以“產出”為目標的電力電子學課程改革

宋瀟瀟 孫章 沈霞 閻鐵生

摘 要 “電力電子學”課程主要講授電能變換和控制，是電氣工程專業非常重要的專業課，課程專業性強，難度大。在工程認證背景下，基于OBE（Outcomes-Based Education）理念，以學生的能力產出為目標，在課程中優化教學內容，改革教學方法，對培養學生解決復雜工程問題的能力具有非常積極的意義。

關鍵詞 OBE理念 電力電子學 課程改革

Abstract The course of power electronics studies power conversion and control， which is a very important professional course for electrical engineering major. Power electronics is very professional and difficult course. Under the background of engineering certification， based on the idea of outcomes-based education （OBE）， aiming at students' ability output， optimizing teaching content and reforming teaching methods in the course are great significance to cultivate students' ability to solve complex engineering problems.

Keywords concept of OBE; power electronics; reform of course

0 引言

為了適應社會經濟高速發展，國家提出了創新驅動發展的戰略，工程能力、創新能力以及其他的復合能力變的越來越重要，電氣工程及其自動化的專業技術人才不僅要掌握扎實的專業知識，還要具有解決復雜工程問題的能力，為此以產出為導向，以培養能力為目標的OBE（Outcomes-Based Education）教育模式越來越受到重視。[1-4]課程作為教學的基本載體，課程的建設對學生能力的獲得起到了非常關鍵的作用，因此課程的建設和改革勢在必行。

電力電子學是一門典型的交叉學科，主要研究如何高效的實現電能變換和控制，電子學、電力學和控制理論在電力電子技術中都發揮著重要的作用，[5-6]包括四種基本的能量變換模式：交流到直流變換、直流到交流變換、直流到直流變換以及交流到交流變換，但目前電力電子學課程的老師講的多，學生參與熱情不高，導致最終對解決復雜工程問題的能力培養達不到預期。基于OBE理念，以培養解決復雜工程問題的能力為目標，梳理教學內容，構建更為合理的教學體系;改革教學方法，使學生能根據用戶要求，提出合適的解決方案，最終結果不僅能滿足技術指標，同時能綜合考慮經濟指標、以及對環境等的影響。通過發現問題，提出問題，逐步提升學生解決工程問題的能力。

1 課程改革的實施

以產出為導向，以專業知識的掌握、工程意識和創新能力的培養為目標，我們從以下幾方面對課程進行了建設。

1.1 精心梳理教學內容

電力電子課程作為電氣工程專業的專業基礎課程，包含整流、逆變、直直變換、交交變換四大類電力變換，還包含了不同的控制方法。課程內容多，課時顯得不夠，所以需要在教學大綱的框架內精心梳理教學內容和課程結構體系，具體如下：

（1）減少工程中不常見、不常用的電路。隨著器件制造技術的不斷發展，傳統的半控型器件的領域正在被全控型器件所替代?？紤]到半控型器件晶閘管的重要性在逐漸降低，而全控性器件得到了越來越廣泛的應用，逐漸縮減整流部分的內容，減少課時，保留一些重要的常用的電路。比如單相整流電路中，單相橋式整流電路仍然需要在課堂上學習，而其他一些不常用電路就不再要求，把更多的精力放在直直變換電路以及逆變電路中。這樣學生可以通過自學培養自己分析問題的能力，同時也解決課時不足的問題。

（2）控制方法和主電路學習相結合。針對控制方法，課程主要分析了相位控制的方法和PWM控制兩種方法，注意控制方法和具體主電路的結合運用。電力電子系統的構成如圖1所示。

圖1中控制電路一般包含相位控制和PWM控制，主電路即是電力電子中的四種變換。在以前的教學中，課程開始時，向同學們介紹該系統構成，然后會分為四章分別介紹四種主電路，PWM控制技術又是獨立的章節。由于各部分內容是分章進行，導致學生對主電路和控制電路如何配合構成電力電子系統印象不深刻，理解不深入，針對這個問題，將前后知識進行“遷移”，將四種能力變換的方式和相位控制以及PWM控制串接起來，在每一種主電路分析的時候，結合當前使用的控制方法，以構成電力電子系統為目標進行分析，讓學生清楚必須主電路和控制電路配合起來，才能構建系統，避免以前學習中，學生對兩部分知識的割裂，使學生建立起電力電子系統的概念。

（3）教學內容緊跟新技術發展前沿。電力電子技術是電氣學科中非?；钴S的一個分支，新技術不斷出現，因此在教學中注意和技術前沿相結合。例如在第二章電力電子器件的學習中，引入SiC、GaN等新型器件，說明其在開關特性和參數上和傳統的器件的區別，同時布置作業讓同學們通過查找電力電子權威期刊雜志，了解當前器件的發展現狀，以及器件發展對電力電子線路可能產生怎樣的影響。這些問題都是開放的，學生查閱文獻后需要歸納、總結。這樣既培養了大家查閱文獻能力，閱讀英文文獻的能力，也激發學生的學習興趣。

（4）教學內容和工程實際相結合。電力電子技術和工程實際結合很緊密，在課程中也要體現其工程應用，在不同的章節中引入不同的工程案列，而有些綜合的案例，需要融會貫通各章知識，才能解決問題。例如在電動汽車中，公共交流電網如何為蓄電池充電，這一部分首先需要用整流部分的內容，整流以后的直流電需要給蓄電池充電，這個過程需要用到直直變換電路的內容，蓄電池中存儲的直流電如何給交流電機提供能量，這部分是逆變電路的內容，這些問題會提前布置給學生，學生同樣需要分組查找資料，對系統有大體的認識，再通過課堂學習盡力解決遇到的問題。通過對這些工程案例的分析，學生理解了電力電子電路如何在生產實際中的應用，讓理論和實際相結合，培養大家的工程意識。

1.2 更新教學方法

在梳理教學內容的基礎上，也注意更新教學方法。

（1）采用信息化的教學手段。使用課程網站提前推送課程內容。電力電子學課程內容多，知識點密集，僅僅依靠上課時間是不夠的，老師提前推送和課程內容相關的問題，利用課程網站的資源，同學可以提前觀看相關視頻，通過課前預習，使得學生對本次學習的內容做到心中有數，在預習中不懂的地方，有針對性的學習，會收到更好的效果。

（2）采用和工程實際結合的項目制教學方法。

在電力電子課程教學過程中，堅持以學生為中心，培養學生的解決工程問題的能力，以一個具體案例的實施為例，不僅要滿足技術指標的要求，還要考慮經濟性、對環境的影響等因素，最后綜合確定設計目標。在這個過程中，學生運用所學的專業基礎知識，查閱相關的國家標準和行業標準，得到幾種不同的設計方案，并比較各自的優缺點，最終選擇一個較為合適的總體設計方案。

例如，當需要設計一個電動汽車的充電器時，需要把公用電網上的交流電轉換成為蓄電池充電的直流電。老師提前布置課題給學生，學生需要先查閱資料，理解蓄電池的充電方式有哪些？得到通常采用三段式的充電方式后，需要通過電力電子的專業知識，理解如何實現恒流和恒壓充電。直直變換電路有很多種，應該用什么主電路實現，需要根據負載對充電系統的要求，選擇滿足指標的直直變換電路。主電路確定后，控制方式該如何選擇？都是學生需要考慮的問題，在這個過程中，由于有具體的目標，學生上課會更加認真和積極。同時在選擇整流電路時，不僅要考慮能滿足技術指標的要求，還要考慮整流電路可能產生的諧波，而諧波會對周圍設備以及對公用電網產生不利影響，因此需要考慮增加功率因數校正等環節，減小諧波對電網和對周圍設備的影響。通過這些工作，讓學生理解工程問題不僅只有技術問題，還需要考慮環境因素等問題，從而增強社會責任感。

2 結語

電力電子是研究高效的實現電能變換的一門學科，課時緊張，內容多，通過認真梳理教學內容，更新教學方法，使學生的工程意識和解決復雜工程的能力得到培養和鍛煉。

參考文獻

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