基于新工科背景下電力電子系列課程的實驗教學(xué)改革

李 沁 葛楨甄 陳坤燚 徐 建

（湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院 湖北·恩施 445000）

0 引言

繼2017年教育部啟動“新工科研究與實踐”項目提出新工科建設(shè)后，高等工程教育逐步轉(zhuǎn)向培養(yǎng)工程實踐能力強(qiáng)、具備創(chuàng)新能力、適應(yīng)于新產(chǎn)業(yè)新經(jīng)濟(jì)的高素質(zhì)復(fù)合型工程人才，其中成果導(dǎo)向機(jī)制的課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計是新工科背景下人才培養(yǎng)模式改革的重中之重[1]。

“電力電子學(xué)”是電氣專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其系列課程包括方向課、選修課和課程設(shè)計等，其中實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐和綜合應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)。但是現(xiàn)有的傳統(tǒng)實驗室由于形式和內(nèi)容單一，存在開放性和交叉性不足等問題，限制了實驗教學(xué)的代表性和創(chuàng)新性、實驗項目的設(shè)計性和靈活性，教學(xué)效率低下，無法滿足新工科建設(shè)的內(nèi)涵與特征。

本論文中，我們以新工科建設(shè)要求為目標(biāo)，以學(xué)生為中心，修改實驗教學(xué)模式，融入多學(xué)科和科技前沿知識，改進(jìn)實驗教學(xué)評價機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用和綜合實踐能力。

1 電力電子系列課程實驗改革路徑

針對我校“電力電子學(xué)”實驗教學(xué)中存在的問題，提出“三類課程、三個層次、兩種方式、三項能力”的實驗改革路徑，即通過必修課、選修課、課程設(shè)計類三類課程，基于驗證性、綜合性、設(shè)計性三個層次的實驗，采用基礎(chǔ)型和開放型兩種實驗方式，培養(yǎng)學(xué)生實踐操作能力、綜合分析能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

三個層次的實驗依次遞進(jìn)為：基于傳統(tǒng)電路拓?fù)涞幕A(chǔ)驗證性實驗；綜合相關(guān)課程知識的綜合性實驗；基于綜合性實驗和工程應(yīng)用要求的設(shè)計性實驗。

基礎(chǔ)型實驗內(nèi)容相對固定，主要用于驗證課程結(jié)論和熟悉實驗平臺與實踐操作。而開放型實驗由學(xué)生通過查閱資料、結(jié)合相關(guān)知識、自行設(shè)計實驗方案，在教師引導(dǎo)下完成實驗。

所培養(yǎng)學(xué)生的三項能力體現(xiàn)在：具備借助實驗平臺開展參數(shù)計算、搭建功能系統(tǒng)的能力；具備對實驗結(jié)果進(jìn)行合理分析、解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論的能力；具備對工程實驗研究及工程中的簡單工程問題進(jìn)行分解和分析，提出改進(jìn)方案設(shè)計并說明設(shè)計方案可行性的能力。

2 電力電子系列課程實驗大綱修訂

根據(jù)上述改革路徑，針對現(xiàn)有教學(xué)大綱內(nèi)容重新修訂電力電子相關(guān)課程教學(xué)大綱內(nèi)容，要求實驗內(nèi)容設(shè)置充分體現(xiàn)基礎(chǔ)驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗三個層次。

基礎(chǔ)驗證性實驗在必修課《電力電子學(xué)》課程學(xué)習(xí)過程中完成，其大綱基于基本電路元件、經(jīng)典電路拓?fù)淠K進(jìn)行實驗項目設(shè)計，只在實驗平臺上進(jìn)行基礎(chǔ)性實驗，目的是幫助學(xué)生掌握電力電子學(xué)基本理論、熟悉實驗平臺操作方法，應(yīng)設(shè)定為必修實驗。

綜合性實驗應(yīng)在《電力電子裝置與系統(tǒng)》《電力電子仿真》等選修課、方向課中增加比重，綜合體現(xiàn)電力電子學(xué)、自控原理、電力拖動、Matlab等課程內(nèi)容以及電力電子應(yīng)用的科技前沿知識，結(jié)合儲能雙向直流變換電路模塊、并網(wǎng)逆變電路模塊、風(fēng)力發(fā)電變流電路模塊、電機(jī)控制電路模塊、智能微電網(wǎng)雙向變流模塊進(jìn)行多個實驗項目設(shè)計，將主電路設(shè)計與控制方法相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生基于實驗結(jié)論和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的能力。

《電力電子綜合課程設(shè)計》等課程應(yīng)設(shè)置設(shè)計性實驗，采用開放引導(dǎo)式的模式，通過電路硬件設(shè)計與調(diào)試、電路仿真與代碼編寫、算法驗證與創(chuàng)新、工程應(yīng)用與驗證的設(shè)計流程，以項目的形式開展，充分體現(xiàn)“以設(shè)計為中心”的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生針對復(fù)雜工程問題研究開發(fā)設(shè)計的能力。

通過對電力電子系列課程實驗大綱的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)行基礎(chǔ)性、綜合性和設(shè)計性三層實驗的設(shè)置，既能體現(xiàn)課程的核心知識結(jié)構(gòu)，又能展現(xiàn)當(dāng)前學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，還能與其他相關(guān)課程有效銜接，實現(xiàn)電力電子系列課程的立體化發(fā)展，為課程體系建設(shè)與改革打下良好基礎(chǔ)。

3 電力電子系列課程實驗方案設(shè)計

為適應(yīng)新工科建設(shè)要求，突出OBE的教學(xué)理念，本文以設(shè)計性實驗為例說明如何進(jìn)行實驗方案設(shè)計。

設(shè)計性實驗應(yīng)突出“以設(shè)計為中心”，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，本論文基于此要求設(shè)置實驗教學(xué)實施方案如下圖1所示。

圖1：設(shè)計性實驗教學(xué)實施方案

如圖1所示，設(shè)計性實驗的教學(xué)實施方案包括學(xué)生自主學(xué)習(xí)、課堂能力提升和課程引導(dǎo)與監(jiān)督三個主要模塊。

3.1 學(xué)生自主學(xué)習(xí)

3.1.1 理論認(rèn)識

明確的理論認(rèn)識能保障實驗?zāi)康挠行ч_展，是能夠更合理完成設(shè)計性實驗的前提。其任務(wù)的安排和設(shè)置應(yīng)按照解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的目的進(jìn)行改造，如涉及“電力電子變流器應(yīng)用”這一工程環(huán)節(jié)時，學(xué)生的理論學(xué)習(xí)應(yīng)圍繞解決深層次的工程問題，例如電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制、無功補(bǔ)償、電能質(zhì)量等復(fù)雜工程問題展開。

3.1.2 仿真運(yùn)行

針對電氣工程中的復(fù)雜工程問題，需要培養(yǎng)學(xué)生通過多種方法進(jìn)行分析的能力，能夠采用新工具和軟件基于工程進(jìn)行仿真開展問題分析。可通過引導(dǎo)，將工程問題分解為若干小目標(biāo)，學(xué)生將系統(tǒng)建模、仿真調(diào)試運(yùn)行等步驟放到課下進(jìn)行。

3.2 課堂能力提升

3.2.1 平臺測試

平臺測試過程包括仿真運(yùn)行測試和實驗平臺測試，是學(xué)生自主學(xué)習(xí)和課堂指導(dǎo)學(xué)習(xí)的有機(jī)銜接，有利于教師及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)和重難點問題，便于教師督促提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。因此課堂運(yùn)行測試結(jié)果是課程考核成績的重要組成部分，在課程大綱實驗考核部分應(yīng)酌情增加分值比例。

3.2.2 難點答疑

綜合學(xué)生自學(xué)情況和運(yùn)行測試結(jié)果，通過啟發(fā)引導(dǎo)式提問，提煉主要問題，有針對性的重點分析。考慮到不同實驗項目選題，此過程以小組形式討論完成。

3.2.3 能力提升

電氣工程問題不僅涉及理論知識和工程技術(shù)，還應(yīng)考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、管理等方面的問題，因此針對同一工程問題，在基本實驗?zāi)康倪_(dá)成下，對于較高層次的學(xué)生可提出進(jìn)階要求，通過綜合應(yīng)用、問題分析等能力提升訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。

3.3 課程引導(dǎo)與監(jiān)督

在實驗教學(xué)過程中，為有效提高學(xué)生實踐操作和問題分析的能力，教師應(yīng)擔(dān)任好引導(dǎo)、輔助和監(jiān)督的角色。

因此課程管理應(yīng)貫穿于教學(xué)全過程中，對學(xué)生自學(xué)過程應(yīng)有合理的組織、引導(dǎo)、啟發(fā)和監(jiān)督，在課堂上應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生積極性和主動性，整體提升教學(xué)質(zhì)量。且在實驗考核成績中，過程考核評分應(yīng)占60%以上，在課程達(dá)成目標(biāo)評價報告中其權(quán)重分配也應(yīng)占有較大比例。

4 電力電子系列課程實驗應(yīng)用典型案例

由于逆變電路是電力電子變流電路中的典型電路，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。在本文中以“光伏并網(wǎng)逆變控制實驗”為例系統(tǒng)闡述設(shè)計性實驗方案的應(yīng)用。

4.1 學(xué)生自學(xué)引導(dǎo)過程

如表1所示為學(xué)生自學(xué)實驗的組織引導(dǎo)過程，該過程按階段完成。教師應(yīng)準(zhǔn)確把握重點和難點，及時引導(dǎo)，避免學(xué)生學(xué)習(xí)的盲目性，并按學(xué)生反饋隨時修正調(diào)節(jié)進(jìn)度和難度，保障自學(xué)效果，提升自學(xué)效率。

4.2 課堂能力提升

“光伏并網(wǎng)逆變控制實驗”的課堂教學(xué)計劃如表2所示。

4.2.1 運(yùn)行測試

本實驗的運(yùn)行測試應(yīng)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)制定，包括針對理論知識的預(yù)習(xí)問答、仿真運(yùn)行測試和實驗平臺電路測試。由于仿真運(yùn)行應(yīng)在學(xué)生自學(xué)階段完成，通過隨機(jī)提問和仿真測試結(jié)果，及時準(zhǔn)確的把握學(xué)生自學(xué)完成度。

4.2.2 組內(nèi)討論

將實驗過程分解為系統(tǒng)仿真和硬件電路設(shè)計與調(diào)試，每一階段都由小組分工、協(xié)同合作完成。在小組分工階段各學(xué)生通過自學(xué)查詢資料完成參數(shù)計算、模塊設(shè)計等子任務(wù)，在課堂上通過實驗平臺調(diào)試完成系統(tǒng)整體運(yùn)行測試。“光伏并網(wǎng)逆變控制實驗”中應(yīng)完成開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式設(shè)計和比較分析。

4.2.3 難點答疑

設(shè)計性實驗通過自行選題分組，重難點各不相同?！肮夥⒕W(wǎng)逆變控制實驗”的主要難點問題在于控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、濾波器參數(shù)設(shè)計、輸入輸出電壓電流的波形及相互關(guān)系分析。將難點問題分解到組內(nèi)討論的系統(tǒng)調(diào)試過程中，通過調(diào)試結(jié)果和波形輸出對重難點內(nèi)容針對性分析解答，能幫助學(xué)生更好的掌握和理解，提升實驗效果。

表1：自學(xué)引導(dǎo)過程

4.2.4 能力提升

現(xiàn)代電力工程包含越來越多的復(fù)雜工程問題[2]，例如光伏并網(wǎng)系統(tǒng)包含了直流變交流逆變器、濾波環(huán)節(jié)和電網(wǎng)系統(tǒng)，因此在設(shè)計系統(tǒng)方案時，對學(xué)有余力的同學(xué)，在考慮系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，還能基于場景綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會和管理等因素，提出具有創(chuàng)新特征的可行性方案。全面提升學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。實驗過程中可引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)逆變器技術(shù)規(guī)范、并網(wǎng)性能測試與評價方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。

5 結(jié)語

新工科建設(shè)對于高校本科教育培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才提出了新要求，本文基于新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)模式改革，構(gòu)建了“三類課程、三個層次、兩種方式、三項能力”的實驗改革路徑。針對電力電子系列課程開展了實驗教學(xué)改革研究。針對《電力電子學(xué)》《電力電子裝置與系統(tǒng)》《電力電子綜合課程設(shè)計》等電力電子系列的相關(guān)課程，設(shè)置基礎(chǔ)驗證性、綜合性、設(shè)計性層次依次遞進(jìn)的實驗，采用基礎(chǔ)型和開放型的實驗方式，通過完善教學(xué)大綱、轉(zhuǎn)變教學(xué)模式、建立教學(xué)反饋機(jī)制、加強(qiáng)過程引導(dǎo)監(jiān)督、采用全方位考核評價體系，全面培養(yǎng)和提升學(xué)生實踐操作能力、綜合分析能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。