基于電力電子技術的進階式工程能力訓練體系構建

摘 要 隨著新工科和一流課程建設的不斷深入，提高工程教育質量，培養專業知識扎實、工程實踐經驗豐富、創新思維活躍的新工科人才，對課程教學提出了新的要求。文章針對電力電子技術課程在實踐教學中存在的問題，在課程實驗的基礎上，增加分組調研和仿真實驗教學，持續開展課外實踐活動，實現全方位立體化的工程能力訓練。實踐結果表明，學生的學習熱情和自主學習能力顯著提高，工程實踐能力和創新能力得到提升。

關鍵詞 新工科；電力電子技術；工程能力訓練

中圖分類號：G642 " " " " 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.01.022

Construction of Advanced Engineering Capability Training System

Based on Power Electronics Technology

YANG Lingling， TANG Xiongmin

（School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510006）

Abstract With the continuous deepening of new engineering and first-class curriculum construction， improving the quality of engineering education， cultivating new engineering talents with solid professional knowledge， rich engineering practice experience， and active innovative thinking， new requirements have been put forward for curriculum teaching. The article addresses the problems in practical teaching of power electronics technology courses. Based on course experiments， group research and simulation experiments are added， and extracurricular practical activities are continuously carried out to achieve comprehensive and three-dimensional engineering ability training. The practical results show that students' learning enthusiasm and self-learning ability have significantly improved， and their engineering practice ability and innovation ability have been enhanced.

Keywords new engineering; power electronics technology; engineering ability training

新工科建設是我國工程教育主動應對新一輪科技革命與產業變革的戰略行動[1]。新工科以立德樹人為引領[2]，培養理想信念堅定，實踐經驗豐富的工科人才[3]。隨著新工科建設的不斷深入，更加強調培養學生解決復雜實際工程問題的實踐能力和創新能力[4]。

電力電子技術是自動化專業和電氣工程專業的必修課，培養學生將理論知識轉化為工程實踐的能力是教學過程中的關鍵環節之一[5]。在課程建設中，如何深化工程思維能力和實踐能力訓練，培養學生的創新意識和創新能力，是課程組教師應持續思考、不斷實踐并反復改進的方向。

1 實踐教學中存在的問題

電力電子技術由電力學、電子學、控制理論三大學科復合交叉而成，是采用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，應用非常廣泛。電力電子技術是一門理論和實踐緊密結合的課程，除了具有嚴謹的理論知識體系外，還具有很強的工程實用性，課程學習中需要學生投入大量的時間和精力。由于課程內容難度較大，學生對課程內容的理解往往不夠深入，導致其在實踐中仍存在諸多問題。

1.1 學生學習意愿不足，學習動力不強

很多學生僅滿足于完成課程要求的實驗內容，按照實驗指導書記錄的參數波形和數值完成實驗報告。學生未能全面構建自己的知識體系，缺乏對課程實驗綜合性和工程實用性的理解。

1.2 實驗教學的作用有限

實驗教學要與理論教學相配合，所以課程實驗安排的均是經典電力變換電路實驗，要求學生按照實驗指導書接線，完成相關參數檢測，驗證電力電子技術理論的正確性。由于教學實驗設備的功能基本固定，新實驗和設計實驗難以拓展實施，學生也無法將新技術應用于課程實驗，割裂了理論與實驗的密切聯系，課程的工程實用性難以體現。

1.3 實踐教學缺少延續性，難以形成完整的實踐能力訓練體系

電力電子技術與前后課程的關系緊密，但由于專業基礎課和專業課程的學時壓縮，相關知識點略講或不講，導致學生存在一定的知識“盲區”。各門課程各自為政，對重合的知識點缺少統一的規劃，因此知識體系間的銜接出現斷裂。學生在實踐中難以將相關課程內容進行有效銜接。

1.4 實驗評價體系有待改進

課程實驗部分的評價包括實驗表現和實驗報告。很多學生過分追求實驗進度，不愿意花時間進行深入思考和分析。實驗報告的區分度不大，很難體現出學生的工作量以及對問題的分析能力。

2 進階式工程能力訓練體系構建

進階式工程能力訓練體系見圖1。其中分組調研階段和虛擬仿真階段與課程同步進行；課外實踐階段與課程同步開始并持續進行；進階訓練階段是課外實踐環節的延續，包括學科競賽、科研項目，可持續至畢業設計。

2.1 分組調研

電力電子技術是研究電能的技術，應用領域非常廣泛。在課程的緒論部分，通常會介紹電力電子技術的發展歷程和應用領域。因此，教師可在學期初布置調研任務，要求學生分組調研電力電子技術在新能源發電、直流輸電、電動汽車、軌道交通、工業生產、航空航天、高頻開關電源等領域中的應用，并分析具體應用中涉及的技術問題。

由于學生初次接觸本課程，缺少對電力電子技術相關內容的了解，需要教師指導學生開展調研。得益于線上教學的廣泛開展，教師和學生之間的交流渠道日益增多。課程組使用智慧樹教學平臺，建設了“電力電子技術”線上課程；課堂教學采用雨課堂，及時發布課件、作業和相關學習資料。借助各種網絡教學工具，師生之間的交流可以實時進行，教學指導更具個性化。

通過查閱、分析和總結相關文獻資料，學生可全面了解電力電子技術的需求和新進展，明確電力電子技術在國民經濟生活中的地位，增強課程學習的意愿和自覺性。在新能源發電、直流輸電、電動汽車、軌道交通、航空航天等領域，我國的電力電子技術處于世界領先行列，甚至引領技術發展。調研過程能夠充分激發學生的愛國熱情、民族自信心和自豪感。

2.2 虛擬仿真

通過課程調研，學生了解了電力電子技術在各個領域的研究現狀，從理論層面分析了具體應用中所涉及的技術問題。電力電子技術是一門理論與實踐緊密結合的課程，所以課程調研不能止步于理論分析，教師需要指導學生在課程調研的基礎上展開虛擬仿真實驗。

虛擬仿真由學習環節和實踐環節兩個環節組成。作為課程實驗的有益補充，虛擬仿真在實踐教學體系中具有重要的作用。課程組非常重視虛擬仿真實驗教學，完成了教材中典型例題和習題的仿真程序，在教學平臺中設計了虛擬仿真實驗，并配套教學視頻。

在學習環節，學生在教學視頻的指導下，自主學習Matlab/Simulink軟件，熟悉相關工具箱模塊和編程工具，選擇在線教學平臺中的虛擬仿真實驗進行學習。

在實踐環節，各個小組選擇調研內容中的一個實例，分析比較各種方案的優缺點，明確系統結構。根據具體的設計要求和性能指標確定設計方案，利用Matlab設計仿真單元電路，構建系統模型，完成整體電路的仿真調試。仿真實驗可搭建模型、編程、分析數據、修改參數等，為學生提供反復實驗的機會，既適應于工程應用又能滿足科研探索的需求，有助于培養學生分析和解決復雜工程問題的能力。仿真實驗可幫助學生深入學習電力電子領域的新技術，對課程實驗進行拓展設計，是課程實驗的有益補充。

2.3 課外實踐

由于課內學時有限，開展課外實踐活動可以提高學生的系統設計能力和工程實踐能力。學有余力的學生，可以嘗試實際電路的設計，制作PCB板，焊接組裝各種元器件、開展測試實驗，并將實物的測試結果與仿真結果進行對比，分析問題并排除故障和干擾因素?？偨Y設計過程中出現的問題和解決方法，提出改進方案。例如，在無人機飛行控制系統的實踐過程中，學生設計了基于IGBT的電機控制回路，設計過程中需要統籌考慮供電模塊、IGBT的電壓等級、管壓降和工作特性以及電機型號。學生需要經過資料查找、多方論證、小組討論和反復試驗，才能最終確定控制電路設計方案。在設計過程中，學生自主學習關于IGBT的相關知識，并融合電路、模擬電子技術、數字電子技術等相關內容，達到知識融會貫通、實踐能力提升的目的。

2.4 學科競賽或畢業設計進階

在虛擬仿真和課外實踐的基礎上，進一步拓展小組選題的深度和廣度，聚焦控制系統結構設計和先進控制方法研究，教師持續指導課外實踐活動，不斷優化選題內容，逐步升級為學科競賽或畢業設計的研究內容。例如，在全國大學生電子設計競賽中，有不少與電力電子技術相關的題目，如：2024年的AC―AC變換電路并聯運行，2023年的單相逆變器并聯運行系統，2021年的三相AC―DC變換電路和三端口DC―DC變換器等。學科競賽為學生提供了鍛煉綜合實踐能力的機會，有助于培養學生的系統思維和創新思維。教師通過指導學科競賽，把大賽的經驗用于教學實踐，可有效提升教學能力和教學水平。

借助課外實踐活動，建立課程教學與學科競賽、畢業設計之間的連接，有了前期的工程實踐基礎，學生可更專注于系統結構和控制策略的研究。

在課外實踐活動的基礎上，課程組教師指導學生完成了單相并網逆變器、三相逆變器并網控制、儲能雙向變流器、大功率直流變換器、高壓直流輸電系統建模、柔性直流輸電控制、風電柔直并網系統、智能充電樁系統、電動汽車充電優化管理、列車牽引系統接觸器故障診斷、永磁同步電機的矢量控制、雙饋風機系統等畢業設計課題，實現了從課程教學到畢業設計的貫通，驗證了進階式工程能力訓練體系的可行性和有效性。

2.5 考核評價體系的改革措施

在工程能力訓練過程中，注重過程管理、強化能力考核。在課程實驗中，鼓勵學生自主思考和探索。在小組調研和項目設計過程中，增加小組成員的分工任務和貢獻率，加強區分度。教師注意做好日常指導記錄，加強過程評價；在小組展示和答辯環節，設計能力測試的相關問題；采取靈活的考核方式，給出合理的評價。由于課外實踐活動屬于探索性實踐，所以不能以最后的實驗結果作為唯一的評價指標。自主查閱文獻資料、分析比較多種設計方案、實驗過程中問題的分析和解決等都應納入評價體系，從而達到能力考核的目的。

3 結語

課程組針對電力電子技術實踐教學中存在的問題，構建進階式工程能力訓練體系，強化對學生工程實踐能力和創新能力的訓練。實踐證明，采用小組討論的方式調研電力電子技術的應用，增強了學生對電力電子技術課程的學習興趣，仿真教學實現了理論分析與工程實踐的有效融合，課外實踐活動加強了對學生工程思維能力和工程實踐能力的訓練，學生參加各類競賽和創新項目的人數大幅增加，工程實踐能力和創新能力顯著提升。在畢業設計課題中，除直流交流電機控制之外，關于新能源汽車、風力發電、光伏發電等方面的題目也大幅增加，表明進階式工程能力訓練體系能夠幫助學生將不同課程間的知識體系進行有效銜接，強化了實踐教學的延續性。

★基金項目：教育部高等學校自動化類專業教學指導委員會教育教學改革研究課題（2024047）；廣東工業大學本科教學工程項目（廣工大教字[2024]75號）。

參考文獻

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