“电力电子技术”课程教学改革探索

2022-09-11

“电力电子技术”课程是我国高等学校自动化、电气工程及其自动化等相关专业的专业基础课。该课程的目的是使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法, 掌握各种电力电子变换电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能, 熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标[1]。同时, 为“电力拖动自动控制系统”等后续课程打好基础。该课程具有很强的理论性和实践性, 是一科涉及电力技术、电子技术、控制技术相结合的交叉学科[1]。在传统的“填鸭式”教学模式下, 很难培养具有深厚专业基础知识, 熟悉“构思、设计、实施、运行”的产品研发过程, 具有优秀的团队合作和沟通能力的工程师, 因此, “电力电子技术”课程教学改革是信息时代发展的需求[2]。

在工程教育专业认证背景下, 结合CDIO培养目标, 根据湖南工学院自动化专业、电气工程及其自动化专业学生的特点, 进行了“电力电子技术”课程教学的改革探索, 从教学内容、教学方法、评价考核等角度进行改革。

一、教学内容设计

教学内容上, 将“电力电子技术”课程分为理论教学、实验教学、课程设计实践和工程实践四大模块。

(一) 理论教学模块

理论教学主要通过课堂讲授知识, 把整个课程分成电力电子器件、电力电子变换电路、控制技术三大块, 课时分配为48学时。其中电力电子器件是基础, 分为不可控器件 (电力二极管) 、半控型器件 (晶闸管及其派生器件) 、全控型器件 (IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等) 三大块。电力电子变换电路是核心, 可分为AD/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC四大变换电路。控制技术是手段, 可分为相位控制技术、PWM控制技术、软开关控制技术。通过理论教学的分块讲解, 引导学生将分散的知识点梳理成知识框架, 达到从整体上把握电力电子技术的知识脉络。

(二) 实验教学模块

实验教学分硬件实验和仿真实验, 学时分配为12学时。其中硬件实验在电力电子与电力传动实验台进行, 根据理论教学模块, 设置SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验、三相桥式全控整流及有源逆变电路实验、直流斩波电路的性能研究和三相交流调压电路实验, 仿真实验在MATLAB平台进行, 在进行硬件实验后, 分别对硬件实验进行软件仿真, 通过硬件实验和仿真实验, 让学生消化、理解和应用理论知识, 熟练使用仿真软件, 达到提高学生实践能力、动手能力的目的。

(三) 课程设计模块

课程设计共设置10个课题, 在MATLAB平台完成仿真, 要求学生独立完成器件选型、主电路设计、控制电路设计、保护电路设计、标准的CAD系统总图和标准的课程设计说明书, 时间为2周。课程设计模块, 单独成1学分, 学生完成任务书要求后, 由指导老师邀请电力电子技术课题组老师, 安排时间进行集中答辩。通过课程设计, 培养学生文献检索、发现问题、解决工程问题和文档编辑能力。

(四) 工程实践模块

学生完成上述三个模块的学习后, 根据应用型本科院校对学生应用知识能力的要求和自动化、电气工程及其自动化专业学生的特点, 安排自动化学生进入湖南邵峰南方水泥有限公司, 由专业技术人员结合该公司的开关电源、无功补偿等电力电子装置, 进行现场操作和设计;安排电气工程及其自动化学生进入大唐华银电力股份有限公司, 由企业人员根据电能的产生、传输、存储、变换、控制的各个环节, 结合电力电子技术的应用进行专业知识分享与讲解。通过工程实践训练, 学生了解了电力电子技术的工程实际应用, 巩固了理论知识, 为学生今后就业打下了良好的基础。

二、教学方法改进

课堂教学多以多媒体的形式呈现内容, 配合逼真的仿真动画, 完成理论教学。每次课的教学内容, 要求学生提前在中国大学MOOC、学堂在线、爱课程等APP平台, 观看电力电子技术相关章节的视频, 预习相应的课本知识。对于理论课中复杂的波形, 通过MATALB软件进行仿真, 避免手绘波形占用课堂时间。在完成电力电子器件理论教学后, 结合课程设计任务书, 在理论课堂解析任务书, 对任务书的每个难点及易出错点进行讲解。在课堂最后5分钟给学生留一些通过知网查阅相关文献, MATLAB仿真即可解决的知识延伸问题。教学中, 穿插一些工程案例, 如日常生活中最常见的手机充电器, 使用的是什么变换技术, 工作原理如何, 如何缩短充电器的充电时间, 实现“充电5分钟, 通话2小时”的神奇成绩, 再从充电器到充电宝引申出逆变和组合电路等。

三、评价考核

学生的学习效果由过程考核和结果考核组成, 其中过程考核主要考察学生课堂表现和实验表现, 对学生学习态度、团队协助、操作能力等能力进行评价。结果考核, 主要考察学生课后作业和试卷答题情况, 课后作业以工程实际应用题为主, 课后习题为辅, 考察学生查阅文献资料, MATLAB仿真等分析问题和解决问题的能力。考试试卷, 设计“理论知识+工程应用题”的新型试卷, 全面考核学生理论知识和应用知识的能力。

四、结束语

本文在工程教育专业认证背景下, 结合CDIO培养目标, 通过“电力电子技术”课程在教学内容、教学方法和评价考核等方面的探索性改革, 学生学习积极性明显提高, 有效地提高了分析问题、解决问题的能力, 取得了较好的教学效果。

摘要：针对当前湖南工学院电力电子技术课程教学现状, 根据本校应用型本科人才培养定位, 依托工程教育专业认证背景, 结合CDIO培养目标, 从教学内容、教学方法、评价考核等角度对“电力电子技术”课程进行了探索性改革, 学生学习积极性明显提高, 有效地提高了学生分析问题、解决问题的能力, 取得了较好的教学效果。

关键词：电力电子技术,工程教育专业认证,教学改革