基于课程思政的《电力电子技术》课堂教学案例设计

王子赟　王艳　纪志成

摘  要：“课程思政”是当代高等教育的一个重要课题，主要目标是培育德才兼备的新时代人才。文章将“课程思政”融合到电力电子教学中，并通过电力电子技术发展史设计案例、整流电路设计案例、软开关技术设计案例、电力电子技术实验教学设计案例、电力电子技术科创设计案例五个案例体现思政元素在电力电子技术课程教学中的实践设计，力求思政课程与专业课程协同开展。

关键词：课程思政;协同开展;电力电子技术;案例设计

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）36-0093-04

Abstract： "Ideological and political education in courses" is an important topic of contemporary higher education， and the main goal of which is to cultivate talents with both ability and morality in the new era. In this paper， "Ideological and political education in courses" is integrated into the teaching of power electronics， and the ideological and political elements are respectively reflected in five cases： the design case of the development history of power electronics technology， the design case of rectifier circuit， the design case of soft switch technology， the design case of experimental teaching of power electronics technology， and the design case of scientific innovation of power electronics technology， so as to strive for the coordinated development of ideological and political courses and professional courses.

Keywords： ideological and political education in courses; synergetic teaching; power electronic technology; case design

一、概述

課程思政是将思想政治理论课融入各类课程当中，形成协同效应，发挥各类课程鲜明的政策性、价值性和政治性。它把立德树人作为中心环节，切实贯彻培育时代新人的教育目标。当代高校对学生的思想政治培养主要体现在马克思列宁主义、中国特色社会主义基本原理、毛泽东思想概述等一系列思政课程上，然而大多数教师上课只是单纯地诵读写好的板书或PPT，枯燥抽象地讲述党中央的各类讲话或经济学原理性知识，从而导致课堂互动性较差，授课效果不尽人意。课程思政就是将培育学生的思想政治和价值观蕴意于其他课程中，从原来的思政课程扩大到各类专业课程或通识课程中，在对专业课或其他通识课程学习的过程中，也逐渐加强了学生自身的政治素养和道德品质。

电力电子技术是一门利用晶闸管、IGBT、MOSFET等电子元器件和模块化电路对电能进行控制与变换的技术，具有很强的工程实践性[1]。在电力电子教学过程中，突显了一些问题，主要包括：

1. 内容陈旧，器件滞后。电力电子技术具有很强的时代性，其器件和电路是随着时代的发展不断推陈出新，而课本上的内容通常是大同小异，一成不变的。以电力电子器件为例，课本上重点讲述了半控型器件晶闸管的结构和使用，对IGBT、MOSFET等全控型器件介绍相对较少。然而这些全控型器件由于开关速度快、驱动功率小等优点逐渐成为主流器件，相反晶闸管等半控型器件却逐渐退出历史舞台。授课内容和技术发展的不匹配性将造成学生所学知识和生产实践相脱节。

2. 教学方式单一。目前大多数高校的教学方法仍是PPT或课堂板书，老师们机械式地讲述复杂电路理论和波形分析，这样很难提高学生们的兴趣。借助多媒体技术的发展，老师们应将课本里复杂的原理或波形图更多地用图片、动画或视频的方式展现，加强课堂教学的生动性，例如讲解三相交流调压技术的时候，由于输入输出波形较为复杂，工作过程较为繁琐，可以使用动态图演示电路中各个晶闸管的导通和关断情况，这样也有利于学生对知识的理解和掌握。

3. 课程实验死板。很多同学做实验只是为了拿学分，往往知其然而不知其所以然，而且由于授课时长的限制，只能做课本中很少一部分实验内容。应该加强实验的工程应用性，最好能用项目的形式进行实验教学，以点带面。

不论是思政课程还是专业课程，都是立德树人的重要渠道，如何将这两者结合进行优势互补就显得尤为重要。作为构建德智体美劳全面培养的重要抓手和举措，课程思政要求教育工作者在进行两者协同的过程中既要相互融合也要尊重两者之间的差异性，着重实现协同发展、求同存异的作用[2]。本文将课程思政融合贯穿于电力电子技术的课堂教学，通过电力电子案例体现课程思政，以期达到提高课程教学质量、培育时代新人的目标。

二、电力电子技术发展史设计案例设计

电力电子技术可分为电力电子元器件制造技术和变流技术，其中电力电子元器件制造技术是基础，变流技术则是核心。

（一）电力电子元器件技术发展史

1904年世界上第一次问世了电子管，它是一种用玻璃等封闭容器制成的，高度真空状态的，利用电场对真空中的电子流的吸引力来获得振荡或信号放大的器件。它的设计灵感基于爱迪生在一次灯泡实验中发现的一个特殊现象：真空灯泡里的铜丝，尽管没有接入电路，还是会有电流流过。他给这个现象申请了专利，取名爱迪生效应（The Edison Effect）。电子管的问世正是基于这种偶然现象，它开创了电子技术的先河，曾被广泛应用于如收音机、显像管电视机等电器中。至今，由于其出色的负载能力和线性性能以及高频大功率环境下的工作特性，仍然有一些大功率无线电发射机等使用它。但由于它真空状态的结构特点，也直接决定了它的缺点：易破损、寿命短、功耗大、维护成本高等[3]。例如世界上第一台计算机埃尼阿克（ENIAC）使用了1.8万个电子管，其体积占据了167平方米，大约是一间半教室大小，且工程师们必须时时刻刻替换掉不断烧坏的电子管，非常不便。由于电子管的缺点严重限制了其发展前景和应用范围，人们一直希望用一种固态器件代替它。1945年，贝尔实验室成立“半导体小组”，专门研究硅和锗等新材料的属性。经过不懈研究和大胆实践，终于在1947年12月23日成功诞生了第一个点触式晶体管，标志着电力电子技术的诞生，引发了电子技术的一场革命。而后陆续出现了全控性器件如门级可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET），复合型器件如MOS控制晶闸管（MCT）等，以及电力电子集成电路（PIC）等。

电力电子元器件的发展离不开科学家们对科研事业的不断追求和为人类文明进步所做出的巨大努力，他们都具有工匠精神。工匠，古指具有专长技艺的手艺人，现指专注于某一领域，在此领域内的产品研发制造过程中精益求精、一丝不苟地完成整个工序的每一个环节的爱岗敬业、具有创新精神的工作者。工匠精神是一种沉淀于长期从事某一行业的职业素养和职业品德，是一种严瑾细致的品质精神，是一种热爱工作的职业精神，是一种勇于实践的创新精神，是一种团结协作的团队精神。电子管的诞生是基于当时的一个细微的“爱迪生效应”，作为谨小慎微、精益求精的科学家，爱迪生注意到这个现象并及时提出，这是一个科学家的责任和使命使然;晶闸管的问世已经有效解决了电子管的缺陷，但由于对更好品质的追求，各种全控性器件应运而生，这些都是工匠精神的有效体现。目前我国正处于中国制造向中国智造的转变，经济发展转入中高速，这更强调生产产品的侧重点由数量到质量的变化，而这种模式的变化，实际对工作者提出了更高层次的要求，培养其工匠精神就有了重大意义。

（二）变流技术发展史

变流技术的发展是我们国家科技的进步的一个体现。一个国家和民族要屹立于世界民族之林，需要强大的精神力量做支撑，坚实的物质基础做驱动，完善的社会制度做保障。科技是第一生产力，是坚实物质基础的源泉。人类自古以来就对自然有好奇心，善于从各种自然现象中总结科学规律，为了满足人类的需求，各种技术工艺也在不断进步。

二十世纪六十年代和七十年代的工业所用大功率用电设备由工频为50Hz的交流电提供，但仍然有直流电动机和有色金属和化工原料的直流电解等近五分之一的工业设备消耗的是直流电能。为了解决交流电能向直流电能的转变，人们利用晶闸管和硅整流管做成三相桥式整流器等整流器件，推动了整流技术的发展;七十年代，由于交流电机具有结构简单、坚固节能、功率覆盖范围大的特点，且当时电力电子元器件的蓬勃发展，又出现了巨型功率晶体管（GTR）、门级可关断晶闸管（GTO）等器件做支撑，将直流电能转变为交流电能的逆变技术随之开始出现;八十年代，为了解决电机调速问题，变频技术也逐渐发展起来。之后又出现了通信用高频开关电源、不间断电源（UPS）、高频逆变式整流焊机电源等技术。纵观整个变流技术的发展，就是无数科研工作者牢记使命，兢兢业业，不断创造科技新领域的结果。这样的进步与科学家的努力和辛勤研究是分不开的。科学家的历史使命，微观上说是对国家和民族的发展做出贡献，以提高其核心竞争力，宏观上说则是心系整个人类文明的发展，为人类谋幸福。每个科研工作者都需牢记初心，不忘使命，力求对自然的不断探索，拓展人类认知的新领域。

三、整流电路设计案例设计

回顾人类发展史，都是由“无”到“有”，再由“有”到“更好”的转变。就针对我国能源发展来说，“大炼钢铁”时期为了实现“以钢为纲，全面跃进”“超英赶美”等口号，举国上下大量生产钢铁，只重产量而忽视质量，最后造成财力物力的极大浪费，这和我们目前提出的可持续发展理念是背道而驰的。而后随着科技和生产力的发展，我国对能源的开发开采更注重质量，减少能源的浪费[4]。人类对能源的开采也是由经过这个过程一步步逐渐完善的。例如二十世纪六十年代和七十年代，工频为50Hz的交流电可以满足当时五分之四的大功率工业设备运作，但仍然有一些设备例如化工电解等设备需要直流电能。为了更好地利用电能，人们依托当时已经问世的晶闸管等元器件，开发了整流技术，可以将交流电能转变为直流电能供生产实际需要，这是由“无”到“有”的过程。最开始的整流技术的主流是半波整流技术，它一般只需要一个晶闸管，只能导通电源的正半周或者负半波。它结构简单，但是由于只能导通半个周期，输出电能较少，电能损耗较大。随后出现的全波整流器和全波桥式整流器则是可以导通电源全周期，輸出电压比半波整流多一倍，整流效率高，其中的全波桥式整流器相比全波整流器更是可以少去变压器副线圈的中心抽头，降低了整流二极管承受的反向电压，这是由“有”到“更好”的转变。贯穿其中的控制方式，如通断控制、相位控制和斩波控制，都是为了满足特定需求而发展起来的，更体现出这种转变过程。将来的中国将不断深化“‘一带一路能源合作关系”，在合作的广度和深度上不断扩展，力求使能源合作机制更加健全完善。

四、软开关技术设计案例设计

二十世纪六十年代发展的直流-直流斩波PWM技术是一种硬开关技术。硬开关（Hard-Swithing）是指不考虑其他因素直接强行关闭或导通开关管，此时往往会出现开关导通时开关管两端的电压下降而电流上升，或者开关断开时电压上升而电流下降的现象，使得电压波形和电流波形有重叠区域，从而导致了开关损耗，这对电能是一种消耗，不利于节能环保。与此同时由于开通和关断的过程中电压电流的急剧变化，其波形产生过冲，将产生噪声，这不仅会影响电路的运行，甚至会损坏电子器件。总结来说，硬开关对电能是一种浪费，对器件是一种损坏，对电路是一种干扰。它的缺点有：1. 开关损耗大。开关损耗包括开通损耗和关断损耗，且频率越高，损耗越大，是一种不利于节能环保和资源有效利用的副产物。2. 容性开放问题。开关器件在高压下的导通将导致储存在其中的结电容能量释放在器件上，容易过热烧坏。3. 感性关断问题。器件关断时，电路中变压器漏感等的感性元件将产生过冲电压，容易击穿开关管[5]。与此同时二极管由开通到关断的过程也需要一个恢复期，如果没有等二极管完全关断就关断电路，很可能导致电路短路。4. 干扰问题。将电力电子器件和设备小型化的有效手段是高频化，然而硬开关的高频通断会造成强烈的电磁干扰（EMI），对电路的运作十分不利。

硬开关的种种缺陷和我们国家提出的绿色协调的可持续发展理念是格格不入的。能源短缺与分布不均是世界性的问题，也是我国资源分布的一个写照。由于资源分布不均，我国进行了西气东输、南水北调等工程。在这样的大环境下，如何进行节能环保，减少能源的损耗，提高其利用率就显得尤为重要，可以说，节能环保是解决能源问题的重要举措。而节能环保则依靠循环经济的发展和高新技术的开发来实现。七十年代以来，弥补硬开关缺陷的软开关技术被研究出来，它是通过增设小电感或小电容等谐振器件使得开关管实现零电流开通或关断，或者零电压开通或关断。这种情况下的开关损耗为零，极大节约了电能，有利于高频电路设计。软开关技术的兴起解决了当时硬开关的缺陷和节能环保问题，所以说高新技术的发展是节能环保的必由之路。当前我国部分企业相比于国际巨头企业的优势仍然是资源的高消耗和廉价的劳动力，而节能降耗的可用空间非常巨大，我们完全可以通过研发高新技术和促进循环经济来节能环保，增加企业的竞争力。

软开关技术的发展解决了硬开关固有的缺点。首先，由于软开关通断时其中的电压或者电流为零，没有了功率损耗，解决了开关损耗问题;软开关在导通时电压先降至零，电流再缓慢上升，由于电压为零，不存在容性问题;软开关在关断时则是电流先下降到零，电压在缓慢上升，由于电流为零，亦解决了感性关断问题;软开关适用于高频率下的通断，解决了电磁干扰问题。所以相比于硬开关，软开关更加节约电能，突出了“高效环保”的主题。当代企业之间的竞争，除了技术创新的竞争外，更在于节能环保的竞争。生产单个产品所消耗的资源能源少一点，整个生产链上节约的资源都会是非常巨大的。软开关的出现，消除了硬开关损耗掉的能源，对于节约资源具有重要意义。

五、电力电子技术实验教学设计案例设计

电力电子技术作为一门应用性非常强的科目，包含的技术和理论是经过无数辛勤奉献的科学家不断地实验得出的结果，经得起实践的检验。学生们在掌握了相关理论知识后，用实验的方式去验证，也能培养其求真务实的学风，加深对知识的理解。例如脉冲宽度调制（PWM）技术，它的设想很早就被提了出来，即能否用一系列等高不等宽的脉冲信号代替各种输入信号以便变频变压和反抑制谐波，但基于当时电力电子元器件发展的制约，没能广泛应用。直到上个世纪八十年代出现的全控性电子器件，PWM技术才逐渐发展起来，其典型应用是在逆变技术领域[6]。现阶段比较成熟的SPWM法、等脉宽PWM法、随机PWM、矢量控制PWM等等，都是PWM技术的应用。学生们在做实验过程中，通过比较输入正弦波形得到的输出波形和输入等效脉冲得到的输出波形，也能深刻理解这一技术。

人类社会知识体系的构造是在前人研究的基础上进行更深层次的探索，得出新的结论，或验证已有的技术方法，再推广到其他领域，总趋势是螺旋式上升、波浪式前进。而这种知识体系的搭建过程中极其重要的一个环节就是实验。通过实验，人们不仅可以验证新提出的理论和构思是否正确，也可以通过实验的衍生现象进行观察和思考，迸发出新的灵感和想法，这两者相互促进，形成正反馈，共同推进着人类认知的发展。对学生来说，单单从课本上得到的知识如果不通过实验来验证，总归是抽象的，甚至是难以理解的。这个层面来说，课程实验具有的巨大的作用和深远的意义：1. 培养学生求真务实，探索真理的良好学风。科学研究需要胆大心细地提出新观点新思路，但这不是天马行空、毫无依据地凭空捏造，一切真理都需实验去证实，科研工作者更应脚踏实地做学问。2. 加深学生对课程内容的理解，激发其学习兴趣。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，自己的想法经过实验的验证后会给学生心理一种自信感，有助于激发学习热情。3. 提高其动手实践能力。通过实验，学生们对某个原理或某一定律会有更加深刻的认知，在应用的过程中也提高了实践能力。总的来说，电力电子技术是一门理论和实践紧密结合的应用型学科，实验占据了其重要一环。

六、电力电子技术科创设计案例设计

在高校中开展创新创业教育更侧重培养大学生勇于探索，大胆实践的意识和精神，并通过相应项目的实践训练，提升学生的创新创业能力[7]。电力电子技术的发展同样也不能因循守旧，要有创新的新鲜血液。各种电力电子技术科创大赛的举办，更是推动了这门学科的課程体系改革和实验室建设，比如政府主办的全国大学生电子设计竞赛（National Undergraduate Electronics Design Contest）、以创新和新能源利用为主题的GaN Systems杯高校电力电子应用设计大赛、由国际电气电子工程师协会（IEEE）主办的国际未来能源挑战赛（IFEC）等等，给广大学生提供了创新和实践的平台，也是同学们展示电力电子知识的重要舞台[8]。

各类电力电子科创竞赛的参赛作品中不乏优秀作品，许多都收录编写成了竞赛书目，这些优秀的设计案例都是新时代电力电子人才智慧的结晶，充满创新性。学生们在研读这些书目的时候，也是和这个领域的精英进行一次充满思维火花的学術探讨，有助于激发学生的想象力和创新力。大学时期的创新创业没有巨大的资本投入，容错率较大，学生在这个时期积极参加各种电力电子竞赛其实就是以较低成本积累了创新创业的宝贵经验，而参加竞赛过程中的一次次提出新想法又遇到瓶颈的过程，不断地锻炼了学生的抗压的心理素质;一次次的推陈出新，潜移默化地培养了学生的创新实践精神。

七、结束语

本文针对电子技术的教学特点，将“课程思政”和课程教学相结合，并分别将工匠精神和科学家使命、“一带一路”能源合作关系、节能环保、求真务实的科学家精神、创新创业精神五个方面通过电力电子案例融入到课程体系中，力求在传授学生专业课知识的同时培养其政治思想和道德品质，努力提升学生的精神素养。作为教育工作者，更应该不断挖掘课程体系中的思政元素并运用到日常教学活动中，努力培养德才兼备的时代新人。

参考文献：

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社，2000.

[2]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）：137-138+141.

[3]杜子.浅析电力电子技术的发展与应用[J].课程教育研究，2013（24）：227.

[4]胡静波.“电力电子技术”课程的CDIO教学改革[J].高教学刊，2015（06）：38-39.

[5]李万庆.常用功率电力开关器件的发展及应用现状[J].城市建设理论研究，2012（16）：1-3.

[6]侯志坚.高校《电力电子技术》课程实践教学研究[J].高教学刊，2018（8）：101-103.

[7]钟硕.关于高校创新创业教育工作的几点认识[J].才智，2017（7）：191.

[8]姚凤云，郑郁.略论我国高校创新创业教育发展中的问题及对策[J].商业经济，2016（2）：161-162.

*基金项目：江苏省教育厅高等教育教改研究课题“面向新工科的自动化专业工程实践教育教学体系研究”（编号：2017JSJG150）;江南大学本科教育教学改革研究项目“自动化专业电类课程的课程思政‘一核四环教学体系设计与改革实践”（编号：JG2019046）;江南大学本科教育教学改革研究项目“‘自动化一流专业建设的探索与实践”（编号：JG2019007）

作者简介：王子赟（1989-），男，汉族，江西抚州人，博士，副教授，研究方向：智能算法与电力变换技术：王艳（1978-），女，汉族，江苏盐城人，博士，教授，研究方向：工业智能制造;纪志成（1959-），男，汉族，浙江宁波人，博士，教授，研究方向：智能工业物联。