校期間應夯實基本的理論，具備靈活的實踐能力，以為學生從事相關工作打下基礎。當前，隨著電力電子器件的不斷更新，技術的先進發展，呈現出自動化、集成化、綠色化和智能化的發展趨勢。因此，器件設備的控制技術不易掌握。目前除個別核心技術被壟斷、出故障需廠家維修外，要求工作人員具備查錯、糾錯的能力。通過到相關企業單位調研，可以搜集實際應用案例，收集拍攝相關的素材，后期通過整理形成先進的教學材料運用到教學中[5]。這樣學生就能明白如何將課堂的知識點應用于實際系統中，有利于學生加深對理論的理解，真正地掌握課本知識，增加學習興趣，提高學習效率。

（四）對畢業設計中涉及電力電子技術的選題進行問卷調查

電力電子技術課程開設在學生的第5學期，專門以本院電氣化專業學生為例，選取近兩年涉及電力電子技術的畢業設計選題進行問卷調查與實證分析，對學生對該課程的評價及畢設中所體現的課程發展趨勢與思路進行對比與總結，最后結果顯示，總體上逐年提高了這兩年電力電子技術課程所選的畢業設計課題的典型性、綜合性和可行性，逐步提升了工作量和難易度，綜合反映了學生的專業綜合素養有了一定的提高。

（五）將科研競賽成果引入教學中

大部分教師都主持或承擔了與課程相關的科研項目，或多或少地運用到了電力電子技術中的電源變換內容。此外，電氣專業的學生在參加全國大學生電子設計電源類競賽、“挑戰杯”、全國大學生智能汽車競賽、全國大學生機器人大賽、全國節能減排大賽等比賽中都要涉及變流技術的基本理論。因此在教學中，可以結合科研項目以及學生大賽的優秀作品案例，給學生介紹具體的案例及應用，現身說法，引起學生對該課程的學習興趣，激發他們向榜樣學習的欲望，促使學生本身愿意去學。

三、基于CDIO工程教育理念的《電力電子技術》課程的實踐創新

在CDIO（構思—設計—實施—運行）工程教育理念的指導思想，對電力電子技術進行課程實踐的創新改革，以期強化并培養學生的工程設計、實踐和創新等綜合應用能力[6]。為拾級而上、循序漸進、漸次提升學生的實踐技能和創新意識，將創新能力的培養融入大學教育的每個環節、每個項目中，因此需要全力打造創新實踐教學平臺建設。創新實踐教學平臺建設包括校內平臺建設和校外平臺建設兩部分。校外實踐教學將充分依托阿拉爾光伏發電站，為學生提供學習平臺。在本課程學習末期，帶領學生參觀阿拉爾光伏電站，結合光伏發電系統的實物實際情況，把從發電、輸送電到最后給用戶供電的相關電力系統知識對學生進行系統梳理，加強專業綜合能力的培養。

校內平臺計劃采用“專業驗證實驗+綜合實驗+虛擬實驗”的建設模式。其中專業實驗結合我校電氣化專業的電力電子實驗室對課程基礎實驗進行驗證，并觀測波形，讓學生比對通過實驗實際元件得到的波形與課本理論波形，從而使其有一個更為清楚的認識，以便于打好學生的理論基礎[7]。綜合實驗屬于多知識點融合的能力訓練，以知識、能力、素質為教學目標，根據專業技術人才培養目標與職業資格標準要求，將教學的重點知識穿插到電力四大變換器的項目中進行實戰演練，如精選的調光燈電路、晶閘管-電機調速系統等典型項目。調光燈電路實驗項目是基于單結晶體管的觸發電路，采用雙向晶閘管調控，綜合應用電力變換中的AC-DC和AC-AC;開關穩壓電源實驗項目是把電源流出的交流電經整流變成直流，濾波后經穩壓供給用戶，在生活中應用廣泛;晶閘管電機調速，在單閉環的基礎上逐步升級為雙閉環，保證了調速的可靠性……實驗項目的設立是為了引導學生主動探索電力電子技術相關知識和技能，全面鍛煉學生能力;虛擬實驗是基于MATLAB仿真軟件，可完成典型電力電子電路的虛擬設計、虛擬試驗以及波形觀測[7]。通常虛擬實驗是結合著綜合實驗一起進行的，在設計電路仿真通過的前提下進行綜合實驗，能夠有效提高實驗成功率。此外，校內平臺的搭建還為學科研究做了鋪墊，對于有能力的學生，可以自己設計主電路的拓撲結構、計算電路參數，選擇電子元件，仿真軟件驗證，最后焊接調試[8]。這樣學生有機地將學習的理論基礎與實踐相結合，不僅加深了對理論的理解，還鍛煉了實際的工程應用能力，一舉多得;這也為學生提供了良好的鍛煉平臺，有效地提高了學習效率，更能為相關的學科競賽做好扎實的準備。

四、結束語

通過基于CDIO工程教育理念的《電力電子技術》課程教學改革與實踐創新，積極探索將理論與實踐相結合，實現該課程與專業的有機結合，擴展學生視野，激發學習興趣，促使其將知識不斷內化成能力，不斷提高工程應用能力，以期培養成符合社會需求的復合型人才。

參考文獻：

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[2]胡志剛，任勝兵，陳志剛等.SE-CDIO工程教育模式的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2010，6：20-28.

[3]謝清明.論CDIO培養模式的教育理論基礎[J].教育與職業，2010，（26）：184-185.

[4]任亞軍.“電力電子技術”課程教學改革的設計與創新[J].電大理工，2011（03）：63-64.

[5]王憲磊，王偉，裴玖玲，張洪洲，劉潤澤，范修文.機械類專業自動控制原理創新型教學改革與實踐[J].高教學刊，2016，（07）：132-133.

[6]陳立芳，王維民，張婭，段成紅.基于裝備發展新趨勢的工程實踐能力培養[J].化工高等教育，2018，35（01）：62-66.

[7]劉麗萱，錢步仁，張萍，魏學良.《電力電子技術》課堂教學及實驗教學模式改革探索[J].教育教學論壇，2014，（15）：34-36.

[8]焦竹青，何寶祥，彭翠云.“電力電子技術”課程差別化教學模式探索與分析[J].中國電力教育，2012，（09）：55-56.