工程问题设计在“电力电子技术”课程教学改革中的应用与实践

孙秀桂，张洪斌，彭建荣，孙江波

（1.大理大学工程学院，云南大理 671003；2.大理供电局，云南大理 671000）

“电力电子技术”课程是电气工程专业必修的专业基础课，该课程具有电路图多、波形多、工程性强等特点〔1〕。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代化技术〔2〕，该技术广泛应用于发、输、配、用电等环节〔3〕，以灵活交流输电技术、高压直流输电技术、定制电力技术为代表的先进电力电子技术也成为建设统一智能电网的重要基础和手段〔4〕。掌握电力电子技术是每个将要在该领域中工作的人员应具备的基本技术。然而传统的“电力电子技术”课程内容多，学时少；课程体系相对陈旧，与现有的电力产业结构的发展不相适应。如何在电力电子新器件、新技术、新应用不断涌现的情况下，对“电力电子技术”课程进行教学改革，使教育目标符合新技术环境下对工程师技能的期望是十分必要的。本文利用基于工程问题设计的方法对课程教学进行改革，注重对器件特性及电路特性的分析，并结合工程问题讲解电路设计、分析方法，使学生能够更深入的理解电力电子技术的应用，以适应培养具有创新能力的应用型人才的需要。

1 基于工程问题设计的“电力电子技术”教学模式探索

1.1 基本电路中工程问题的设计 “电力电子技术”课程中，电路繁多，在讲解基本电路时，通过工程问题设计，讲解电路的构成、结构和原理。如在讲解直流∕直流降压变换电路BUCK电路时，采用基于问题的课程教学方法，设计问题为：如何由固定直流电源得到满足负载需求的直流电源。教学中采用启发式教学方法。在教学过程中，由变压方法入手，提出电路中最常用的直流电路的分压方法，利用电阻分压；分析电阻分压的缺点：耗能大、效率低。引导学生提出改进的方法，将耗能元件改为非耗能元件。提出一系列问题：①采用非耗能元件后如何组成直流变换电路？②组成电路后存在的电流断续问题如何解决？随着在电路设计中问题的深入及分析，最终得到直流斩波电路，并分析出其单刀双掷开关电路模型。设计过程见图1。

在此过程中，能够培养学生的分析能力和初步的设计思想。而在讲解电路的数量关系时，以电感电压为目标，通过对电感电流连续时工作特性分析〔5〕，得出伏秒平衡公式，由伏秒平衡公式推导电路的输入输出关系。该过程减少了繁杂的数学推导过程，大大节约了课堂时间。通过工程问题的解决，学生学习积极性提高，极大地激发了学生的学习兴趣。

图1 直流斩波电路问题式分析过程

1.2 采用问题式启发及创新的学习方法 教学中，不停留在传授知识层面，而是以工程应用为背景，通过工程问题的设计，使学生适应工作过程中知识与技术的更新。在讲解逆变电路时，结合课程学习知识点，分析其在智能电网分布式电源中的应用，设计工程问题为：分布式电源中逆变器的应用。该问题针对逆变电路的谐波问题，要求学生设计输出电压为300 V的多电平逆变器。其Matlab仿真结果见图2。

图2 单相系统独立电源七电平逆变电路图

在解决该工程问题的过程中，学生对新型器件IGBT、MOSFET的开关特性及其开关条件、控制特点有深入的认识，掌握了多电平逆变器的设计实现方法，认识到电力电子电路谐波的影响及消除方法。通过对工程应用问题的解决，培养学生朴素的工程设计思想与创新精神。

1.3 知识拓展 课程改革中，除了用工程实例将理论知识与工程应用相联系，还把学科前沿的研究状况充实到课堂中。将先进电力电子技术在电力系统中的应用如有源电力滤波器、动态电压调节器及静止同步补偿器等工程问题，通过项目驱动的形式，鼓励、引导学生查阅相关资料，了解电力电子技术在上述设备中的应用。

随着晶闸管的应用范围渐渐缩减，电力电子技术应用的飞速发展使学生对学以致用产生困惑〔6〕。为解决该问题，鼓励学生利用全控器件设计整流器。PWM整流器作为各种电力电子应用系统与电网的接口，已成为电力电子技术发展中的热点和亮点〔7〕。而直流输电技术是未来20年内先进电力电子技术的技术发展路线之一〔4〕。结合这两个电力电子技术发展的技术前沿热点，在工程问题设计时，要求学生完成基于PWM整流技术的直流输电站设计，并对设计方案进行仿真。其仿真见图3。

图3 HVDC仿真程序图

在设计中，学生认识到PWM控制整流电路四象限运行特点，既可感性运行，亦能容性运行。根据此特点，要求学生进一步分析该形式在智能电网中作为潮流控制器的作用。通过对理论与工程实际问题的联系，拓宽了学生的知识视野。

2 实践教学的改革

“电力电子技术”的实践性很强，实验是其必不可少的教学部分。电力电子技术实验是集强电电路和弱电控制于一体的综合性、专业性比较强的实验。为了使学生在实验课中能够形象地学习、直观地理解实验相关内容，除了设计一般实验项目仿真性实验题目，还增加了新能源及智能电网方向的设计题目。在此仅列举光伏发电系统MPPT控制设计题目。学生通过查阅文献资料，了解控制系统的基本要求，通过对控制方法、电路拓扑的复杂程度的比较，采用Boost变换电路完成实验设计。其仿真见图4。

图4 光伏发电系统MPPT仿真图

通过仿真性实验项目的设置，能解决实验设备更新换代慢的缺点，又能将电力电子技术的基本原理知识和实际应用问题相结合，解决学习只停留在理论层面的问题，锻炼学生解决实际问题的实践能力。

3 教学改革效果

3.1 建立多种形式的考核方法，重在考核学生运用知识的能力 “电力电子技术”课程是一门实践性较强的学科，在考试中增加实际运用能力的问题及分析，如在试卷中增加当外界条件变化，晶闸管触发电路的要求，尤其分析大电感电路中触发脉冲的特点。

平时成绩中突出对能力的考核，通过小论文、仿真实验报告、新能源应用调研报告等进行考核和测评。如在2013级电气工程及其自动化1班，要求学生对电力系统中直流操作电源进行系统仿真，并作为测评学生平时成绩的一部分。

3.2 教改前后成绩比较 教学改革中，通过工程问题的解决，学生的学习热情有所提高。在考试重点、难点、试卷覆盖面相同及考察知识点一致的情况下，对教改前2011级及教改后2012级学生考试成绩进行比较。在2011级学生“电力电子技术”课程考试中，学生考试平均成绩为65分，而教改后2012级学生考试平均成绩为70分，有65.5%的学生分值分布在70分以上。在2012级采用教学改革方法后，学生对知识的复现和运用能力有所提高，分析问题的能力增强，学生考试成绩有了明显提高。3.3 教学学习效果评价 在教学中，注重教学成果，如何测比学习成果是教学活动的一个重要内容。文中利用Bloom教育目标分类学理论对“电力电子技术”课程教学成果进行评价。基于Bloom教育目标分类学的理论〔8〕，从知识、理解、应用、分析、综合、评价几个方面检验学生的学习成果。理论教学评价测试一级指标为：理论知识认知、应用分析能力、知识综合能力、解决问题能力。同时基于EC2000项目组用的11个细化学习成果属性化的成果，结合课程的教学特点，对实践学习成果进行分项测试〔9〕。实践教学测试一级指标为：实验动手能力、分析数据能力、解释数据能力、实验设计能力。主要考察学生在实验中对实验目的的理解，对实验数据的判断分析能力，从数据中得出实验结果的能力，同时根据实验的过程提出对实验的改进方法及用Matlab检验实验方法可行性的能力等。

根据得到的教学成果测试指标，采用基于模糊语言评价方法对该教学成果进行评判〔10〕，其计算方法如下。

模糊综合评价模型由因素集U、评判集V和评判矩阵R组成。评判的步骤如下：

1）确定评判对象的因素集U=（u1u2...un）。

2）给出评判集V=（v1v2...vn），评语集中的元素可以是定性描述的数值，也可以是定量的数值。

3）第i层综合评判结果Bij（i表示第i层，j表示同一层中的第j个子目标）。

4）构成模糊矩阵Ri，

式中l表示第i层子目标的个数。

设第i层子目标的权重集为则该层上的综合评判结构为

5）进行上层的模糊综合评判。根据式（2）求出的子目标的综合评价结构，构成上层的模糊矩阵

求出每层上所含子评价目标的权重并算子，求出该层上对应的权重C，再根据式（2）求出该层的综合评判结果

6）求综合评价值：利用第一层的权重值与所求的权重集得到综合评价值。

根据总结的教学测评指标，利用模糊综合评价的方法计算结果为：

S=C∘R=(0.36 0.56 0.08 0.00)。根据评价结果，该课程学习成果在良好水平的可能性为0.56。同时跟踪学生毕业后社会对学生的评价。在2012、2013届毕业生中，挑选从事与电力电子技术相关工作的毕业生120人，对这些学生进行跟踪调查，社会评价结果良好率在0.8以上。

4 结论

为使“电力电子技术”课程内容与工程实际相联系，利用基于工程问题设计的方法，在课程教学中，结合教学内容、电力电子技术热点及前沿技术，提炼设计工程问题。在工程问题的方案选择、实现与仿真过程中，培养学生学习兴趣，激发学生学习课本知识的积极性，培养学生的创新性思维。尤其PWM整流器的设计与应用，更是体现了电力电子新技术的发展方向，拓宽学生的知识视野。通过教学改革前后学生的考试成绩对比，学生成绩有明显提高。同时基于Bloom教育理论确定教学成果测比测试项，采用基于模糊语言的评价方法对教改后的教学成果进行评价，其教学效果良好可能性较高，达到教学改革的目的。

〔1〕王卓，王强，曹晶人，等.“电力电子技术”课程教学改革探讨与实验〔J〕.中国电力教育，2013，270（11）：37-38.

〔2〕唐击.智能电网背景下大功率电力电子技术的巨大市场机遇〔J〕.广东输电与变电技术，2010（1）：8-10.

〔3〕刘晋，牛印锁，文俊.国内外“电力电子技术”课程教学研究〔J〕.中国电力教育，2012（6）：64-65.

〔4〕张文亮，汤广福，查坤鹏，等.先进电力电子技术在智能电网中的应用〔J〕.中国电机工程学报，2010，30（4）：1-6.

〔5〕陈坚.电力电子学：电力电子变换和控制技术〔M〕.北京：高等教育出版社，2004.

〔6〕程琼，付波.“电力电子技术”课程教学模式在新技术新观点下的探索〔J〕.中国电力教育，2014，304（9）：57-70.

〔7〕张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制〔M〕.北京：机械工业出版社，2003.

〔8〕布卢姆.教育目标分类学：第一分册：认知领域〔M〕.罗黎辉，丁证霖，石伟平，等译.上海：华东师范大学出版社，1986.

〔9〕赵川平.重视学生学习成果研究提升高等工程教育质量〔J〕.中国高教研究，2009（7）：90-91

〔10〕孙秀桂，李霞.地方型高校工程教育课程改革探索及评价体系研究〔J〕.大理学院学报，2013，12（4）：80-84.