基于新工科背景下电力电子系列课程的实验教学改革

李 沁 葛桢甄 陈坤燚 徐 建

（湖北民族大学信息工程学院 湖北·恩施 445000）

0 引言

继2017年教育部启动“新工科研究与实践”项目提出新工科建设后，高等工程教育逐步转向培养工程实践能力强、具备创新能力、适应于新产业新经济的高素质复合型工程人才，其中成果导向机制的课程开发和教学设计是新工科背景下人才培养模式改革的重中之重[1]。

“电力电子学”是电气专业的专业基础课，其系列课程包括方向课、选修课和课程设计等，其中实验教学是培养学生工程实践和综合应用能力的重要环节。但是现有的传统实验室由于形式和内容单一，存在开放性和交叉性不足等问题，限制了实验教学的代表性和创新性、实验项目的设计性和灵活性，教学效率低下，无法满足新工科建设的内涵与特征。

本论文中，我们以新工科建设要求为目标，以学生为中心，修改实验教学模式，融入多学科和科技前沿知识，改进实验教学评价机制，培养学生工程应用和综合实践能力。

1 电力电子系列课程实验改革路径

针对我校“电力电子学”实验教学中存在的问题，提出“三类课程、三个层次、两种方式、三项能力”的实验改革路径，即通过必修课、选修课、课程设计类三类课程，基于验证性、综合性、设计性三个层次的实验，采用基础型和开放型两种实验方式，培养学生实践操作能力、综合分析能力和创新设计能力。

三个层次的实验依次递进为：基于传统电路拓扑的基础验证性实验；综合相关课程知识的综合性实验；基于综合性实验和工程应用要求的设计性实验。

基础型实验内容相对固定，主要用于验证课程结论和熟悉实验平台与实践操作。而开放型实验由学生通过查阅资料、结合相关知识、自行设计实验方案，在教师引导下完成实验。

所培养学生的三项能力体现在：具备借助实验平台开展参数计算、搭建功能系统的能力；具备对实验结果进行合理分析、解释，并通过信息综合得到合理有效的结论的能力；具备对工程实验研究及工程中的简单工程问题进行分解和分析，提出改进方案设计并说明设计方案可行性的能力。

2 电力电子系列课程实验大纲修订

根据上述改革路径，针对现有教学大纲内容重新修订电力电子相关课程教学大纲内容，要求实验内容设置充分体现基础验证性实验、综合性实验和设计性实验三个层次。

基础验证性实验在必修课《电力电子学》课程学习过程中完成，其大纲基于基本电路元件、经典电路拓扑模块进行实验项目设计，只在实验平台上进行基础性实验，目的是帮助学生掌握电力电子学基本理论、熟悉实验平台操作方法，应设定为必修实验。

综合性实验应在《电力电子装置与系统》《电力电子仿真》等选修课、方向课中增加比重，综合体现电力电子学、自控原理、电力拖动、Matlab等课程内容以及电力电子应用的科技前沿知识，结合储能双向直流变换电路模块、并网逆变电路模块、风力发电变流电路模块、电机控制电路模块、智能微电网双向变流模块进行多个实验项目设计，将主电路设计与控制方法相结合，培养学生基于实验结论和数据进行综合分析的能力。

《电力电子综合课程设计》等课程应设置设计性实验，采用开放引导式的模式，通过电路硬件设计与调试、电路仿真与代码编写、算法验证与创新、工程应用与验证的设计流程，以项目的形式开展，充分体现“以设计为中心”的教学理念，培养学生针对复杂工程问题研究开发设计的能力。

通过对电力电子系列课程实验大纲的优化设计，进行基础性、综合性和设计性三层实验的设置，既能体现课程的核心知识结构，又能展现当前学科发展现状，还能与其他相关课程有效衔接，实现电力电子系列课程的立体化发展，为课程体系建设与改革打下良好基础。

3 电力电子系列课程实验方案设计

为适应新工科建设要求，突出OBE的教学理念，本文以设计性实验为例说明如何进行实验方案设计。

设计性实验应突出“以设计为中心”，培养学生解决复杂工程问题的能力，本论文基于此要求设置实验教学实施方案如下图1所示。

图1：设计性实验教学实施方案

如图1所示，设计性实验的教学实施方案包括学生自主学习、课堂能力提升和课程引导与监督三个主要模块。

3.1 学生自主学习

3.1.1 理论认识

明确的理论认识能保障实验目的有效开展，是能够更合理完成设计性实验的前提。其任务的安排和设置应按照解决复杂工程问题能力培养的目的进行改造，如涉及“电力电子变流器应用”这一工程环节时，学生的理论学习应围绕解决深层次的工程问题，例如电力系统运行、控制、无功补偿、电能质量等复杂工程问题展开。

3.1.2 仿真运行

针对电气工程中的复杂工程问题，需要培养学生通过多种方法进行分析的能力，能够采用新工具和软件基于工程进行仿真开展问题分析。可通过引导，将工程问题分解为若干小目标，学生将系统建模、仿真调试运行等步骤放到课下进行。

3.2 课堂能力提升

3.2.1 平台测试

平台测试过程包括仿真运行测试和实验平台测试，是学生自主学习和课堂指导学习的有机衔接，有利于教师及时掌握学生学习状态和重难点问题，便于教师督促提升学生学习效果。因此课堂运行测试结果是课程考核成绩的重要组成部分，在课程大纲实验考核部分应酌情增加分值比例。

3.2.2 难点答疑

综合学生自学情况和运行测试结果，通过启发引导式提问，提炼主要问题，有针对性的重点分析。考虑到不同实验项目选题，此过程以小组形式讨论完成。

3.2.3 能力提升

电气工程问题不仅涉及理论知识和工程技术，还应考虑环境、经济、管理等方面的问题，因此针对同一工程问题，在基本实验目的达成下，对于较高层次的学生可提出进阶要求，通过综合应用、问题分析等能力提升训练，培养学生解决复杂工程问题的综合能力。

3.3 课程引导与监督

在实验教学过程中，为有效提高学生实践操作和问题分析的能力，教师应担任好引导、辅助和监督的角色。

因此课程管理应贯穿于教学全过程中，对学生自学过程应有合理的组织、引导、启发和监督，在课堂上应充分调动学生积极性和主动性，整体提升教学质量。且在实验考核成绩中，过程考核评分应占60%以上，在课程达成目标评价报告中其权重分配也应占有较大比例。

4 电力电子系列课程实验应用典型案例

由于逆变电路是电力电子变流电路中的典型电路，在电力系统中广泛应用。在本文中以“光伏并网逆变控制实验”为例系统阐述设计性实验方案的应用。

4.1 学生自学引导过程

如表1所示为学生自学实验的组织引导过程，该过程按阶段完成。教师应准确把握重点和难点，及时引导，避免学生学习的盲目性，并按学生反馈随时修正调节进度和难度，保障自学效果，提升自学效率。

4.2 课堂能力提升

“光伏并网逆变控制实验”的课堂教学计划如表2所示。

4.2.1 运行测试

本实验的运行测试应根据学生学习目标制定，包括针对理论知识的预习问答、仿真运行测试和实验平台电路测试。由于仿真运行应在学生自学阶段完成，通过随机提问和仿真测试结果，及时准确的把握学生自学完成度。

4.2.2 组内讨论

将实验过程分解为系统仿真和硬件电路设计与调试，每一阶段都由小组分工、协同合作完成。在小组分工阶段各学生通过自学查询资料完成参数计算、模块设计等子任务，在课堂上通过实验平台调试完成系统整体运行测试。“光伏并网逆变控制实验”中应完成开环和闭环两种控制模式设计和比较分析。

4.2.3 难点答疑

设计性实验通过自行选题分组，重难点各不相同。“光伏并网逆变控制实验”的主要难点问题在于控制器的结构设计、滤波器参数设计、输入输出电压电流的波形及相互关系分析。将难点问题分解到组内讨论的系统调试过程中，通过调试结果和波形输出对重难点内容针对性分析解答，能帮助学生更好的掌握和理解，提升实验效果。

表1：自学引导过程

4.2.4 能力提升

现代电力工程包含越来越多的复杂工程问题[2]，例如光伏并网系统包含了直流变交流逆变器、滤波环节和电网系统，因此在设计系统方案时，对学有余力的同学，在考虑系统安全稳定运行基础上，还能基于场景综合考虑环境、经济、社会和管理等因素，提出具有创新特征的可行性方案。全面提升学生分析解决复杂工程问题的综合能力。实验过程中可引导学生依据光伏并网系统相关逆变器技术规范、并网性能测试与评价方法的行业标准和规范进行设计。

5 结语

新工科建设对于高校本科教育培养工程应用型人才提出了新要求，本文基于新工科建设与人才培养模式改革，构建了“三类课程、三个层次、两种方式、三项能力”的实验改革路径。针对电力电子系列课程开展了实验教学改革研究。针对《电力电子学》《电力电子装置与系统》《电力电子综合课程设计》等电力电子系列的相关课程，设置基础验证性、综合性、设计性层次依次递进的实验，采用基础型和开放型的实验方式，通过完善教学大纲、转变教学模式、建立教学反馈机制、加强过程引导监督、采用全方位考核评价体系，全面培养和提升学生实践操作能力、综合分析能力和创新设计能力。