新工科背景下“电力电子技术”课程改革探索

蒋建波，杨念婷

（大理大学，云南大理 671003）

2017 年，在综合性高校和工科优势高校的新工科建设研讨会上，新工科理念〔1-2〕首次被提出，其具体内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。大理大学（以下简称“我校”）电气工程及其自动化专业和储能科学与工程专业是新时代背景下典型的工科专业，而“电力电子技术”课程是这两个专业共同开设的一门专业教育必修课，其课程目标是使学生掌握电力电子器件特性、各种基础变换器、常规调制技术和软开关技术，并培养学生的安全意识、创新意识和严谨的科学态度。因此，为了实现该课程的目标以及响应新工科对人才培养所提出的新目标，必须将新工科“立德树人、应对变化、塑造未来”等理念落实到“电力电子技术”课程的建设中。

“电力电子技术”课程的特点包括波形多且复杂、电路拓扑多样化等〔3〕，同时，该课程还涉及调制技术、自动控制技术等，属于电力学、电子学等多学科融合的综合性课程。然而，我校的“电力电子技术”课程目前存在学时不足、教学手段单一、课程内容陈旧、未充分融合课程思政等问题，对该课程进行必要的改革创新，已刻不容缓。

针对上述问题，我校“电力电子技术”课程组以新工科理念为指导思想，结合新时代背景下各相关产业对电力电子技术的新需求，对课程思政、教学手段、课程内容等进行一系列的改革，以期培养符合新时代需求的多元化、创新型卓越工程人才。

1 “电力电子技术”课程存在的问题

结合新工科背景下对工科人才需要具备较强的工程实践能力、创新能力和国际竞争力的需求与新时代电力电子技术高频、高功率密度的发展趋势，综合分析可以发现，目前我校“电力电子技术”课程存在多个亟待解决的问题，以下将对这些问题进行详细阐述。

1.1 课程内容多而学时不足电力电子技术是一种应用于电力领域的电子技术，其核心内容是利用电力电子器件对电能进行变换与控制。这门课程以模拟电子技术、数字电子技术、电路原理课程为基础，并融合自动控制理论、电力系统分析、工程电磁场等课程的部分内容。课程内容结构以半导体开关器件为基础，以4 种基本的电力电子变流电路（即直流-直流变流电路、交流-交流变流电路、整流电路和逆变器电路）为主体，并辅以调制技术、软开关技术等，其特点包括拓扑结构多样化、特征波形多且复杂、开关逻辑各异等。

针对该课程内容，理想的学时应该是64 学时左右，然而，目前我校针对该课程所分配的学时不足，仅为48 学时，对该课程的教学造成不小的挑战。由此也引申出其他方面的问题，如：为了囊括所有教学内容，会造成知识点密集，使得学生难以完全接受，无法保证学生充足的反应吸收时间，也必然会牺牲部分师生互动的时间等，以上问题必将降低学生的学习效率。

1.2 教学手段单一目前的教学手段包括多媒体教学（PPT）、板书和单独开设的实验课。结合“电力电子技术”这门课的特点不难看出，目前的教学手段还有较大的改进空间。针对“电力电子技术”课程，作者认为理想的教学手段应该是理论教学与实验教学为主体，并以思想政治教育、该领域的应用与发展趋势的讲解、各种先进工具的利用等为辅助，形成多样化教学方式集合，进而针对不同受众群体和教学目标因材施教。

首先，受器件参数、电气环境的影响，电力电子电路具有很强的非线性特征，而目前的教学皆以理想化条件为基础展开分析。这种方法虽然便于理解，但与实际脱离严重，学生在今后实际工作中遇到类似电路时，会对相关波形等产生疑惑，无法达到学以致用的目的。

其次，新时代背景下，针对电力电子的仿真工具具有多样化、精度高等特点。具有代表性的仿真软件或平台主要有Matlab 软件的Simulink 工具箱〔4〕、PSIM〔5〕、硬件在环仿真平台〔6-7〕等。虽然实验课相比仿真更接近实际，但目前我校电力电子实验设备较少，无法保证每位学生有充足的实验时间，且实验参数固定，无法随意更改，不便于研究参数变化对变换器性能的影响。

最后，电力电子技术发展至今，仍处于高速发展阶段，目前的课程教学中未涉及电力电子发展的前沿技术，学生对电力电子发展的趋势不了解，也不熟悉电力电子行业发展相关的需求，进而可能限制学生的创新思维。

1.3 课程内容陈旧目前我校“电力电子技术”课程仍然沿用2009 年出版的教材及其相关的内容体系，而至今为止，电力电子技术在十多年的发展历程中涌现出许多新技术、新拓扑。虽然这些技术都是基于传统电力电子技术衍生而来，但也存在许多差异。例如针对并网逆变器的并网电流纹波衰减问题，传统的方法是采用分立形式的LCL 滤波器，然而，基于此问题，有学者提出了采用电磁能量转移的方法将并网电流纹波转移至其他不关键的支路中〔8〕，进而实现并网电流纹波衰减，同时也将分立的磁性元件进行集成，有效减小了滤波器体积。又如针对低功率的并网逆变器应用，传统的拓扑结构通常选择H 桥逆变器拓扑，但该拓扑会导致直流侧存在两倍频功率振荡，且无法实现升压逆变，在光伏并网应用中还存在共模漏电流问题，而针对这一问题，有学者提出一种由两个Boost 变换器交错级联构成的逆变器拓扑〔9〕，可以同时解决两倍频功率振荡、共模漏电流和升压逆变等问题，见图1。

图1 文献〔9〕提出的逆变器拓扑结构

诸如此类的新技术还很多，在此不做赘述。由此可以看出，目前的课程内容体系已无法适应新时代的发展，需要在此基础上进行必要的革新。需要注意的是，原有知识点虽然陈旧，但对于学生理解基本原理具有不可替代的作用，因此对课程内容的革新是在原有知识点的基础上融入新的知识点，而不是完全的替代。

1.4 课程思政缺乏传统教学中，教师更注重教学理论内容，不同程度忽略了大学课程是传授知识和思想政治教育相结合的。如何深入贯彻落实全国高校思想政治工作会议精神，为国家、为社会培养出明辨是非、德才兼备的复合型人才是每个大学教师需要思考的问题。同样，目前我校“电力电子技术”课程仍然偏重于理论教学，未充分融合课程思政，有待加强与改进。

2 “电力电子技术”课程改革探索

针对目前我校“电力电子技术”课程存在的诸多问题，结合已有资源，开展以下几个方面的课程改革工作。

2.1 课程思政融入教学过程我校“电力电子技术”课程团队坚持以“立德树人”为根本原则，结合电力电子技术相关领域开展课程思政工作。

首先，课程团队成员通过研讨会的方式，对“电力电子技术”相关课程内容深入挖掘、总结出适合开展思政教育的知识点。例如在讲授逆变电路知识点时，引申出光伏并网应用，以光伏为代表的新能源发电具有零排放、无污染、环境友好的特点，在我国碳达峰、碳中和（“双碳”）目标的推进中起到了举足轻重的作用，而光伏逆变器是光伏并网的核心装备，作为电气、储能专业的当代大学生以及未来的工程人才，需要履行好实现“双碳”目标的义务。

其次，通过历史案例等形式探寻总结电力电子相关领域中存在的德育元素，在讲解相关知识点的同时引出案例，激发学生的民族自豪感，培养与引导学生树立正确的价值观、历史责任感及文化自信。例如我国的高压直流输电技术中，以换流器、无功补偿装置等为代表的核心装备，都是基于电力电子技术发展而来的，而我国的国产装备也处于世界领先地位，这使得我国的高压直流输电技术巍然屹立于世界之巅。以此来激发学生的民族自豪感，并由此培养学生作为未来工程人才的责任感。

2.2 丰富教学手段，增强学习兴趣针对教学手段不够丰富及学时不足的问题，我校“电力电子技术”课程团队将先进的仿真工具引入课程教学中。前文所述3 种先进仿真工具中，以Matlab/Simulink 应用较为广泛，因此选择这一工具来丰富教学手段。下面以一个简单的案例设计来阐述该工具的作用。

以带阻感负载的单相桥式全控整流电路为例来展示引入先进仿真工具后的教学效果。图2 展示了利用Matlab/Simulink 搭建的带阻感负载的单相桥式全控整流电路的仿真模型，根据理论分析（定义电感无穷大），该电路的关键波形见图3，其中u2和i2为交流侧电压和电流，ud和id为直流侧电压和电流，uVTx和iVTx分别表示第x 个晶闸管的电压和电流。

图2 单相桥式全控整流电路仿真模型

图3 单相桥式全控整流电路关键波形

可以看出理想条件下直流侧电流是恒定的，交流侧的电流为标准的方波。如此定义虽然便于分析，但与实际情况相差甚远。图4 展示了U2=100 V、L=10 mH、R=10 Ω、α=45°时的仿真结果，可以发现与理论分析差距较大，这是由于实际应用中电感值是有限的。这可能导致学生在今后工作中遇到类似问题时并不能完全理解这种现象，不能达到学以致用的目的。

图4 单相桥式全控整流电路仿真波形

基于图4 对该电路进行分析，以促进学生的理解与掌握。可以看出实际条件下，在交流电压由正到负之后，电感电流并不能完全持续到下一个触发信号的到来，这就造成在另一组晶闸管开通之前，前一组晶闸管就会提前关断，关断之前的工作模式与图3 所示相同，另一组晶闸管的电压等于电网电压u2；关断后晶闸管VT1承受一半的交流电压u2/2，这也是图4 中触发信号到达之前晶闸管电压出现跳变的原因。

为了验证图3 所示关键波形的合理性，需要引导学生不断加大电感值进行重复仿真验证，以逼近图3 所示波形。图5 展示了随着电感值逐渐增加时直流侧电流的波形，可以看出随着电感值的增加，直流侧电流从断续变为连续，并逐渐趋于恒定，从而验证了图3 所示波形的合理性。

图5 随电感值增加时id 的仿真波形

从上述案例可以看出，通过Matlab/Simulink 工具的仿真实验，可以清晰地展示参数变化情况下整流器的输出特性，有利于加深学生对该电路工作原理的理解。同时，该仿真工具也被各电力企业广泛应用，通过仿真练习，也可以使学生掌握一门实用技能。此外，仿真练习安排学生以课外作业的形式完成，让学生在课前就对知识点有清晰的认识；同时，利用雨课堂等互联网工具加以辅助，丰富课外教学手段。综上所述，通过先进仿真工具及互联网工具的应用，可以间接起到节约课时的作用，有利于提高学习效率。

2.3 科研与教学融合，扩展视野课堂内所讲授的知识点，大部分都具有基础性较强、新颖性不足的特点。筑牢学生的基础固然重要，但如果能在扎实的基础之上再辅以创新能力的培养，则更有利于提升学生的综合素质。

针对这一问题，我校“电力电子技术”课程团队的教师将自己近期取得的科研成果在适当的地方，以知识拓展的形式融入课程教学中。例如，图1 所示的逆变器拓扑即为作者在攻读博士期间所提出的一种新拓扑，主要应用于低功率的光伏并网系统。此部分内容可以在讲解H 桥逆变电路的时候引入，H 桥逆变器的优点是拓扑结构简单，控制方便，适合以此为例向学生讲解逆变器的原理。然而，当H 桥逆变器被应用于光伏并网系统时存在3 个方面的问题：共模漏电流、直流侧两倍频功率振荡和无法升压逆变。针对这个问题，作者利用两个升压直流变换器（一个由图1 中的L1、S1和C1构成，另一个则由图1 中的L2、S2和C2构成）通过巧妙的交错级联方式构成图1 所示的新型逆变器拓扑。该拓扑交流侧和直流侧共地，从而完全消除了共模漏电流；还提出一种两倍频功率解耦策略以消除直流侧功率振荡；最后，该拓扑还具有升压逆变能力。因此，所提出的新拓扑完全解决了上述3 个问题。

此类例子还有很多，但其共同点都类似，即基于基础的电力电子技术，通过巧妙的构思加以改进，实现不一样的功能，解决当下工业界存在的问题。通过科研例子的扩展，能够打开学生的眼界，有利于培养学生的创造性思维。科研反哺教学的主要方式包括但不限于：向学生讲授科研创新点推导思路，培养学生解决问题的能力；向学生介绍通过需求导向型方式取得的科研成果，培养学生探索、发现并解决问题的能力。

2.4 改进课程内容，适应时代潮流如前所述，我校“电力电子技术”课程目前仍然沿用2009 年出版的教材，无法适应当前电力电子技术的发展。针对这一问题，首先对教材内容知识点进行了改进，改进的方式包括增加部分新内容、替换部分已被淘汰的内容；其次，对实践教学内容也进行了相应的改进。

在增加新内容方面，主要体现在增加一些目前被广泛应用的变流电路，以及上文中所述的增加一些科研成果进行知识拓展。例如，在整流电路应用中，目前被广泛采用的是PWM 整流器，其优势是不会向电网注入低次谐波，进而影响电网运行的安全稳定性。这部分内容加入相控式晶闸管整流电路之后，可以起到承上启下的作用，同时也可以培养学生发现问题、解决问题的思路与能力。

在替换内容方面，主要体现在一些理论知识晦涩难懂且目前已被先进技术淘汰的知识点。例如，在晶闸管整流电路的相位控制实现方面，以前的方式是采用同步信号为锯齿波的触发电路，该电路本质上是一种运行逻辑多变、拓扑结构复杂、元器件较多的模拟电路，学生对此类电路的理解掌握能力较差。此外，该电路功耗高，可靠性较差，目前已被可靠性高、多功能化的集成电路所替代，如果再占用较多课时（3 个课时左右）对此类内容进行讲解，将得不偿失。因此，此部分内容被替换为常用的集成电路系列的功能与应用介绍。

在实践教学内容方面，将锯齿波同步移相触发电路实验移除，增加了基于Matlab/Simulink 仿真平台的PWM 整流电路仿真实验，采用实际试验台操作与仿真实验相结合的方式进行理论验证，一方面将实际实验的真实性与仿真实验的灵活性进行优势互补，另一方面也一定程度上弥补了实验设备不足的缺点。

3 改革成效

由于本次课程改革处于初期探索阶段，因此本研究仅对比了改革前后两届学生的期末考试情况及学生评价情况，虽然样本数量不够充足，但在一定程度上也能反映本次改革的成效。改革前后两届学生的总人数均为58 人，图6 所示为改革前后两届学生的期末考试成绩对比图，及格率从89.7%上升至96.6%，80 分以上的同学从8.6%增加至27.6%。可以发现经过课程改革以后学生成绩得到了明显的提升，不及格人数由6 人减少至2 人，对应占比由10.3%下降至3.4%；60～69 分区间人数由21 人下降至12 人，对应占比由36.2%下降至20.7%；70~79 分区间人数由26 人增加至28 人，对应占比由44.8%增加至48.3%；80~89 分区间人数由5 人增加至14 人，对应占比由8.6%增加至24.1%；90 分以上的学生也实现了从0 人到2 人的突破。同时，改革后的期末考试成绩也由改革前的轻度偏态分布转变为正态分布。在学生评价方面，主要通过学生网络评教和纸质打分的形式，通过统计，改革前后评价的平均分也从90.3 分上升至92.5分；在同行评价方面，通过与云南民族大学等同行教师相互交流，得到了“教学手段丰富多样、教学思维新颖”等好评。

图6 改革前后期末考试成绩对比

此外，通过此次改革以及后续的努力，以期实现以下目标：

3.1 弘扬文化自信，提升历史责任感通过理论教学与课程思政的高度融合，以有效激发学生的民族自豪感与历史责任感，使其深刻体会到作为未来工程人才所肩负的责任，进而培养学生正确的价值观，激发学生的斗志，使其更加努力地投入到理论学习中。

3.2 应用仿真工具，提高学习效率通过先进仿真工具的应用，以起到预习的作用，在课程讲解过程中学生能够快速进入状态，起到了事半功倍的效果；其次，充分调动学生向老师提问的积极性，进而提升学习主动性，以达到提高学习效率的目的。

3.3 丰富学生技能，拓宽学生视野首先，Matlab/Simulink 仿真工具是众多电力企业广泛使用的一种仿真工具，力求学生在本课程的学习中熟练掌握这一工具的使用方法，丰富学生的技能库，提升竞争力；其次，通过科研成果的拓展，培养学生发现问题并解决问题的能力，激发其创新思维能力，拓宽学生对本专业应用的视野。

大理大学“电力电子技术”课程团队针对目前课程教学所凸显的一系列问题，以新工科理念为思想指导，采用融入思政教育、课程内容结构改进、结合先进工具与科研成果等方式进行改革与探索。目前已取得了初步成效，但仍然存在许多需要完善的地方，下一步将从深入贯彻课程思政教育、提高科研反哺教学的力度与范围、继续丰富完善教学手段等方面进一步对“电力电子技术”课程进行改革与完善。