“电力电子技术”实践性教学体系的建设与实践

孙铁成,杨 华,吕瑞丰,李久胜,王明彦

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

电力电子技术从上世纪中叶诞生后,经过半个世纪的发展,已经形成较为完整的学科体系和理论,成为相对独立的学科[1]。“电力电子技术”实践性教学环节是学生在电能变换理论与方法学习的基础上,进一步掌握电力电子器件对电能进行变换和控制的技术[2]。是培养学生根据工程要求正确选用电力电子器件的能力,对典型电能变换电路的分析、计算能力,基本电能变换电路的调试能力[3,4]。运用基本概念和基本实验技能,根据工程背景对电能变换电路要求进行分析与设计能力的训练[5]。通过实践性教学环节的教学过程,可以使学生在掌握电力电子技术实验技能与方法的同时,跟踪并了解电力电子器件及其控制技术发展的最新动态与趋势,为从事电气工程学科的工程设计和工程应用奠定基础。

1 教学理念

哈尔滨工业大学是一所研究性大学,在研究性大学的教学应以培养研究型人才为目的,过去沿袭下来的传统教学方法已不能够适应创新型人才培养的需要,因此寻找一种适合于研究性大学的教学改革思路是十分必要的。我们经过多年的探索和实践,逐渐形成了一套系统、完善、先进的,适合于研究型人才培养的电力电子技术基础实验教学理念。该教学理念可概括为一个中心,两个途径,三个层次,三个转变。“一个中心”是指在实验教学中以培养学生动手能力、研究和创新能力为中心;“两个途径”是指学生获得知识的途径除了从课堂教学由教师传授以外,还从实验教学由自己独立学习一些知识点,培养学生的综合能力和自学能力;“三个层次”是指实验教学体系包括验证型实验、设计型实验和研究型实验三个递进的层次;“三个转变”是指教学实验内容从以验证为主到分析、研究与自我验证相结合的转变,从以原理分析波形观测为主到原理分析、理论设计与工程应用相结合的转变,实验平台的组成从以实验装置为主到硬件实验与仿真实验相结合的转变。

2 教学方法

(1)加强实践性教学改革

传统的实验方法,是理论课程所属下的实验课程,这些实验课程基本是验证性实验。这样一来,无论从实验课程内容、实验方法,都是无法扩展到理论课程以外所涉及的知识。学生做实验时是被动完成实验内容,验证理论正确性即可。这样的实验,无法适应对学生的工程实践能力和综合能力的提高。基于上述理由,我们把“电力电子技术”基础实验,采取了如下措施:

这门课程共有7个实验内容,其中验证型实验3个,综合设计型实验2个,研究型实验2个。其实验内容顺序为先做验证型实验,再做综合设计型实验,最后做研究型实验。在实验完成以后,安排学生用一周时间完成课程设计。实验中设置3个验证型实验主要是要求学生完成“电力电子技术”中的几种典型电路如何实现电能变换,这些电能变换电路的基本特点及基本规律,旨在帮助学生掌握基本的实验技能与方法,培养以实验为基础的分析问题、解决问题和独立思考的能力,为综合设计型实验、设计型实验的进行打下了良好的基础。在验证型实验进行的过程中,我们选择了一些具有较高实用价值、能够反映该学科的最新发展的题目作为综合设计型实验设计内容。例如SPWM发生器是交流调速中是控制核心,实验教师就对于SPWM发生器提出设计该电路的各项要求。要求的内容有:实验内容、基本原理、电路综合设计,以及如何与变换器构成交流调速系统等。学生根据实验内容自行决定实验步骤,设计出完整的方案。为了保证设计的一致性、正确性,又布置了与综合实验有关的思考题,要求每位同学独立完成,并且对布置的内容有完成任务的时间表。学生为了完成设计任务,首先要完成思考题,学生根据综合实验的要求,自行设计实验方案。实验教师根据学生的设计方案,并且加以引导,最后统一到一个最优的设计方案。对最后确定的设计方案进行焊板、调试、实验。根据实验结果写出具有综合设计型内容的实验报告。通过上述实验过程,学生由原来的被动实验变成了主动参与,实验室成为他们实践锻炼的场所。此做法受到了学生的好评。

(2)采用计算机仿真手段实现研究性学习

为了培养研究型人才,支持和鼓励学生开展研究性学习。在“电力电子技术”基础教学过程中,由于受到学时数限制,课堂上只重点讲解分析方法和典型电路,其它一些电路的分析和研究要求学生通过实验环节来掌握。我们将“电力电子电路”的计算机仿真引进到教学中来,作为支持学习和研究的有力技术手段。实验6、实验7均是在计算机上利用PSPICE或MAT LAB软件进行电路仿真。仿真实验给学生提供一个虚拟的实验环境,即可解决实验设备功能和数量不足的困难,又具有高效、高精度、高经济性、高可靠性和方便灵活等诸多优点。运用仿真实验的工具,学生可以根据研究的重点或实际需要,抓住其本质或主要矛盾,对实际对象进行简化和提炼,加强了对所学知识的理解。所安排电路仿真内容,既有典型电路,也有电力电子技术的前沿变换技术,另外还有我们教师科研课题中具有代表性、启发性的变换电路。学生运用计算机仿真的手段完成电路仿真和对变换电路深入学习。这样即可有效地强化对课堂教学内容的理解,又为今后从事科学研究奠定必要的基础。

(3)通过课程设计的手段训练工程实践能力

与课堂教学相配合的验证性实验,目的是使学生通过这些基本实验,深入理解基本电能变换电路拓扑结构和工作原理,受到本门课应有的基本实验技能的训练。验证性实验依托的标准化的实验平台,安全、方便管理,但学生动手搭建、调试电路的机会少,限制了动手能力和创新能力的培养。为了弥补这个不足,我们增设了课程设计教学环节。我们选择了一些具有较高实用价值、能够反映该学科的最新发展的题目作为课程设计的内容。在课程设计中,学生首先通过查阅资料进行电路设计,然后完成实验电路的搭建和调试,并进行深层次分析和研究。通过课程设计训练工程实践能力的同时,还可使学生了解新技术的发展动态,同时对本课程的应用领域、可以解决的问题有了更直观、更感性的认识。我们对参加过课程设计的学生进行了问卷调查,在谈到课程设计的主要收获时,同学们普遍认为:通过课程设计,不仅对理论知识有了更深入的了解,还学到了很多课堂无法学到的内容;主要收获是动手能力和调试能力得到加强。为了提供良好的实验条件,我们开发了“PWM开关型变换器”,作为“电力电子技术课程设计”的硬件平台。该实验平台已于2008年通过了学校鉴定,鉴定委员会认为:实验平台设计思想先进,通用性强、可靠性高、性价比高,弥补了国内工科院校中“电力电子技术课程设计”实验装置方面的短缺,在工科院校中具有很高的推广应用价值。

(4)通过创新研修项目培养学生创造能力

在完成上述实验后,部分能力较强、兴趣较高的学生还可选择创新性研究专题。这些研究专题能够提供给学生独立思考、自选方案的机会,拓展学生自我发挥、自主创新的空间,同时培养学生通过自学获取知识的能力。研究性实验是开展创新性研究专题的重要手段,为了给创新性研究专题提供硬件实验平台,近年来我们研制了“全桥移相零电压DC-DC变换器”及“交流变频调速系统”等2类实验装置,为学有余力的学生提供了培养和锻炼创新能力的实验平台。

3 考试方法改革

实践性考核不同与课堂理论课程的考试,实践性考核应考核学生的动手能力,解决问题能力。我们在考试和实验管理等方面采取了有效的教改措施。

(1)实验课采用累加式考核方式。对于学生的出勤情况、实验表现、实验技能及设备仪器使用熟练程度、是否独立完成、实验过程中回答教师的问题、实验报告质量等内容进行考核。

(2)实验单独设课,独立考核。加强了实验管理,提高了同学们对实验的重视程度。

(3)课程设计期间,实验室全天开放,同学们可以根据自己的空余时间和设计进度充分、合理地利用实验室的资源,更圆满地完成设计任务。

4 加强实践性教学环节措施

(1)建立了面向研究型人才培养的实验教学体系

由于本课程的实践性较强,所以在教学方法的改革上,我们重点放在学生能力的培养上,如何构建课程的实验教学体系一直是课程建设的重点问题。课程的教学团队以培养学生的设计能力、创新精神和创新能力为目标,在实践教学方面开展了一系列的教学研究。建立了适用于电力电子技术基础实验课程的研究性实验教学体系。它打破了传统的以验证性实验为主的实验教学模式,构建了适合于培养学生创新能力的,由验证性、设计性和研究性实验有机结合的“三层次”实验教学体系。该实验教学体系实施以来,学生参与实验的积极性、主动性大大提高,设计、研究和解决问题的能力得到了大幅提升,为以后的研究工作打下良好基础。例如,在创新研究专题中,通过研究性实验使学生的设计能力和创新能力大为提高。在这些创新研究专题基础上,有多篇本科毕业设计论文获得了学校本科优秀毕业论文奖。

(2)把教师的科研经验与成果引入实验教学

课程组的几名教师都具有多年从事科研的丰富经验,有的教师的科研成果获得了省、部级奖励。因此,把教师的科研工作经验和科研成果引入到本科教学,努力使本科的教学过程带有研究性质,保持教学内容的先进性,使学生在本科学习阶段就接触到学科前沿、学习到本学科的新技术、新方法和新知识是培养创新型人才的有效途径。

(3)开展实验教学研究,提高实验教师业务水平

实验教学研究是提高实验室整体水平的重要途径。实验教学研究通过在学校的立项,获得学校资金的支持,提高了实验教师的业务水平,增加了实验中心的实验设备,学生的实验条件得到了改善。实验教学研究应把握课程的发展趋势及课程的改革方向,注重实验课程设置的高起点,注重课堂教学与实验教学的关系、各门实验课程的相互关系,重视实验教师与实验资源的合理使用。同时应注重教学研究成果的推广。

5 结语

电力电子技术实践性教学环节是电气工程及其自动化专业学生培养的重要环节。教学组的全体教师经过多年的辛勤努力,尤其是近几年的深入、全面的教学探索与实践,在教学改革、实验建设等方面取得了显著的成果。教学组提出了适合于研究型大学的一个中心,两个途径,三个层次,三个转变的教学指导思想。其本质是以培养学生研究能力为目标,采用多种有效的理论教学和实验教学手段来促进学生有效学习。在实验教学方面,构建了先进的实验教学体系。该体系的实施,体现了因材施教,个性化发展的原则,适合于培养学生通过实践进行分析和研究以及创新的能力。教学组自行开发研制了一批设计思想先进、推广价值高的实验装置,有力地配合了研究性教学体系的建立和教学活动的开展。该实验教学体系实施以来,学生参与实验的积极性、主动性大大提高,设计、研究和解决问题的能力得到了大幅提升,为以后从事研究工作打下良好的基础。教学组在课程建设方面发表多篇有参考价值的教学研究论文。教学改革和实验研究项目先后获得省、学校的多项奖励

[1]许春雨.电力电子技术课程的教学与实践,第六届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集,2009年8月,哈尔滨:330-336

[2]王泽中,王兆安.电气工程专业工程教育专业认证进展,第五届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集,2009年8月,西安:1-7

[3]李久胜,王明彦等.“电力电子基础”课程的研究导向型教学设计,电气电子教学学报,2008(5):84-86

[4]王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).机械工业出版社,2001年

[5]杨泽斌,孙玉坤,谭伦农.电气工程及其自动化专业实践教学的探索与思考[J].电气电子教学学报,2007(1):69-71