新工科背景下“電力電子技術”教學改革探索與實踐

摘" 要：傳統(tǒng)電氣類專業(yè)核心課程“電力電子技術”存在教學內(nèi)容陳舊、教學模式單一和實踐教學單薄等問題，不能滿足新工科建設背景下的工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求，教學改革勢在必行。針對以上問題，文章從更新課程新內(nèi)容、融入課程新元素、采用教學新模式、實施課程新實踐和改革課程新評價五個方面實施“五位一體”的教學改革，經(jīng)過課堂教學與實踐，在工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面取得了一定的成效。

關鍵詞：新工科；電力電子技術；工程教育；教學改革與實踐

一、研究背景

“電力電子技術”是普通高等學校電氣、自動化類專業(yè)本科生必修的技術基礎課，是電力學、電子學和控制理論的交叉學科技術，在現(xiàn)代交通、航天航空、發(fā)電、醫(yī)療和工業(yè)領域應用廣泛，課程內(nèi)容具有較強的實踐性和應用性。通過課程教學，使學生掌握電力電子器件的基本特性及使用方法，理解電子電路的基本結構、工作原理和控制技術，了解電力電子技術的應用領域和發(fā)展趨勢，具備解決實際工程問題的能力和創(chuàng)新意識。

通過國內(nèi)高校的“電力電子技術”教材發(fā)現(xiàn)，研究電能變換電路的拓撲結構和工作原理之前，會先介紹電力電子的基本元件，最后涉及PWM和軟開關控制技術。而國外高校“電力電子技術”的課程教學則更加注重電力電子技術在實際工程中的應用，如感應加熱、鎮(zhèn)流器、高頻開關電源等電力電子技術在交通、工業(yè)企業(yè)和電力行業(yè)中的應用等。為了應對新一輪科技革命，支撐“中國制造2025”和服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等國家戰(zhàn)略，教育部全面推進新工科建設，國內(nèi)各高校也紛紛開展新工科專業(yè)建設，緊緊圍繞工程教育理念、人才培養(yǎng)模式、教育教學質(zhì)量和分類發(fā)展體系等開展研究與探索。［1］新工科建設要求以問題為導向、學生為中心，重構專業(yè)學科課程體系結構，將行業(yè)發(fā)展的新要求、技術發(fā)展的新成果引入相應課程，及時更新、優(yōu)化課程的教學內(nèi)容，提高專業(yè)課程的教學效果，提升工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量。［2］當前，國內(nèi)高?！半娏﹄娮蛹夹g”課程普遍存在教學時數(shù)較少、教學內(nèi)容單薄、實踐教學環(huán)節(jié)弱化、考核形式單一等問題，以湖南工程學院電氣與信息工程學院為例，理論課程學教學時數(shù)為32課時，實踐課程僅為6課時。因此，在新工科背景下對“電力電子技術”課程實施全方位的教學改革，對提高學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識、培養(yǎng)適應社會需求的工程創(chuàng)新人才具有重要意義。

二、更新課程新內(nèi)容

傳統(tǒng)“電力電子技術”課程內(nèi)容分為電力電子器件和變流技術兩個主要部分，［3］針對電氣類專業(yè)的特點，結合新工科人才培養(yǎng)的要求，側(cè)重理論聯(lián)系實際、學以致用，將課程內(nèi)容優(yōu)化為電力電子器件、電力電子變換技術、控制技術、工程應用和先進技術等五個核心知識單元。增加IGBT等全控型器件在電力電子器件單元的教學內(nèi)容比例；在電力電子變換技術單元，刪減單相、三相整流電路、分立元件整流驅(qū)動電路等內(nèi)容，詳細講解單相整流、三相全控整流、集成整流驅(qū)動、直直變換、逆變電路、交交變頻等典型電路；在控制技術單元，重點講解相位控制、新型PWM技術等內(nèi)容；在工程應用單元中，介紹電力電子技術在現(xiàn)代電力傳動、新能源發(fā)電、電源技術、電能質(zhì)量治理和柔性交流輸電等實際工程領域中的實際應用。同時，適當增加先進技術的教學內(nèi)容，如將功率電路、驅(qū)動電路、控制電路、保護電路和故障檢測電路等集成一體的智能功率模塊；矩陣式變頻器和新型PWM技術等內(nèi)容，重點突出電力電子技術在實際工程領域中的應用。

在課程教學過程中，從系統(tǒng)控制的角度出發(fā)引導和啟發(fā)學生。思考電力電子器件與其電路的基本結構、掌握其工作原理。在這些基礎上進一步學習系統(tǒng)控制方法和參數(shù)計算方法等。培養(yǎng)學生所學的“模擬電子技術”和“數(shù)字電子技術”等課程知識融會貫通的能力。一步步循序漸進，鞏固基礎學科知識，為“自動控制系統(tǒng)”等課程打下殷實基礎。

三、融入課程新元素

為了培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞男聲r代工程創(chuàng)新人才，堅持將立德樹人放在課程教學的中心位置，挖掘和整合“電力電子技術”課程體系中蘊含的思政元素，充分發(fā)揮課堂育人的主渠道作用，貫穿課程的教學設計、理論講授、實驗操作和學科競賽全過程，培養(yǎng)學生的愛國情懷、工匠精神和團隊協(xié)作精神，道德素養(yǎng)和職業(yè)素養(yǎng)，實現(xiàn)全方位育人。［4］

首先，課程教材選用國內(nèi)著名電力電子技術專家、國家級教學名師王兆安教授主編的《電力電子技術》，王教授早年留學日本獲得博士學位，學成歸國后扎根電力電子技術的科研和教育工作，成就卓著，開創(chuàng)了國內(nèi)電力電子技術的新局面，具有奉獻精神和高尚情操。其次，通過引入國內(nèi)直流輸變電技術的迅猛發(fā)展、具備完整IGBT產(chǎn)業(yè)鏈的中車電氣、進入全球TOP10的IGBT供應商嘉興斯達半導等案例，講好中國故事，增強學生的制度自信、文化自信和民族自豪感。最后，在電力電子器件章節(jié)中介紹國內(nèi)“卡脖子”技術、納微半導體現(xiàn)狀等案例，既與電力電子技術的科技前沿結合，也能了解國內(nèi)納微器件的研究現(xiàn)狀。雖然國內(nèi)納微器件的設計、制造與國外最先進的水平還存在一定的差距，但是國內(nèi)的高校、科研院所和企業(yè)積極布局，投入高性能納微器件的研發(fā)。通過引入這些案例，引導學生客觀評價現(xiàn)狀，辯證看待問題，激發(fā)學習熱情，敢為人先，努力掌握電力電子技術的關鍵核心技術，突破“卡脖子”技術。持續(xù)挖掘和開拓課程體系中的思政新元素，融入課程理論知識、實踐教學的全過程，拓展課程知識體系的深度和廣度，在潛移默化中培養(yǎng)符合社會需求的新時代創(chuàng)新工程人才。［5］

四、采用教學新模式

課程基于工程教育理念，采用案例式、討論式、探究式等多種教學方法。在工程應用核心知識單元中，以解決實際工程項目的技術問題為驅(qū)動點，如異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)、交流勵磁雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)等，通過“提出問題—設計實驗—數(shù)據(jù)分析—結論驗證”等步驟實現(xiàn)工程項目的設計和研發(fā)的整個過程。將項目開展與全國大學生電子設計競賽和“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等學科賽事緊密結合起來，引導學生根據(jù)實際工程項目的需求自選課題，成立3—4人的項目小組，根據(jù)自己的知識專長分工協(xié)作，通過查找文獻資料、項目需求分析、電路設計、程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試和設計報告編寫等環(huán)節(jié)，使學生在實際工程項目中構建完整的知識體系，實現(xiàn)理論知識向基本技能的初步轉(zhuǎn)化，同時掌握解決實際工程問題的基本方法和技術。

在電力電子變換技術、控制技術等核心知識模塊中，增強課堂師生互動，選取適當?shù)慕虒W內(nèi)容和素材，課中開展分組討論式教學。如有源逆變技術章節(jié)，引導學生溫故知新，以整流電路帶大電感負載為例，從電路的基本工作原理、控制方法等入手，討論當控制角α的變化情況，若控制角α等于90°時，電路輸出的直流電壓為零；若控制角α將繼續(xù)增大，電路輸出的電壓為負值，此時電路實際處于逆變狀態(tài)。同時，以“碳達峰”“碳中和”的目標，就能量轉(zhuǎn)換特性、節(jié)約和合理利用能源開展研討，引導學生從政府導向、低碳生活和技術發(fā)展等方面提出問題的解決方案和途徑。在先進技術知識模塊中，向?qū)W生推薦《中國電機工程學報》《高電壓技術》等專業(yè)相關的核心期刊。通過篩選綜述，閱讀電力電子技術在各個領域應用的工程實踐，對它的發(fā)展有清晰的認識，讓學生初步了解電力電子學科的研究前沿、最新發(fā)展動態(tài)和實際工程應用。

五、實施課程新實踐

“電力電子技術”課程的實踐教學是提高學生工程實踐能力、培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。［6］通過實踐教學，使學生了解常用電力電子器件及其應用，理解和掌握整流器、DC-DC變換器、逆變器、AC-AC變換器四大電力變換電路的基本結構、驅(qū)動電路和控制方法，掌握電力電子技術的實驗方法。

根據(jù)工程教育理念，實踐課程構建了“基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗”三級實踐教學機制，做到了“虛實結合”。三層次的基礎性實驗部分，實驗內(nèi)容應盡量全面，目標是幫助學生理解和掌握電路的基本原理。基礎性實驗包括四大電力變換電路及其控制方法、IGBT全控型器件、以及PWM控制技術；綜合性實驗部分，融合自動控制原理、計算機控制和電機拖動等學科課程體系相關課程的內(nèi)容；設計性實驗部分，采取團隊合作的形式，以實際工程項目、大學生電子設計競賽的產(chǎn)出為導向，包括企業(yè)調(diào)研、項目選題、方案設計、報告撰寫等內(nèi)容，充分發(fā)揮學生學習的自主性和創(chuàng)造性。教師引導學生開展分組討論、創(chuàng)新設計思路、組織項目答辯、開展成績的自評與互評等。“虛實結合”是指采用MATLAB/Simulink仿真和實物相結合的實驗模式，實物實驗課前在教學平臺上發(fā)布實驗指導書和仿真任務，要求學生課余時間利用MATLAB/Simulink軟件自主進行仿真，課中先提交電子版的軟件仿真實驗報告，然后在配套的硬件實驗平臺上獨立完成實物實驗，并分析軟件仿真和實物實驗的相關數(shù)據(jù)。通過“虛實結合”的實踐教學方式，教師可以及時了解學生對理論知識的掌握、實驗預習情況，為學生提供積極探索的時間和空間，培養(yǎng)學生對電力電子技術課程的學習興趣，強化理論與實踐的結合，提高學生工程實踐能力。

六、改革課程新評價

為了綜合評價工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量，以學生運用所學理論知識解決實際工程應用問題的能力為導向，關注課程學習的全過程，采用開放式、多角度的成果導向教育評價方式，全面評價學生的知識能力水平，持續(xù)改進教學質(zhì)量。［7］

由“平時考核—實踐操作—理論考試”三部分組成改革后的課程綜合評價，如表2所示。設計性實驗采取“學生自評、組內(nèi)互評和教師評價”的評價機制，注重理論知識、操作技能、團隊協(xié)作精神與創(chuàng)新能力，使評價結果更加真實、有效、合理。通過綜合評價體系改革，傳統(tǒng)“一張試卷定成績”的課程評價標準已經(jīng)成為歷史，學生自主學習的主動性、實踐動手能力和創(chuàng)新能力得到明顯提升。

七、結語

在新工科建設的背景下，本研究通過更新課程教學內(nèi)容、采用工程教學模式、實施多層次“虛實結合”的實踐教學、注重學習過程的成果導向教育評價方式等途徑，對“電力電子技術”課程的教學改革進行了有益的探索和實踐，激發(fā)了學生的學習熱情，提高了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識，在電力電子學科工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面取得了較好的效果。近年來，課程教學團隊完成了省級、校級教學研究改革項目3項，在《電氣電子教學學報》《中國電力教育》等相關刊物上發(fā)表教學研究論文6篇，參與省級、校級課程教學競賽榮獲一、二等獎3項，在學校歷年的年度教學質(zhì)量評估中多次獲得“優(yōu)秀”。課程教學團隊指導電氣工程、自動化專業(yè)本科生在全國大學生電子設計競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等學科賽事中取得了優(yōu)異的成績，獲得國家級一等獎4項以及省級一等獎5項。課程教學團隊指導本科生獲國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目4項、省級大學生創(chuàng)新訓練項目5項；指導本科生發(fā)表科研論文10余篇，獲授權國家實用新型專利和軟件著作權10多項。湖南工程學院電氣工程、自動化專業(yè)本科生的就業(yè)層次和就業(yè)率持續(xù)增長，近三年分別為92.86%、95.42%、97.58%，用人單位對畢業(yè)生的評價為“專業(yè)技術能力過硬、工程實踐創(chuàng)新能力強”。

參考文獻：

［1］ 鐘登華. 新工科建設的內(nèi)涵與行動［J］. 高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

［2］ 吳愛華，楊秋波，郝杰. 以“新工科”建設引領高等教育創(chuàng)新變革［J］. 高等工程教育研究，2019（01）：1-7+61.

［3］ 林健. 新工科專業(yè)課程體系改革和課程建設［J］. 高等工程教育研究，2020（01）：1-13+24.

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［5］ 王子赟，王艷，紀志成. 面向新工科的《電力電子技術》課程思政教學改革［J］. 高教學刊，2020（35）：140-143.

［6］ 林靜英，何曉瓊. “新工科”下專業(yè)課程理實融通教學探索［J］. 電氣電子教學學報，2022，44（01）：26-28.

［7］ 史敬灼. “電力電子技術”課程過程考核改革［J］. 電氣電子教學學報，2020，42（02）：52-55.

（責任編輯：楊毅恒）

基金項目：2021年湖南省普通高等學校教育改革發(fā)展研究項目“新工科背景下獨立學院《電力電子技術》項目式教學設計與應用”（項目編號：HNJG-2021-1352）；2022年湖南省普通高等學校教學改革研究項目“新工科背景下電機類課程實踐教學改革與研究”（項目編號：HNJG-2022-0246）研究成果之一。

作者簡介：顏漸德（1977—），男，博士，湖南工程學院智能科學與工程學院碩士生導師，副教授，研究方向為電機控制，嵌入式系統(tǒng)；胡慧（1979—），女，博士，湖南工程學院智能科學與工程學院教授，研究方向為智能控制與智能信息處理、風力發(fā)電控制技術；劉波（1976—），男，博士，湖南工程學院智能科學與工程學院副教授，研究方向為新能源利用、節(jié)能與能效提升；彭磊（1980—），男，碩士，湖南工程學院智能科學與工程學院實驗師，研究方向為電機設計及仿真。