电力电子技术实验教学在新工科培养模式下改革与探索

刘飞 查晓明 徐箭

摘  要：新工科强调人才培养模式由学科导向转为产业需求导向，电气学科与能源、环境、交通、信息以及人工智能等领域有学科交叉特点，教学培养模式转向多课程、多学科融合。因此文章阐述了武汉大学电力电子技术实验课程在新工科背景下教学创新的必要性与建设目标，并提出了新能源发电、柔直输电以及电机变频调速的本科教学综合性实验方案，以期增强学生对电力电子在新能源应用的理论知识理解，并提升对电力电子这门课程学习与创新兴趣，满足新工科电力电子人才培养的需要。

关键词：新工科;学科交叉;人才培养;综合性实验

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）12-0129-03

Abstract： The new engineering emphasizes that the talent training mode is changed from the discipline-orientation to the industrial demand orientation. The electrical engineering has interdisciplinary characteristics in the fields of energy， environment， transportation， information and artificial intelligence， and the teaching and training mode transfers to multi-curricular and multi-disciplinary integration. Therefore， this paper expounds the necessity and construction goal of the teaching innovation of Wuhan University's power electronic technology experiment courses under the background of new engineering， and proposes a comprehensive experimental program of undergraduate teaching， which contains renewable energy power generation， flexible DC power transmission and variable frequency motor speed control， expecting to enhance the students' understanding of theoretical knowledge of power electronics in the application of renewable energy， and raise their interests in the course of power electronics， to meet the needs of new engineering power electronics talents training.

Keywords： new engineering; interdisciplinary; talent training; comprehensive experiment

一、以新能源建设平台促进多学科交叉

武汉大学作为百年名校，是中华人民共和国教育部直属重点综合性大学和国家“双一流”建设A类高校。改革开放以来，武汉大学在理科和文科领域已取得了丰硕的国内外领先研究成果，但学科壁垒也使这些优秀的科研成果未能在工程学科方面得到很好的发挥应用。一方面使武汉大学的学科交叉优势未能得到发挥，另一方面也制约了学校工程相关学科对国内学科发展前沿的占据。特别是工程领域的电气工程、自动化传统学科，近年来处于较为缓慢的发展状态，无一入选国家“双一流”重点建设学科，不仅学科排名与武汉大学的国内著名大学地位不符，而且在人才引进和培养、学科建设、科研项目以及高水平学术论文发表等诸多方面，难以满足国家未来能源战略的发展需求。这将导致武汉大学的工程学科无法在关乎国家与民族未来的能源领域发挥与学校地位相称的核心作用，使武汉大学的综合发展受到严重制约。而我校电气工程学科在新能源动力学特性、预测方法、调度控制、海上风电开发等方面的研究，动力、机械和自动化学科在风电装备制造与并网运行控制技术方面的研究，计算机科学和信息科学在互联网+、云计算、大数据分析等方面研究，物理和化学在新能源装备材料和高效储能技术领域的研究，水利水电科学在抽水蓄能技术领域的研究成果，测绘和遥感学科研究成果在新能源预测领域的深化应用，使武汉大学在新能源发展涉及的发电预测、接入与消纳、材料与装备、储能科学与技术等方面，呈现出学科门类齐全，研究基础良好、可提供多学科交叉支撑等巨大优势。因此，以新能源科学技术为切入点促进测绘遥感、物理、化学，水利水电、计算机等传统优势学科在新能源领域的深化应用，培育优势学科在新能源领域形成领先新增长点，助推传统工程学科发展的“弯道超车”发挥重要作用。

贯彻党的十九大精神，推进“双一流”建设，是学校进入新的发展阶段所面临的新任务。世界能源转型加速、巴黎协定的签署、“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念的提出，对学校发展既是重要机遇、也是严峻挑战，因此，面对全球新能源研究热潮带来的新的发展机遇和挑战，布局发展新能源学科领域是学校在新发展形势下需要做出的重大战略决策，对于抢占新能源研究的至高点，实现建设综合性、研究型、国际化大学的发展目标，具有重要的促进作用。为了克服学校目前在新能源领域研究力量较为分散、总体建设力度不够大的不足，从整体把握新能源学科领域的布局规划和明确发展重点，对于大力支持基础良好、发展潜力大的新能源学科方向，加快推进新能源学科的建设发展。在学科建设方面，有利于积极开展跨学科交叉研究，将武汉大学传统优势的基础学科与工程学科相結合，实现学科间的交叉融合与相互扶持，不同学院、不同学科的教师和研究人员的合作与交流。

二、创新教育方式与教育手段的需要

目前随着科技创新不断整合信息与工业，在传统工科的基础上催生新工科发展。根据教育部组织讨论的新工科建设路线，新工科教育模式下知识的集合包括学科知识+工作场所知识，该发展范式着重突出技术发展更新工程人才知识体系;以学生志趣求创新工程教育方式和手段。即要求人才培养基地的高等学校建立更多样化和个性化的工程教育培养模式与教育手段[1]。

随着新能源以及新材料技术的不断涌现，电气工程学科具有了更加广泛的内涵和外延。电气与能源、环境、交通、信息以及人工智能等领域都表现出跨学科交叉融合的大趋势，尤其是以二次能源电为载体的能源互联与应用将成为未来发展与研究热点，也为电气工程学科成为新工科专业创造机遇。为了满足新工科发展需求，人才培养模式将由学科导向转变为产业需求导向;由专业体系分区转变为跨界交叉融合。过去本科教学内容与实验室建设模式将不再适应新工科背景下的人才培养需要，必须尽快调整培养模式与方案以吸引与电气工程学科关联性较强的外专业学生，培养学生的复合型才能。

以教育部《国家级实验教学示范中心管理办法》、高等学校电气类专业教学指导委员会《电气类专业教学质量国家标准》和《工程教育认证标准（2015版）》、《武汉大学学院（系）实验中心建设与管理办法》为依据。

在新工科以及武汉大学建设“大机大电”的背景下，我院已建成的新能源发电高效变换及传输学科实证平台拥有太阳能光伏并网发电实物平台、风力（直驱/双馈）并网发电模拟平台、超级电容储能变换模拟平台、柔性直流输电试验平台等科研实证平台，并在此基础上构建了智能电网的智能发电系统。这些科研实证平台在建设过程中，偏重学科前沿问题，与基础教学实验在一定程度上脱节。当今电力电子、能源变换及传输是电气工程中两大引擎，推动着电气工程学科的第二次革命。在本科与研究生教学大纲中，新能源方面的课程重要性逐步提升，但与之配套的教学实验一直未能有效开展。因此，将科研实证平台与教学实验平台融合建设新能源发电与灵活输电本科教学实验室势在必行。

根据国务院《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，面对武汉大学建成中国特色世界一流大学，打造一流学科的目标，我校面临严峻的形势。尤其作为推动着电气工程学科的第二次革命的两大引擎——电力电子、能源变换及传输，其知识日新月异。急需加强新型电力电子拓扑与控制技术实验模块与方法建设，创新面向本科生和研究生的教学实验模式与内容。以适应新工科与新经济形势下复合型、创新型人才培养要求。

三、建设方案

（一）打通科研实证平台与教学实验平台之间界限，提高新工科背景下复合人才培养能力

通过对现有电力电子教学实验平台的改造与修购，将其与科研实证平台融合，丰富教学实验内容和方法，使得学生通过实验环节掌握最新的科研成果，训练电力电子科研实践的基本技能，拓宽专业视野，提高对电力电子、电力传动、新能源发电等学科的认知和兴趣。最终实现将复杂工程问题的解决过程、基础教学实验认知过程、学科专业人才兴趣和能力培养过程融合起来，实现复合型、高素质人才培养的目标[2，3]。

（二）构建电气工程、能源动力、电子通信等多专业学生创新软硬件平台

通过电力电子技术实践创新平台开放、举行电力电子专业技能培训、设置电力电子学生创新支撑项目、组织并指导学生参加各种电力电子大赛、鼓励和引进专业教师担任指导老师，构建电力电子专业学生创新的软硬件平台[4-7]。

以本科实验教学为中心，以实验中心“十三五”发展规划为基础，统筹规划，合理布局，分时间、分步骤地进行电力电子技术综合实验室的建设。通过定制化开发可编程电压型PWM变流器实验实训模块，创新电力电子技术教学实验内容与模式。同时考虑到实验仪器设备配置需具有一定的前瞻性，将具有新时代电力专业特色、反映电力电子学科动态的技术引入实验教学中，即满足常规实验教学需要，又紧跟科技变革的潮流，具备一流大学一流学科培养一流专业人才的实验教学条件。

主要完成可编程电压型PWM变流器实验实训模块、多用户端实时电力电子仿真平台、三端轻型直流输电实验平台、异步电机变频调速器、电力电子器件与装备展示平台的设备购置和建设工作，构建电力电子与新能源综合性实验教学平台。

1. 可编程电压型PWM变流器实验实训模块

针对当前电力电子装备主流拓扑——电压型PWM变流器，采购可编程电压型PWM变流器实验实训模块。该模块不仅可以完成全控型器有关的驱动、斩波、PWM逆变等教学实验，还提供了可编程接口和相关辅助软件功能模块，帮助学生针对电压型变流器开展各种PWM调制、保护与控制算法的编程实训。

2. 多用户端实时电力电子仿真平台

利用现有的电力电子实时仿真平台——RT-lab系统，扩展多用户端功能，构建可供多人远程同步上机分时操作的多用户端仿真系统。培养学生熟练掌握电力电子系统仿真技能，进一步促进对电力电子拓扑与控制的理解。

通过以上两个功能的建设，可建成国内首套基于实时仿真与可编程功能模块的电力电子仿真与实验实训系统。

3. 三端轻型直流输电实验平台

该平台主要面向本科生专业方向必修课《电力电子装置与系统》的教学实验，开展电力电子装置功率控制策略、保护策略、建模验证等方面的教学实验与实训，同时是未来与电机及新能源发电实验室互联的重要接口。通过该平台（如图1）可以实现新能源接入、交直流配电网等系统功能研究。

4. 异步电机变频调速器

异步电机变频调速是电力电子技术应用最早也是最广的领域之一，通过采购现有成熟的变频调速器，学生一方面可以加强实践认识，另一方面可以通过实际调速实验掌握与理解异步电机变频调速的原理与特性。该设备可以与电机实验室联合开展教学实验。

5. 电力电子器件与装备展示平台

该平台展示常用电力电子器件实物、各种电力电子装备的实物图片，通过说明介绍文字，强化学生对相关知识的认识与理解。

四、结束语

通过对现有电力电子教学实验平台的改造与修购，将其与科研实证平台融合，丰富教学实验内容和方法，使得学生通过实验环节掌握最新的科研成果，训练电力电子科研实践的基本技能，拓宽专业视野，提高对电力电子、电力传动、新能源发电等学科的认知和兴趣。最终实现将复杂工程问题的解决过程、基础教学实验认知过程、学科专业人才兴趣和能力培养过程融合起来，实现复合型、高素质人才培养的目标。

通过电力电子技术实践创新平台开放、举行电力电子专业技能培训、设置电力电子学生创新支撑项目、组织并指导学生参加各种电力电子大赛、鼓励和引进专业教师担任指导老师，构建电力电子专业学生创新的软硬件平台。

参考文献：

[1]龚薇，周凯，朱光亚，等.新工科基于CLT电力电子综合实验设计探讨[J].实验技术与管理，2018，35（4）：177-179.

[2]艾青，李绍武，陈坤燚，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（4）：35-37.

[3]冯元，海鹏博，吴宏岐.电力电子技术实验教学改革模式与探索[J].高教学刊，2018（9）：121-123.

[4]宗哲英，张旭，郝永强，等.基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计与构建[J].实验科学与技术，2018，16（3）：146-149.

[5]王晓寰，冯建周，张莹.电力电子技术课程体系建立与实践[J].教育教学论坛，2018（33）：35-36.

[6]宋冬冬，张丽红，崔丽娜，等.模块化软、硬件集成电力电子实验平台研究[J].中国科技信息，2018（21）：69-72.

[7]楊延菊，任晓霞.电力电子技术仿真教学实验探索[J].现代信息科技，2018，2（8）：42-44.