电力电子技术实验教学改革模式与探索

冯元 海鹏博 吴宏岐

摘 要：针对本校现有的电力电子实验装置不能满足学生实验要求的现状，提出了电力电子技术综合创新性实验教学改革。文章阐述了传统实验教学的不足，实验教学改革的内容以及具体的改革办法。本实验改革的实施不仅增强学生对理论知识的理解，而且使学生从实际应用方面对电力电子这门课程有了更深的理解，改革的实施还增强了学生独立进行电路分析和制作的能力，为今后的工作打好坚实的基础。

关键词：电力电子；实验改革；实际应用

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）09-0121-03

Abstract： In view of the fact that the existing electric and electronic experimental devices currently cannot meet the requirements of the students' experimental demands， a comprehensive and innovative experimental teaching reform of the power electronics technology is proposed. This article describes the shortcomings of traditional teaching， the content of experimental teaching reform and specific reform methods. The implementation of this experimental reform not only enhances students' theoretical knowledge， but also enables students to have a deeper understanding of the application of Power Electronics. At the same time， students' independent circuit analysis and manufacturing ability are enhanced， which will lay a solid foundation for their future work.

Keywords： power Electronics； experimental reform； practical application

实践教学是培养应用型人才和创新型人才的重要环节，实践是创新的源泉，历史上重大的科技创新成果大多来源于实践。电力电子技术是综合性和实践性要求很高的学科，通过实践可以大大提高学生的理论水平和实际动手能力，对培养学生的创新能力，工程意识都将起到至关重要的作用。实践教学环节的成功与否，直接关系到该学科培养人才的质量，根据能力培养为主线和实践教学相结合的理念，注重素质教育和能力培养，增强毕业生适应性原则，注重培养和挖掘学生的创新精神和工程实践能力，注重教学内容与科研生产实际结合，使学生毕业能够快速适应相关领域的工作，为了完善电力电子实践教学体系，改进实验课程教学内容和教学方法，以适应时代对高等教育的要求，跟上电气专业的发展，本文提出电力电子技术实验教学改革模式与探索[1]。

电力电子技术是本校电子电气工程学院，电气工程与自动化专业开设的课程之一，也是培养学生实践、创新能力的基础课程。电力电子技术是弱电对强电实现控制的纽带，它的实验内容是通过驱动电路控制主电路。本实验的实践性较强，必须通过实践环节才能加深学生对课程内容的理解。在工程实践和企业控制电路维护中，此课程始终是基础和常用的，但是由于此课程实验是强弱电结合的综合实验，对学生的实验操作水平提出了更高的要求，因此针对这些情况，对这门课的实践教学进行改革是非常必要的。

一、实验教学环节存在的典型问题

目前本院在电力电子技术实验环节中仍使用MCL-II电力电子及电气传动教学实验台。该实验装置在使用过程中，由于强弱电结合，直流交流电源在不同的位置，并且学生良莠不齐，经过频繁和错误使用，器材存在以下问题。

1. 单结晶体管锯齿波触发电路挂箱，直流斩波挂箱，直流斩波电路经常烧坏，其中的三项可控整流电路的晶闸管由于频繁做交直流转换实验，学生接线错误导致晶闸管损坏较多。同时学生在做验证实验时，由于实验内容需要学生在觀看波形时需短接中间的输出端，在实验结束时，需要取下短接线，但由于学生过多，在做整流电路时未取下短接线，常烧坏触发电路，因此在做这类实验时实验老师和学生都必须非常小心。

2. 实验数据与理论值差异较大，严重影响实验效果。通过示波器得出的波形和理论值常出现差异，控制角a角在实际使用中常出现故障导致控制电压无法按照理论值调整驱动电压大小，并且这些问题厂家也无法修复。

3. 由于斩波实验，三相半波可控整流电路实验，全相桥式半控整流电路实验大部分是验证性实验，并且对实验台要求较高，所有的实验环节参数和特性必须完全正确，才能得到正确的实验结果，但现有实验台经过长期使用，损坏率较高，电力电子实验经常无法得出正确的实验结论，学生只能被动接受实验结果。

4. 学生对电力电子实验在实际中的应用存在模糊的理解，并且不知道学习此课程的用途，同时课本包含高等数学理论计算过大，再加上实际实验中学生只单纯面对的是实验台，因此学习兴趣不大。

5. 现有实验挂箱是模块化、封闭的挂箱，在实验过程中只能按照电路图进行接线，用示波器验证实验结果，但对实验结果的理论分析和电力电子元器件缺乏了解，也缺乏自我创新环节。

6. 学生在实验中接线不存在太大问题，但理论结合实际分析，以及根据实际情况处理实验中遇到的问题无法判断和查找。电力电子这门课需要学生学习好模拟电子电路，数字电子电路以及电路分析等基础课程，因此这门课程的学习对学生提出了更高的要求。

實际上，这门实验课程的线路连线及实验原理并不复杂，最困难的是完成实验线路连接以后所进行的调试与操作，很多学生难以得出相关的正确的波形以及正确的结果和参数。这是由于学生对实验的过程及原理理解的不深刻，对相关的知识掌握的不够透彻，不能熟练应用到实际操作以及应用中去，并且动手能力不够强，对实验过程不熟悉，实验操作生疏，缺乏相关的实际操作经验以及实际操作技巧，遇到实际操作中的问题难以独立解决，不知道如何下手。对操作过程中的错误以及故障难以发现和排除。

因此必须理论联系实践，实践促进创新。在学生学习这门课程的过程中，必须注重对基本概念和基本方法的理解，在理论推导中引出实际应用的概念，在案例分析中强化理论概念，加深对电力电子技术的认识和理解。这门课程综合性、理论性和实践性都较强，要求学生在掌握基本理论的基础上，能综合运用学过的专业知识，根据生产工艺的具体要求，实现对电机的控制和对系统的分析和设计，从而培养了学生的理论联系实际、分析问题和解决问题的能力。

电力电子实验课程和理论课程同等重要，不能看轻实验重理论，在相关企业中，非常看重专业技术人员的业务水平和理论知识，而业务水平指的是本专业的实际操作水平，因此对学生而言，实验课是非常重要的，只有在实验课上才能学到电力电子的实际操作以及故障的处理和判断，这为很多想要从事电力相关专业的学生打下坚实的基础，但在实际教学中，很多人认为实验课是浪费时间，这种想法不仅在部分老师当中存在，很多老师大学毕业直接就进入高校，理论知识非常扎实，但对于实际应用知道的还是比较少，因此对实验课重视程度不够，在学生中也存在把实验课敷衍了事的学习态度，实验课堂纪律远远比不上理论课，学生在实验课中也很难得到相应能力的提高，久而久之，教师和学生都对实验课比较轻视，认为实验课是负担，既费力又无法获得相应的教学效果，这完全偏离了实验课的培养目标。同时，长期以来，电力电子实验采取的教学模式是学生课前预习实验——教师讲解实验目的和原理——教师演示实验——学生做实验及完成实验——学生交实验报告，这种流水线模式的教学抹杀了学生的好奇心和主动学习的源动力，学生在这个过程中没有任何的思考和分析，这样的实验过程没有对学生创新能力的培养提供任何帮助，同时也失去了实验教学的真正意义，因此只有对传统的教学模式进行改革，使学生知道为什么要学习这门课程，这门课程在实际中怎么应用，提高学生的学习兴趣，这才是教学改革的目的[2]。

二、实验教学模式改革

1. 开展综合创新性实验教学改革。本课程是一门实践性很强的课程，需要学生首先学好电路分析，电机拖动，模拟电子线路，数字电子线路以及仿真软件，常用元器件查找和实际如何选用，熟悉电路原理图绘制以及发电机、电动机的相关知识，交直流电动机在驱动电路中的使用和相关原理，最后才可完成电力电子电路的制作和使用，因此对于学生的自学能力要求较高，需要学生有良好的自学能力。

2. 聘请企业或研究单位技术人员，例如陕汽的高工和机床厂的高工以及相关专业的企业技术人员，给学生从整个系统中讲解电力电子技术在实际中的应用，让学生对所学的课程有直观印象，同时也给学生在以后的个人发展上提供参考。有条件的话，可以帮助学生在相关企业联系实习基地，使电气专业学生在实际中对所学课程加深理解。

3. 由于采用的教材是以王兆安主编的《电力电子技术》这本书，书中概念推算，高等数学内容偏多，许多学生在学习中存在一定难度，因此在实验过程中，可使用示波器对实际电路中各个元器件在使用过程中的电流/电压波形进行展示，使学生对课本上的电流/电压公式有直观的理解。

4. 对于电力电子实验内容，可以保留必要的验证性实验。在学生最初接触这个实验时，对实验设备和仪器比较陌生，因此给学生讲解示波器和万用表的用法，强电实验中安全用电的基本知识以及碰到简单故障怎么查找分析，遇到问题怎么解决问题是非常有必要的，告诉学生处理实验故障的方法和判断依据，提高学生的动手能力和简单分析问题的能力，根据现有设备情况以及该实验课程特点，确定几个验证性实验，最好包括整流，斩波，调压，逆变四个基本电路实验。

电力电子实验必须引起教师和学生的重视，在教学过程中要突出教师主导，学生主体的理念，还必须在实验内容上进行相应的革新，才能激发学生的学习兴趣，这才有利于学生创新能力的培养，因此，在传统的电力电子实验内容基础上，需要增加一些启发学生的创新实验，形成新的电力电子实验教学体系。

三、解决方案

1. 由企业专家在理论课开展前给学生讲解电力电子技术使用情况和未来展望。

2. 理论教学主体教学过程中，力求突出内容的重点和难点，同时又要保证教学能通的系统性和完整性，在理论教学上要特别注意电路波形和相位分析，抓住电力电子在电路中导通与截至的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作情况，通过分析各类电力电子期间的导通和关断来理解整流，逆变，斩波，调压等典型电路的工作原理。理论课开展的同时，可在每个章节结束后，根据本章节内容给学生提供一些简单的实验由学生选做，可以让学生通过软件仿真的方式加深对所学章节的理解，实验教学的真正展开往往受到硬件实验设备的限制，设备的更新换代比较慢，并且设备的购置费用高昂，因此可在教学环节中引入软件仿真实验教学环节，这一环节和硬件实验环节不冲突，并且对真正进入硬件实验提供有益的理论指导，可以使用计算机辅助分析为基础的电子设计自动化（EDA）来让学生通过软件仿真的形式对所学理论知识加深理解，最后让学生在电力电子实验室直观接线和分析，使学生对电力电子技术产生直观的了解，以便于学生做实验时，有了倾向性和目的性，提高学生的兴趣[3]

3. 现在网络发展很快，学生通过智能手机或者电脑完全可以学到还没掌握的理论知识，对于他们而言最重要的是对所学知识的实际应用，通过做好电力电子实验，使所学实验内容与理论知识融会贯通，在现实情况下，还是比较困难的，因此，可以加入网络教学方式，同时和学生做好沟通，以确保学生理论知识基础扎实，这样有目的的去做实验和创新，达到实验教学的目的。

4. 在电子电气工程学院一楼的学生创新实验室，学生可以自我选择老师给予的实验题目进行实验，有基础的学生可根据实际情况自主设计产品。设计过程中教师给予一定指导，学生根据自己情况查阅相关资料，购买元器件，设计、焊接和调试电路，学生在学习过程中若是对电力电子相关环节比较陌生，可以直接去电力电子实验室进行实验，加深对自己组装电路的理解，在这个环节中学生不仅了解元件参数和特性，同时培养学生根据实际分析和解决问题的能力，很多学生在实际操作中选用了比较热门新颖的题目，比如：无线直升机的组装与调试；无线小汽车的组装与调试；无线小机器人的组装与调试。通过这些实际题目的组装调试以及电路的焊接过程，加深学生对所学课程的理解，同时为全国电子设计大赛，机器人比赛培养合格的创新人才。

综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或相关课程的实验。综合性实验通常由多项任务组成，且多项任务间要遵循一定的先后顺序，各项任务的先后顺序具有逻辑性，开设综合性实验的目的，是培养学生解决实际系统思维的能力和综合动手能力，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，使学生有更多的组织、判断和选择的机会[4]。

四、结束语

让学生在实验室单纯做实验只是一个开端，还是有很多不足。

1. 实验台使用时间过久，急需大修或者更换，以方便學生实验。

2. 综合性实验，开放性实验不足，学生没有足够的实验去加深自己对这门课程的理解。

3. 要探索如何把实验台充分利用，提高设备的利用率和完好率，这需要教师和实验员的共同努力。

4. 要建设好电力电子实验教学示范点，这不是一天就能做好的，这不仅要有资金的投入，更要引起对大学生基础教学的重视。

在如今的社会发展大潮下，网络已经完全融入到每个人的生活中，是否能够改变思路，不光通过电力电子实验去教会学生做实验的方法，同时通过教师在网上寻找相关知识推荐给学生，并且寻找相关实际应用的题目以提高学生的兴趣，比如可以告诉学生最近国家研发出来的超音速飞机以及航空母舰，超高速铁路，并且这些令国人自豪的军队装备以及交通工具都离不开电力电子技术这个基础，启发学生的兴趣，通过理论与实际结合改变原有的单纯通过实验室验证性实验的方法，帮助学生由被动转主动的学习方式，这样对学生才是最重要的，对于学生就业而言，很多单位都会要求学生有基本的分析问题解决问题的能力，因此在学校中，最重要的不是教多少知识，而是培养这种碰到问题，可以自己研究分析并加以解决的能力。帮助学生学到知识，提高了自身能力，同时结合应用型本科院校学生培养的特点及电力电子技术教学过程中出现的一些问题，提出一种结合基础理论教学和硬件实验及课程实际应用的教学方法，目的是为了提高学生素质，培养应用型本科人才。同时通过对实践教学体系的探索和研究，使学生的应用性、创新能力逐渐得到提升。这样不仅培养出合格的应用型人才，也可培养出一些对所学知识有兴趣，愿意继续深造，终生研究的工科人才。

参考文献：

[1]夏微，赵彦强，严辉.基于项目教学法的综合性实验课程的探索与实践[J].中国电力教育，2011（32）：127-132.

[2]刘静，程江浩.基于学生创新能力培养的电磁学实验教学探索[J].2012（23）：76-78.

[3]葛瑜，王武.电力电子技术递阶式实验教学研究[J].实验技术与管理，2011，28（5）：157-159.

[4]叶国建.高校综合性设计性实验开设项目的探讨[J].中国科技信息，2008（10）：286.

[5]王伟，王静文.应用型本科院校“电力电子技术”课程教学改革[J].高教学刊，2017（21）.

[6]艾青，李绍武，陈坤，等.电力电子技术课程设计教学模式改革与创新[J].高教学刊，2018（04）：35-37.

[7]胡静波.“电力电子技术”课程的CDIO教学改革[J].高教学刊，2015（06）：34-35.