專業(yè)認(rèn)證背景下電力電子技術(shù)實驗教學(xué)改革探索*

嚴(yán)慧敏 楊天燁

摘? 要? 以專業(yè)認(rèn)證對創(chuàng)新型人才與復(fù)合型人才培養(yǎng)的要求為目標(biāo)，基于新購置的電力電子實驗平臺，采用仿真技術(shù)與模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行電力電子技術(shù)實驗教學(xué)改革。通過仿真模型搭建、仿真參數(shù)設(shè)置、軟件編程在線測試，將課程內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，滿足線上線下教學(xué)要求，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；在綜合考慮影響實驗考核各因素及其權(quán)重的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，建立實驗考核模型，有效激發(fā)學(xué)生的實驗積極性，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成。

關(guān)鍵詞? 專業(yè)認(rèn)證；電力電子技術(shù)；實驗教學(xué)；模糊綜合評價；教學(xué)改革；仿真實驗

中圖分類號：G642.423? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0135-05

0? 引言

電力電子技術(shù)是電氣類和自動化類專業(yè)的核心課程，理論性、綜合性、應(yīng)用性強，是橫跨電子學(xué)、電力學(xué)、控制學(xué)的交叉學(xué)科[1]。電力電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)直流輸電、新能源發(fā)電等領(lǐng)域，滲透科技、國防、經(jīng)濟(jì)、生活等各個領(lǐng)域。實驗教學(xué)是理論教學(xué)的補充與提高，可以讓學(xué)生加深理解理論知識，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[2-5]。

專業(yè)認(rèn)證是河海大學(xué)自動化及電氣專業(yè)建設(shè)迎來的重大發(fā)展機遇。以認(rèn)證促改革，修訂培養(yǎng)計劃及教學(xué)大綱，進(jìn)一步規(guī)范專業(yè)人才培養(yǎng)體系和各教學(xué)環(huán)節(jié)，使專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量保證體系符合國際互認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。通過專業(yè)認(rèn)證，為本專業(yè)的國際影響力奠定基礎(chǔ)。2020年初新冠疫情暴發(fā)，學(xué)校要求在防控期間一律采取線上教學(xué)。學(xué)校有不少國外留學(xué)生，考慮到國外的防控情況，留學(xué)生一律采用線上教學(xué)的方式完成學(xué)習(xí)任務(wù)。因此，基于專業(yè)認(rèn)證要求，防控時期線上線下教學(xué)呈現(xiàn)常態(tài)化，教師要做好線上線下授課的雙重準(zhǔn)備。

1? 實驗教學(xué)現(xiàn)狀

教師上實驗課時首先講解實驗過程及實驗中的注意事項，學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書完成實驗內(nèi)容。這種模式存在以下弊端：

1）實驗按實驗指導(dǎo)書的要求完成，一般為驗證性實驗，創(chuàng)新能力培養(yǎng)不夠；

2）電力電子實驗由于電壓較高，對實驗操作過程的正確性要求很高，雖然實驗前強調(diào)了注意事項，但仍存在器件損壞現(xiàn)象；

3）實驗現(xiàn)場時間有限，教師不能科學(xué)合理考核每個學(xué)生的實踐能力，很難提高學(xué)生積極性。

2020年，河海大學(xué)電力電子實驗室在“中央高校改善辦學(xué)條件專項資金”支持下，購置MCL-III電力電子及電氣傳動實驗裝置，每臺實驗裝置均配一臺電腦，實驗條件得到較大改善。該實驗系統(tǒng)使用幾個大型開發(fā)設(shè)計軟件，主要有MATLAB、LabVIEW 8.5和CCS3.3，由這些軟件共同參與實驗的運行。如在MATLAB的Simulink獨特的模型文件的支持下，能夠構(gòu)建多種電路的仿真實驗。實驗者可以根據(jù)自己對系統(tǒng)和編程的理解，修改原有提供的MDL模型文件或建立新的MDL文件，實現(xiàn)新的算法和思路。

2? 實驗教學(xué)改革探索

2.1? 實驗內(nèi)容改革

為了滿足專業(yè)認(rèn)證中畢業(yè)指標(biāo)點及線上線下的教學(xué)要求，電力電子技術(shù)實驗在原來的基礎(chǔ)上開發(fā)了仿真實驗。通過搭建仿真電路能直觀地觀察輸出結(jié)果，通過調(diào)試器件的不同參數(shù)，可動態(tài)觀察實驗結(jié)果。仿真實驗可滿足線上線下教學(xué)的要求，學(xué)生可以在實驗室完成實驗，也可以在家完成實驗，增強實驗的靈活性及機動性。另外，錄制實驗視頻，詳細(xì)介紹實驗的方法、內(nèi)容及仿真電路的搭建等相關(guān)事項，為學(xué)生線上實驗提供支撐。

2.1.1? 基于MATLAB/Simulink的仿真電路（以三相橋式全控整流電路為例）

三相橋式全控整流電路中，陰極連接在一起的三個可控硅（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組，陽極連接在一起的三個可控硅（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。每個時刻由一個共陰極組可控硅和一個共陽極組可控硅同時導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路。可控硅導(dǎo)通順序為VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，觸發(fā)脈沖相位依次差60°。帶電阻負(fù)載工作時，各自然換向點既是相電壓的交點，也是線電壓的交點。三相橋式全控整流Simulink仿真電路如圖1所示，設(shè)置元件的仿真參數(shù)，進(jìn)行實驗電路仿真，修改仿真參數(shù)，直到輸出滿意的仿真結(jié)果。

2.1.2? 仿真實驗結(jié)果及分析

波形圖從上到下分別是輸入測交流電壓波形、可控硅的電壓電流波形、負(fù)載測電壓電流波形，其中黃色為電流波形，藍(lán)色為電壓波形（本刊電子版可見）。圖2、圖3分別是觸發(fā)角為30°、60°時三相橋式全控整流電路的仿真結(jié)果，由仿真圖可知，線上的仿真實驗和線下的實驗室操作達(dá)到同樣的實驗效果。

2.2? 實驗考核的提升

為了客觀、全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，了解教師是否達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果，采用模糊綜合評價法[6-7]評定學(xué)生的實驗成績。模糊綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價。首先由評議者給出每項評價指標(biāo)因素及權(quán)重，得到模糊評判矩陣，由模糊評判矩陣計算出權(quán)重向量，再用模糊矩陣的合成運算求得綜合評價的標(biāo)準(zhǔn)化模糊向量，對歸一化處理后的向量按照等級分值求出定量結(jié)果。

2.2.1? 模糊綜合評價指標(biāo)體系

科學(xué)評判體系的建立有利于調(diào)動學(xué)生的實驗熱情，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，在綜合考慮影響實驗考核眾多因素的情況下，結(jié)合專業(yè)認(rèn)證要求建立綜合評價指標(biāo)體系，如表1所示。

學(xué)生線下實驗成績主要由平時成績、實驗操作、實驗報告組成：平時成績由課堂紀(jì)律遵守情況、預(yù)習(xí)報告書寫情況、實驗提問回答情況、實驗態(tài)度組成；實驗操作由實驗設(shè)備使用情況、實驗數(shù)據(jù)測量及記錄情況、實驗工作臺整理情況、軟件開發(fā)能力及創(chuàng)新能力組成；實驗報告由實驗報告提交情況、實驗數(shù)據(jù)處理情況、實驗結(jié)論、實驗思考題完成情況組成。

線上實驗通過教學(xué)平臺、QQ群或微信群進(jìn)行實時教學(xué)互動，平時成績由上線情況、回答實驗提問情況、預(yù)習(xí)報告書寫情況、線上互動情況組成；實驗操作由搭建仿真電路情況、實驗數(shù)據(jù)測量及記錄情況、仿真軟件掌握情況、軟件開發(fā)能力及創(chuàng)新能力組成；實驗報告線上、線下統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2? 學(xué)生成績評定? 模糊綜合評價步驟為：

1）確定一級指標(biāo)因素及權(quán)重；

2）確定二級指標(biāo)因素及權(quán)重；

3）確定某學(xué)生的成績評定情況（表2）；

4）求出學(xué)生一級指標(biāo)的評判矩陣及一級評判向量；

5）求出二級指標(biāo)的決策矩陣及二級綜合評判模糊向量，得到最終的成績評定結(jié)果。

根據(jù)表2可得到該學(xué)生一級指標(biāo)的評判矩陣分別為：

模糊綜合評判向量Bi=Ai*Ri（Ai為相應(yīng)的權(quán)重集，Ri為單因素評判矩陣），得到一級評判向量分別為：

從而得到二級決策矩陣為：

根據(jù)Bi=Ai*Ri，求得二級綜合評判模糊向量為B=[0.225? 0.568? 0.175? 0.032? 0]，0.568（良）數(shù)值最大，按照最大隸屬度法，故該生的最終成績?yōu)椤傲肌薄Ｈ魧⒆罱K成績換算成百分制，則令V=

[優(yōu) 良 中 及格 不及格]=[95 85 75 65 55]。

計算出該生的分?jǐn)?shù)為：

根據(jù)四舍五入原則，最終實驗成績?yōu)?5分。

3? 結(jié)論

實驗教學(xué)改革滿足了專業(yè)認(rèn)證及線上線下（特別是國外留學(xué)生）的實驗教學(xué)要求，實驗效果得到明顯改善。實驗考核的精細(xì)化激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。只有不斷探索教學(xué)改革之路，才能滿足21世紀(jì)社會對創(chuàng)新型、復(fù)合型人才培養(yǎng)的需要。

參考文獻(xiàn)

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*基金項目：2020年度中央高校改善辦學(xué)條件專項資金項目“電力電子及電氣傳動教學(xué)實驗更新項目”（AH20200008）。

作者：嚴(yán)慧敏，河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，高級實驗師，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制技術(shù)、實驗技術(shù)研究；楊天燁，河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制研究（211100）。