工科电力电子技术课程的教学改革与实践探索

高晗璎 李文娟 刘端增 周美兰 周永勤 金宁治哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 黑龙江哈尔滨 150080



工科电力电子技术课程的教学改革与实践探索

高晗璎 李文娟 刘端增 周美兰 周永勤 金宁治
哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 黑龙江哈尔滨 150080

摘 要：在总结多年从事本科电力电子技术课程教学的基础上，深入分析了该课程在教学过程中存在的诸多问题，如课堂与实验教学效果不理想，学生的实际动手能力不强，理论与实践严重脱节等。同时，深入地论述了该课程的理论教学和实验教学如何进行改革探索，以更好地启发学生思维，激发学生的学习兴趣，培养学生分析、综合以及应用的能力。

关键词：电力电子；探索；实践能力

电力电子技术是对电能进行控制和变换的技术，虽起步较晚，但发展十分迅速，目前已在工业生产和社会生活中得到了广泛应用[1]。电力电子技术涉及电力工程、电子信息、计算机等多领域的新兴技术，是电气相关专业学生的必修课程。该课程的特点是教学难度大，而目前的教学内容、教学方法和实验方法凸显出很多的弊端，已不能满足当前社会对人才培养的要求，因此，我们对电力电子技术课程的课堂教学和实验教学进行了大胆改革和尝试，并收到了较好的效果[2]。

1 电力电子技术课程的教学与实践的现状

电力电子技术课程涉及电路、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理等前期课程，对这些相关课程的掌握程度都将直接影响到电力电子技术这门课的学习效果，因此教学难度较大[3]。同时，该领域还在不断地出现更多的新器件、新方法，因此，如何使学生既能全面掌握电力电子技术的基本内容，又能兼顾其发展前沿，成为授课教师普遍面对的问题。

目前，各工科院校在电力电子技术课程的课堂教学和实验教学环节中普遍存在以下不足。

1.1 教材老化、内容与实际脱节

目前，电力电子技术课程的教材内容包括电力电子器件、变流技术、PWM技术，教材以晶闸管为主，其内容占全书篇幅的1/3[4]。由于晶闸管属于半控型，以该器件为核心构成的电力电子装置具有功率因数低、谐波成分大的缺点，其应用呈下降的趋势，正在被IGBT和MOSFET全控型功率器件所取代。因此，在20世纪90年代之前，晶闸管的应用还比较广泛，但在20世纪90年代以后，出现了以IGBT 和MOSFET等为代表全控器件，由于其具有开关频率高、驱动简单等特点，目前正成为电力电子器件的主流[5]。然而，在电力电子技术课程教材中全控型器件的核心内容，如变频技术、开关电源技术介绍很少，且没有相应的实验内容；此外，目前具有广阔应用前景的可再生能源，如风能、光伏等并没有相关章节进行介绍。

由此可见，电力电子技术课程的教学内容与该学科发展现状、实际应用存在脱节，教学内容已跟不上时代的发展，不利于学生掌握该学科最新的知识和科研成果。

1.2 传统教学方法呆板、效果差

电力电子器件在开关及放大状态时，其对应的电路模型也相应变化，由此涉及大量的功率拓扑、大量的公式推导以及复杂的波形分析，由此造成了教师的教学难度大、学生学习效果差的状况，因此必须对授课方法加以改进。

1.3 实验教学内容少、对象单一

电力电子技术课程是对实践性要求很强的课程，实验教学环节是不可缺少的一部分，也是对课堂教学的一种补充。在实验教学环节中学生可以有效地增强实践能力，同时可以更好地巩固和理解理论知识。目前，多数工科院校电气学科的电力电子技术实验教学平台通常只能进行晶闸管触发、调压等少数几个实验，且多为验证性试验，而在实际使用较多的PWM整流、升降压斩波、功率器件串并联、开关电源等内容并无相关实验，学生只能被动地接受实验结果，学习兴趣不高。

1.4 实验教学平台创新不足、开放性差

目前，实验教学平台多采用模拟电路构成的电力电子装置，不仅系统设计复杂、体积庞大、抗干扰性差、参数整定烦琐，而且控制性能也不好。而现阶段的电力电子装置主要采用模数混合或纯数字控制系统，数字控制系统设计简单，与模拟系统相比具有更大的优势。同时，学生只能机械地按实验指导书的规定进行连线，却不知系统各单元如何实现，更不会理解实验和所学知识之间的联系，不仅没达到实践教学环节的目的，而且大大挫伤学生的学习兴趣。

1.5 一线年轻教师的教学和实践经验不足

目前，电力电子技术课程的授课教师多为刚参加工作的年轻教师，理论性强而实践环节弱是他们的共性，难免在课堂教学中存在“理论”脱离“实际”的问题，从而导致教学内容枯燥乏味，这样既影响了学生的学习兴趣，反过来又会影响到教师的教学心态，形成恶性循环。

目前的课堂和实验教学存在着诸多问题，如授课方法机械单一，过分强调理论学习，严重忽视实践环节，不利于学生发现和解决问题能力培养。

改进电力电子技术课程过时、单一的教学方法，适应时代和技术的发展要求，已迫在眉睫。

2 电力电子技术教学新方法研究

电力电子技术课程涵盖的知识内容多、难度大、实用性强，随着新器件、新技术的不断出现，课程内容、教学方法也必须做出相应调整。笔者在该课程的教学中从以下三方面进行改进，以改善教学效果，激发学生的学习热情。

2.1 课程教学内容的改革

2.1.1 教学内容的改进

近年来，由于全控型器件正成为电力电子器件的核心，因此笔者在教学中适当地减少了晶闸管的教学内容和授课时间，适当地增加了全控型器件IGBT，MOSFET内容的讲解，重点讲述PWM逆变、变频等内容。

2.1.2 紧跟学科前沿发展动向

当前，全世界能源供需状况日趋紧张，我国的能源形势尤其紧迫，因此节能减排成为时代的主题。由于电力电子技术，如高效PWM变流技术、高效功率拓扑结构在节能领域的作用越来越明显，因此在电力电子技术课程中应包含这部分知识。在讲解这部分内容时，适时地将高效PWM整流技术、风力发电、光伏发电等内容引入到课堂教学中，拓宽了学生的知识面，激发了学生的学习热情。

2.2 课堂教学手段的改革

教学过程是促进学生学习，培养学生学习能力的过程，学生是内因、主体，因此教师在授课时要激发学生的学习兴趣，培养学生的学习能力，让学生积极主动，这样才会收到事半功倍的效果。当前，高等院校多采用 “教师讲、学生听”的授课模式，难以形成师生间的互动，教学效果不理想。

针对以上教学现状，提出如下的改进措施。

2.2.1 “预习+讨论”引入课堂教学

在保证每堂课教学内容完整性的基础上，为了克服学生依赖性，培养其自学能力，将“预习+讨论”的教学方法作为辅助手段引入到课程教学中，由教师在每堂课中精选出一部分内容留给学生事先去思考，然后在课堂上进行讨论。如在讲授PWM的工作原理时，将其中重要概念——冲量等效原理留给学生思考，然后在课堂教学中进行讨论。

实践证明，“预习+讨论”的教学方法，通过师生之间、同学之间互动，大大提高了学习的主动性，培养学生的自学能力，同时，互动教学使师生之间、同学之间关系更为和谐、融洽；也促进了课程学习。

2.2.2 采用多种教学方式进行课堂教学

考虑到本课程中电路图、波形图较多的部分，采用挂图方式，这样既保证了授课时间，又可使学生在课堂上获得更大的信息量。

此外，学生还可利用电力电子技术课程的网络教学平台，随时进行预习、复习；同时，教师可以随时掌握学生的学习进展。

2.3 实践教学的改革

实践教学环节可以巩固、检验课堂上所学的基础理论知识，强化学生的实践技能，提高学生的实际动手能力，是课堂教学的必要补充。

2.3.1 精心安排实践教学内容

该课程实验由学生独立完成，在课程总学时有限的情况下，精选出以下实验作为学生独立实验内容。

(1)晶闸管半波整流电路，结合实验掌握单结晶体管移相触发电路的工作原理。

(2)单相变压变频调速电路，结合实验掌握双极性、VVVF变频、MOSFET和IGBT驱动、自举驱动等知识。

(3)软开关电路，结合实验掌握移相PWM技术、零电压、零电流等知识。

2.3.2 开展仿真实验教学

Matlab、PSPICE等为常用电力电子仿真软件，具有精度高、重复性好、简单、调节容易等优点，通过仿真，可加深对课本知识的理解；同时，又为系统设计、系统调试奠定基础。学生在学习完相关内容后，可根据教师布置的习题，自行进行系统仿真，以此加深对理论知识的理解。

2.3.3 开放实验室教学

除了课内实验和课后的仿真实验练习外，还可充分利用本人研发的电力电子实验教学平台，包括PWM变流，BOOST，BUCK，功率开关管MOSFET串并联装置、反激式开关电源等实验教学平台。

(1)PWM变流实验平台

通过实践，可以使学生学习到PWM整流、逆变、三相桥式功率拓扑的工作原理，并加深对单极性、双极性等概念的理解；通过实验平台，可对理论知识加以验证和强化。

(2)BOOST和BUCK实验平台

通过实践，可以使学生掌握电感储能、释能、续流以及多级升压、降压DC-DC变换等。

(3)MOSFET串并联实验平台

通过实践，可以使学生掌握MOSFET串并联的工作原理以及“自举”驱动的设计方法。

(4)反激式开关电源实验平台

通过实践，可以使学生掌握反激式的工作原理和高频变压器设计方法；同时，可对反激式电源的理论知识加以验证和强化。

3 课堂教学和实验教学的改革效果

通过对电力电子技术课程的教学改革，取得如下成效：学生学习兴趣大大增加，教改前后学生考试的平均成绩从69.6分提高到80.2分；同时，同学的实践能力大为提高，参与教师科研项目的学生增多，几乎全班学生都参加过各类电子科技竞赛，其中，在近几年的挑战杯比赛中20多人次获省一、二等奖，在“三菱电机杯”全国大学生竞赛中3人次获二等奖，并申请国家专利6项。

4 结束语

实践表明，笔者的课程改革和探索大大提高学生的学习兴趣，课堂气氛十分活跃，学生积极主动地进行预习、复习，在课堂上能认真、主动，师生间形成了良好互动。在实践教学中，能积极、主动进行系统搭建、调试。同时，课程改革和探索拓宽了学生的思维，提高了教学质量和学生的综合素质，大大增强了学生的工程实践能力，受到了学生的好评。

参考文献

[1] 王兆安.电力电子技术[M].第五版.北京:机械工业出版社,2009．

[2] 王春凤,李旭春,薛文轩.电力电子技术实验教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索,2011,30(9):127-129.

[3] 孔祥新,闫绍敏.“电力电子技术”课程教学改革探讨[J].中国电力教育,2011(21):180-181．

[4] 周元一,汤德荣.电力电子技术课程项目化教学改革[J].湖北经济学院学报:人文社会科学版,2013(3):181-182．

[5] 陈佩军.电力电子技术课程的应用型教学改革探索[J].大学教育,2015(2):161-162．

Reform of Teaching and Experiment for Course of Power Electronics Technology

Gao Hanying, Li Wenjuan, Liu Duanzeng, Zhou Meilan, Zhou Yongqin, Jin Ningzhi
College of Electrical & Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China

Abstract:On the basis of the author’s summary of teaching experience, the problems of the power electronics technology course for undergraduate are analyzed in this paper. In the current teaching, the course and experiment teaching result is not satisfactory, the students’ability to operate practically is not strong enough, and the theory can’t mesh with the practice. To solve the problems, the method of reform and exploration of theory and experiment teaching is discussed in depth. The teaching practice shows that the applied teaching reform and exploration can inspire the students’ innovative thinking, mobilize their learning interests, and thus cultivate their abilities of analyzation, synthesization and application.

Key words:power electronics; exploration; practical ability

收稿日期：2015-09-08

作者简介：高晗璎，博士，教授。李文娟，博士，教授。刘端增，硕士，工程师。周美兰，博士，教授。周永勤，博士，教授。金宁治，博士，副教授。

基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目(编号：JG2014010795)。