電子信息類專業電力電子應用系統項目訓練課程的設計與實現

胡 瑋，李 洵，吳 桐，楊風開，李 承

（1.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 工程科學學院，湖北 武漢 430074）

我校工程科學學院是全國首批建設的試點國際化示范學院之一，該學院采用小班精英化教學模式，希望培養學生能夠具有宏觀思維能力、較強的科學和工程素養、多學科視野和跨文化交流溝通能力。但從工程科學學院目前的課程設置來看，該學院本科教學整體偏向于電子信息類弱電專業課程的學習，學生按目前的課程設置很少有機會接觸有關強電系統方面的知識。學生學習的電類課程主要集中在電的通信、探測以及信號的獲取、傳輸與加工處理等方面，而對于電的產生、傳輸和電能變換等方面的知識不甚了解。這樣的課程設置使得學生誤以為在電子工程領域只包含弱電方面的知識，反而不具備強電方面的知識，也不了解與電力系統相關的電力傳輸和電能變換的應用。然而這些應用在人類的生產和生活實踐中是非常重要的。此外，雖然學生學習過電磁場方面的課程，但由于課時較少內容較淺，且后續不再學習強電方面的知識，學生對磁方面的知識接觸不多，對電與磁兩方面知識的了解不平衡，這導致學生要么缺乏工程電磁學的相關知識，要么即使了解一些，也無法真正理解電與磁之間的緊密聯系[1-6]。

基于此問題，為補齊相關教學環節，培養交叉學科領域創新拔尖人才，工程科學學院聯合電氣與電子工程學院為低年級本科生開設了一門16 學時的項目訓練課程，希望該課程能夠實現如下教學目標：

（1）使工程科學學院的學生認識和了解電力專業的課程設置和基本研究方向，加強學生對發電-輸變電-動力系統的感性認識。

（2）在教師指導下進行電力電子基礎知識的學習，通過對自身選定項目開展的研究工作，加強學生對各類電力電子應用系統的認識和理解。

（3）通過在電力系統主題下對學生的訓練，使其能夠系統、全面地了解電和磁的作用及其相互關系，補充其對磁場和電磁轉換方面知識的了解和應用。

1 基于自主學習的項目訓練課程設計思路

工程科學學院作為全國試點國際化示范學院，其本科生數量很少，每個年級僅為一個實驗班，采用小班精英化教學模式。 學生大部分從其他學院選拔而來，有著較為扎實的學科基礎知識，較強的自學能力。根據以上學生的特點，工程科學學院希望用盡量少的學時讓學生了解電力傳輸和電能變換的應用，補齊磁場和電磁轉換方面的知識的要求，同時制定了項目訓練教學計劃，構建了以學生自主學習為主體，以各類電力電子應用系統的研究為核心的課程教學模式。

自主學習是目前各高校研討較多的一種教學模式。該教學模式以學生為學習主體，學習不再僅僅是教師向學生傳授知識的過程，而成為一種主動的學習過程。學生也不再是知識的被動吸收者，而是以自己原有的知識結構為基礎，根據課程的要求，對外部知識主動進行選擇、整理，進而獲得新知識的主動知識建構者。與傳統教學模式相比，自主學習模式的優勢在于可以培養學生獨立思考、獲取知識和解決問題的能力；同時該教學模式可以在大幅減少授課時間的基礎上仍然取得較好的學習效果。但采用自主學習模式對教師與學生也提出了相當高的要求，由于把相關的理論學習和文獻閱讀放在課外，通過學生自主學習完成，學生需要大量的時間進行課前預習，而教師也轉變為學生自主學習的組織者、引導者和促進者。只有這樣才能在課堂上展開高效的交流與互動[7-9]。

電子信息類學生以電力電子應用系統為核心進行電氣知識的學習有以下三點優勢[10-12]：

（1）電力電子技術是目前電氣工程研究領域的主流研究方向，各類電力電子應用系統廣泛應用于電力傳輸、電力存儲、電能變換等不同的電力專業領域。

（2）電力電子應用系統主要包括電力電子器件、電力電子變換器和控制方法三個領域。通過學習電力電子變換拓撲、換流方式及相關原理和公式推導等知識，電子信息類學生可以系統地學習電磁轉換的相關知識，而學習控制方法又與本專業的課程息息相關。

（3）電子信息類學生對電力電子專業仿真軟件有一定了解（如Matlab,Saber 等），較容易進行電力電子應用系統的建模與仿真。

我院將項目訓練課程的課上相關教學環節設置為4 講，每講4 學時。其中第一講為“準靜電場和發電-輸變電-動力系統專題”；第二講為“電機實驗室和繼電保護實驗室參觀學習”；第三講為“電力系統動模實驗室參觀學習”；第四講為“電力電子應用系統研究專題”。整體課程內容安排遵循“學習—實踐—提高”的教學規律，彼此銜接非常緊密，可使學生迅速進入學習狀態，完成項目訓練課程設置的學習任務。本項目訓練課程的課堂教學環節設置如圖1 所示。

圖1 課堂教學環節設置

具體而言，在學習部分，首先由教師介紹準靜磁場和發電-輸變電-動力系統的概念，學生課后自習相關內容。在實踐部分，參觀電氣學院電機實驗室、繼電保護實驗室和動模實驗室，學習發電-輸變電-動力系統的模型和實物，由教師詳細講解相關原理。在提高部分，學生課后通過資料查詢，資料閱讀分析學習，自選一種電力電子應用系統開展研究，并就其所選電力電子應用系統遞交綜述報告。學生還需要對教師、全班學生及其他旁聽者就其綜述報告進行講演。本項目訓練課程的學生自主學習模式如圖2 所示。

圖2 學生自主學習模式

本項目訓練課程在所有課堂教學環節中均引入了評價量表。采用這種評價方法能夠提升學生自主學習的主動性，保障在有限課時內完成設定的教學目標，進而實現良好的教學效果。

2 課堂專題教學和實驗室參觀學習

2.1 課堂專題教學

工程科學學院的學生有一定的電磁場方面的理論基礎，在準靜電場和發電-輸變電-動力系統專題的課堂教學中，教師并不占用太多課堂時間詳細講解電磁場相關的理論知識，而把這部分內容留給學生進行課前預習。在課堂上，教師簡要介紹庫侖力和洛倫茲力、畢-薩定律、法拉第定律、麥克斯韋方程等基本理論；重點介紹電場、磁場及其轉換關系，包括靜電場、靜磁場，準靜電場、準靜磁場及其邊界條件等基本概念。在此基礎上，詳細介紹傳統發電-輸變電-動力系統，包括各類交、直流發電機基本工作原理，各類交、直流電動機基本工作原理，各類變壓器基本工作原理，以及典型的電力傳輸和電力變換裝置等。

為了使學生明確學習目標，提升自主學習效率，我院制作了課程PPT 文檔——電磁場和傳統發電-輸變電-動力系統基礎——該PPT 文檔對工程電磁學的基本理論、基本概念、傳統發電-輸變電-動力系統等基礎知識進行了精講，方便學生在課前使用該文檔結合教師推薦的教材進行自主學習。

2.2 實驗室參觀學習

由于工程科學學院的學生從未到電氣專業實驗室參觀學習，為使學生在有限的時間內較為全面地了解電氣學院的專業方向和專業特性，選擇讓學生參觀學習電機實驗室、繼電保護實驗室和電力系統動模實驗室。參觀電機實驗室讓學生能夠了解直流電機、變壓器、異步機和同步發電機的基本特性和典型結構，各類電機的一般驅動方式，以及經典直流拖動和交流拖動控制系統的基本原理；參觀繼電保護實驗室讓學生能夠了解電流繼電器、電壓繼電器、時間繼電器、中間繼電器和信號繼電器的基本特性和典型結構，了解如何調整、測量各類電磁型繼電器的動作值、返回值和返回系數，以及多種繼電器如何配合工作。參觀電力系統動模實驗室讓學生能夠了解現代電力系統的物理模態，真實再現電力系統的各種動態運行工況和擾動過程。學生能夠參觀各電壓等級的交、直流輸電線路模型、并聯電抗器模型和三峽巨型機組物理模型等各類模型系統，以及超導儲能系統模擬實驗設備平臺、可控串聯補償裝置、統一潮流控制器、有源功率因數調節器和智能電網實驗平臺等各類動態模擬系統。

通過以上三個實驗室的參觀學習，能夠比較全面地了解傳統發電-輸變電-動力系統中各個環節的專業特性，各類電機與通用電氣裝置中電磁轉換的應用原理，目前電力系統面臨的主要問題以及前沿研究領域。為幫助學生理解和掌握參觀學習的內容，制作了兩個PPT 文檔，供學生課前進行自主學習。它們分別是《電氣學科基礎認知和文獻綜述》和《電力新技術發展對傳統電力生產的革命》。以上兩個PPT 文檔能夠幫助學生初步掌握電氣學科的相關知識，在此基礎上，還能夠指導學生如何撰寫項目訓練課程的綜述報告。

3 電力電子應用系統選取和綜述報告寫作

3.1 電力電子應用系統選取

電力電子應用系統的研究是本實踐訓練課程的核心，我們從目前的電氣學科前沿應用技術、設備和裝置中選取了12 種電力電子應用系統供學生選擇，這些電力電子應用系統包括：無線電力傳輸方式、電磁同位素分離器、回旋加速器、電子感應加速器、古地磁學、磁芯存儲器、磁盤存儲器、熱磁復制磁盤裝置、電磁推進器、感應加熱器、無損管道檢測裝置和磁懸浮裝置。

在以上這些電力電子應用系統中，大部分都是當前軍事和工業研究熱點，有著很重要的實用價值。比如電磁同位素分離器、回旋加速器、電子感應加速器、磁芯存儲器、磁盤存儲器、熱磁復制磁盤裝置、電磁推進器、感應加熱器、無損管道檢測裝置和磁懸浮裝置。有的屬于歷史悠久的學科，借助于現代電力電子技術得到新的發展，比如古地磁學。還有的具有重要的研究價值，但在當前的技術水平下并不成熟，需要加大研究力度，比如無線電力傳輸方式。

以上每一種電力電子應用系統都是一個非常復雜的集成系統，但它們的核心都是各類電力電子變換器及其控制方法。這些電力電子應用系統大多并不只有一種可行的設計方案，而是根據不同的設計思路有著不同的設計方案，側重于不同的用戶需求。以無線電力傳輸方式為例，目前無線電力傳輸方式有電磁感應式、磁耦合共振式和電磁波輻射式三種無線電力傳輸方案。其中電磁感應式無線電力傳輸方案利用電磁感應原理實現了低功率、近距離的無線電力傳輸，是一種相當成熟的無線電力傳輸技術，已在各類非接觸式充電場合得到了廣泛應用。磁耦合共振式無線電力傳輸方案則利用磁耦合共振原理實現了中等功率、中等距離的無線電力傳輸，該方案是近年來興起的無線電力傳輸技術，目前理論已較為成熟，產品的傳輸距離和傳輸效率都有了大幅提升。電磁波輻射式無線電力傳輸方案希望利用微波來實現大功率、遠距離的無線電力傳輸，該方案的構想已經提出了很長時間，但目前這一方案還有很多技術問題亟待解決，仍處于理論研究階段。

3.2 綜述報告寫作及演講答辯

學生根據自己的興趣任選12 種電力電子應用系統中的一種進行研究，查閱相關文獻并完成該系統的綜述報告。綜述報告首先闡述該電力電子應用系統的歷史發展進程和目前已達到的研究水平。在此基礎上，詳細闡述該系統目前各種可行的設計方案，分析其設計思路、拓撲結構和可實現的性能指標并進行綜合對比，指出各自的優缺點。最后，簡述該系統今后需要改進和發展的方向。有能力的學生還可以針對該系統的典型設計方案進行相關仿真驗證。

綜述報告要求內容結構完整、邏輯清晰，并達到一定的文獻閱讀量。最終，學生對自己所選的電力電子應用系統的了解和掌握程度以綜述報告和演講答辯方式所展示。 學生的綜述報告演講時間為每人10 min，答辯時間為每人5 min。電力電子應用系統綜述報告選題及演講答辯流程如圖3 所示。

圖3 電力電子應用系統綜述報告選題及演講答辯流程

4 基于評價量表的評價模式設計

大部分的課程教學在課程結束時進行考試或提交報告，以其成績判斷是否達到教學目標。針對本項目訓練課程以學生自主學習為主體的教學環節設置，將評價量表引入課程考核，讓教師和助教對每個學生在每個教學環節的課堂表現進行實時評分。最終課程評價模式將以評價量表成績為主，以課程結束提交的綜述報告成績為輔，綜合評價學生的課程學習質量。采用評價量表的優點在于給學生提供了明確的課程學習目標，有利于學生從被動接受評價轉變為評價的積極參與者，能夠有效調動學生的學習積極性，增強學生的自主學習能力。同時也給教師提供了較為清晰的評價標準，使教師能夠直觀地把握學生的學習進度，為進一步改善教學方法提供直接參考[13-16]。

一般而言，評價量表以學生參加教學活動所表現出來的對學習的投入作為主要參考對象，而學生的學習投入體現在認知投入、行為投入和情感投入三個維度的有意義的結合，因此在設計評價量表時應該同時考查這三個方面。按照評價量表的設計原則，針對本課程各教學環節設計了統一的維度，分別為自主學習情況、課堂學習情況或綜合設計情況、學習表現與態度，分別對應學生的認知投入、行為投入、情感投入。針對不同的教學環節，每個維度下還細分為兩個不同的因子，電力電子應用系統項目訓練課程各教學環節維度和因子的設計如表1 所示。其中“電機實驗室和繼電保護實驗室參觀學習”“動模實驗室參觀學習”均為本課程的參觀學習部分，其因子的設計完全相同。將以上維度和因子的設計進行拓展，可以設計出針對各教學環節的4 份評價量表。以電力電子應用系統研究專題為例，其評價量表的設計如表2 所示。可以看出，評價量表將學習環節三個維度、6 個因子評定為典范、合格、有待改善三個等級，設定了不同的分值范圍，嚴格評定學生的表現。在表2 的學習表現和態度這一維度中，特別設計了學生互評情況這一因子，學生互評主要體現在學生綜述報告演講后的答辯部分，要求做相近課題研究的學生就該學生的演講內容進行提問和打分。學生互評可以使學生之間就課題內容進行辯論，幫助學生反思在自主學習中存在的問題，明確綜述報告的改進方向[17-19]。

評價量表以百分制記成績，4 份評價量表和學生綜述報告的成績進行加權后構成本課程的最終成績。課程評價模式設定評價量表成績所占比為70%，學生綜述報告成績所占比為30%。這樣的成績占比設定的課程評價模式能夠發揮監督、導向和激勵作用，避免傳統教學重結果輕過程的情況出現。

表1 電力電子應用系統項目訓練課程各教學環節維度和因子設計

表2 電力電子應用系統研究專題評價量表

5 結語

針對工程科學學院低年級本科生的電力電子應用系統項目訓練課程已開設三年，通過以學生自主學習為主體，以各類電力電子應用系統的研究為核心的課程教學模式，使得學生增強了對發電-輸變電-動力系統的感性認識，更好地認識和理解各類電力電子應用系統，加強了對電磁轉換和磁場方面知識的了解和應用。對學生的問卷調查顯示，項目訓練課程取得了較好的效果，學生對課程內容和教學方法的滿意度評分較高。本項目訓練課程的設計與實現方法對各高校電子信息類專業本科教學改革具有較好的借鑒和推廣價值。