研究型大学中“电力电子技术基础”课程改革

李久胜,王明彦,孙铁成,杨贵杰,国海峰

(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨 150001）

研究型大学中“电力电子技术基础”课程改革

李久胜,王明彦,孙铁成,杨贵杰,国海峰

(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨 150001）

哈尔滨工业大学《电力电子技术基础》课程经历了产学研结合的发展历程,一直在与时俱进地积极开展课程的教学研究和改革。近年来针对研究型大学的特点和本科毕业生的就业走向,及时地调整了人才培养的模式。在教学改革方面更注重学生自主学习能力、分析研究问题能力和创新意识的培养,逐步将培养模式从培养“继承性”人才转变到培养“研究性”人才。围绕这一教改思路,课程组在理论教学和实践教学两个方面深入开展了研究与探索,逐渐形成了适合于研究性人才培养的《电力电子技术基础》课程的新型教学模式。

电力电子技术;教学改革;培养模式;研究型大学

0 引言

哈尔滨工业大学电力电子技术教学开始于1960年代中期。此时可控硅(晶闸管)及其变流技术初步成熟,我校工业电气化及自动化专业注重“产学研”结合,在夏德钤教授主持下,在国内率先开出“可控硅(晶闸管)变流技术”课程。师生共同学习、研究和应用“可控硅——直流电动机”系统拖动技术,完成了哈尔滨电机厂苏联援建项目“大型龙门刨床”的电控系统的技术改造、“远望”号测量船经纬仪随动系统研制等国家级重大项目。“可控硅(晶闸管)变流技术”课程的开设,奠定了我校“电力电子技术”课程的基础。

1970年代末,“可控硅(晶闸管)变流技术”课程更名为“半导体变流技术”。我校电气工程系在微特电机及其控制、电器技术和工业电气自动化等专业均设置了“半导体变流技术”课程。“半导体变流技术”课程理论体系逐渐形成的同时,实践性教学平台也开始建设。1977年,课程组教师在科研工作的基础上,研制出单相可控整流实验装置和三相可控整流实验装置各6套,为学生实践能力的培养起到了重要的作用。1992年,课程组又研制了KSS-1型可控硅直流调速实验装置6套。该实验装置能完成“半导体变流技术”课程的所有实验。上述两种实验装置当时在国内高校中处于领先水平。

1998年,根据教育部修订的“普通高等学校本科专业目录”,我校电气工程系将原电机、电器、电力系统及其自动化、工业自动化等全部本科专业合并为电气工程及其自动化专业。将“半导体变流技术”课程名称改为“电力电子技术基础”并将其作为电气工程及其自动化专业本科教学计划中必修的专业基础课。电力电子技术学科的迅猛发展使其在电气工程领域中的作用越来越重要,从2000年起,电力电子技术基础课程被定为电气工程学科硕士研究生入学复试的两门笔试课程之一,课程名称中的基础二字是用来与研究生阶段的电力电子技术高级课程加以区分。该课程也是《电气工程及其自动化专业认证标准》中指定的2门学科专业基础课程之一[1]。

2004年,“电力电子技术基础”课程被评为哈尔滨工业大学优秀课程,掀开了课程全面建设的新篇章。2003年,在学校“985”重点共建项目的支持下,实验室购买了求是公司生产的“MCL-Ⅲ型电力电子及电力传动教学实验台”11个。在教学内容上也完成了从传统半导体变流技术到现代电力电子技术的重大转变。

从课程的发展历程中不难看出,科研与教学相结合及注重实验建设是我校“电力电子技术基础”课程建设的优良传统,它为课程今后的建设和发展积累了丰富的经验并打下了坚固的基础。

近年来,本校“电气工程及其自动化”专业毕业生的分配情况是:有40%考取硕士研究生,近60%应聘到对专业技术能力要求很高的高科技企业工作,这种就业趋势在研究型大学中是十分普遍的。根据这一就业特点及研究型大学的办学理念,我们及时地调整了人才培养的模式,在教学改革方面更注重学生自主学习能力、分析研究问题能力和创新意识的培养,逐步将培养模式从培养“继承性”人才转变到培养“研究性”人才。围绕这一教改思路,课程组在理论教学和实践教学两个方面深入开展了研究与探索,逐渐形成了适合于研究性人才培养的《电力电子技术基础》课程的新型教学模式。本文第2部分将介绍我校《电力电子技术基础》课程的总体教学理念,第3部分将介绍在理论教学方面的教改措施,第4部分将介绍在实践教学方面的教改举措,第5部分为结论。

2 “电力电子技术基础”课程教学理念

经过多年的积累,尤其是近年来的深入、全面的教学探索与实践,该课程在教学改革、实验建设、教材建设等方面取得了显著的成果,并形成了一套针对研究型人才培养的《电力电子技术基础》课程的教学理念。该教学理念可概括为一个核心,两个重点,三个主要内容,四种教学手段:

1)一个核心是指教学指导思想是以绿色电能变换技术为核心。在学习基本的电力电子变流技术时,围绕节能减排的主题,突出绿色电能变换的意义。教学目的是在学习专业知识的同时,培养学生的环保意识和解决能源问题的社会责任感。

2)两个重点是指教学的重点集中于电能变换电路的基本拓扑结构和典型控制方法。以此为线索学习各种变换电路,可更好地概括和提升电力电子电路的本质。重点突出之后,有利于帮助学生提纲挈领地把握课程内容,有利于培养学生举一反三、触类旁通的能力。

3)三个主要内容是指教学内容包括变换器、应用和设计三个组成部分。变换器部分是整个课程的重点,包括二极管整流器、晶闸管相控变流器、开关型DC-DC变换器、开关型逆变器等四种变流电路,它们概括了所有电力电子变换器的基本结构。应用部分重点介绍通用变换器在电源、电机驱动及电力输送和接口等领域的应用。设计部分包括电力电子器件的结构和原理,器件的驱动和保护等与变流器设计相关的内容。各部分之间,层次分明,顺序合理,有利于教学安排[2]。

4)四种教学手段是指开展研究型教学的4种有效的教学手段。其中前两种为理论教学手段,指采用中西合璧的手段加强教材建设,采用计算机仿真手段促进课后学习;后两种为实践教学手段,指通过课程设计的手段训练工程实践能力,通过创新研修项目培养研究和创造能力。这四种教学手段集中体现了本课程教学改革的思路和教学设计的特色。下面将详细介绍在理论教学方面和实践教学方面的教改举措。

3 理论教学方面的教改措施

1)采用中西合璧的手段加强教材建设。由于国内优秀教材知识系统性强,而国外知名教材教学思路好,所以在教材选择方面,将1本知名的中文教材和1本知名英文教材有机组合起来,共同作为参考教材。中文教材为《电力电子技术(第4版)[3],为普通高等教育九五国家级规划教材。英文教材为由高等教育出版社引进的国外优秀教学用书,由美国明尼苏达大学莫汉教授编著的《电力电子学——变换器,应用和设计(第3版)》[4]。教材的综合选用可使学生在学习过程中,同时受到东、西方教学理念的熏陶,在打好基础的同时,又在研究方法上实现与国际接轨。

2)采用计算机仿真手段促进课后学习。对于研究型大学的学生,支持和鼓励学生开展自主学习,并培养学生自主学习能力是十分必要的。为了鼓励学生自学,在课堂教学中只重点讲解分析方法和典型电路,其它一些电路的分析和研究留给学生课后通过自学来掌握。为了帮助学生开展自主学习,我们将电力电子电路的计算机仿真引进到教学中来,作为支持课外学习和研究的有力技术手段,要求学生运用计算机仿真工具来完成作业和帮助学习。积极有效的课外学习即可有效地强化对课堂教学内容的理解,扩展学习内容,又培养了自主学习和研究型学习的能力。

3)有效运用信息技术手段改善课堂教学的效果。电力电子技术课程教学内容较多、电路多、信息量大,比较适合采用多媒体教学。比如讲授基本变流电路时涉及到复杂的电路结构和众多的电压、电流波形分析,传统的黑板教学方式既费时又不美观。但是单纯采用PPT教学,学生上课时只是被动地观看教师的讲解,学习主动性差,效果往往不理想。我们解决这个问题的方法是:以晶闸管三相桥式变流电路的教学为例,课前给学生提供的PPT课件上,只给出了电路图和三相交流电的波形图,上课时以三相交流电的波形图为底图,边分析电路,教师边利用“手写板”在PPT的底图上勾勒输出电压波形,老师画波形的同时学生们也在事先打印出来的教案上,与老师一同画波形。这样学生听课时即动脑也动手,边学边练,对教学内容印象更深刻。实际上采用了计算机手写板,是将传统的板书与现代的多媒体教学手段有机地结合起来,优势互补,扬长避短,教学效果十分显著,受到学生的好评。

4 实践教学方面的教改措施

工程实践性强是《电力电子技术》课程的显著特点,如何构建课程的实验教学体系一直是课程建设的重要问题。在实践教学方面,教学团队以培养学生的设计能力、创新精神和创新能力为目标,开展了一系列的教学研究工作。经过近5年的努力,教学团队确立了“一个中心,两个途径,三个层次,四个转变”的实验教学指导思想:一个中心是指以培养学生创新能力中心;两个途径是引导学生从课堂教学和实验教学两个途径进行学习;三个层次是指实验教学体系包括验证性实验、设计性实验和研究性实验三个递进的层次;四个转变是指在理论和实验教学实施过程中要实现:从传统变流技术为主到现代电能变换技术为主的转变、从变流电路原理分析为主到理论分析与工程设计相结合的转变、从验证性实验为主到研究性、设计性实验为主的转变、从硬件实验为主到仿真与硬件实验相结合的转变。在该创新教育思想指导下,我们完成了多项校教学实验技术研究课题,在此基础上构建了集验证性、设计性和研究性实验为一体的研究性实验教学体系,其中前两个层次为必修,第三个层次为选修。三个层次,从低到高、循序渐进地培养和锻炼学生的动手能力、设计能力以及研究能力[5]。

4.1 验证性实验的设计思想与效果

实验教学体系中第一层次是与课堂教学相配合的验证性实验,学时为20。验证性实验目的是使学生通过这些基本实验,深入理解基本电能变换电路拓扑结构和工作原理,受到本门课应有的基本实验技能的训练;在实验中强调对实验结果的分析,使学生对电路工作原理有更深刻的理解。为了提高验证性实验的效果,我们打破了传统的以验证课堂学习内容为目的的实验教学模式,将验证性实验转化为设计性和综合性实验,并将实验单独设课以加强管理。实验指导教师在实验之前就给学生下达了实验的任务,并布置了与实验有关的思考题。要求学生根据实验要求,事先自行设计实验方案。实验时,教师根据学生提出的实验方案,适当加以引导,最后统一到最优的实验方案上来。学生根据最后确定的实验方案进行实验和分析,然后根据实验结果写出实验报告。

实验单独设课以后,学生对实验的重视程度提高了。实行由学生自主设计实验方案的做法后,学生由原来的被动实验变成了主动参与,实验室成为他们实践锻炼的场所,此做法受到了学生的好评。

4.2 设计性实验的设计思想与效果

实验教学体系中第二层次是课程设计中的设计性实验,学时为1周。第一层次中的验证性实验依托的标准化的实验平台,安全、方便管理,但学生动手搭建、调试电路的机会少,限制了动手能力和创新能力的培养。课程设计可弥补这个不足,课程设计可选择具有较高实用价值、能够反映该学科的最新发展的题目作为课程设计的内容。在课程设计中,学生首先通过查阅资料进行电路设计,然后完成实验电路的搭建和调试,并进行深层次分析和研究。通过课程设计使学生了解新技术的发展动态,同时对本课程的应用领域、可以解决的问题有了更直观、更感性的认识。

为了培养学生设计能力,我们开发了“PWM开关型变换器”,作为“电力电子技术课程设计”的硬件平台。该实验平台可以提供直流脉宽调速驱动电源等课程设计课题。课程设计主要任务包括:主电路的设计、器件的选型,控制电路设计和装焊,驱动电源的调试。课程设计的成果包括:用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图,电路设计过程的详细说明书及焊装和调试完毕的控制电路板。在课程设计的实施过程中,为了培养学生的合作精神,安排2-3人组成1个设计小组,通过合理的分工和协作共同完成上述设计任务。为了调动学生的主动性,发放一定经费,要求学生自己购买器件;发放基本的焊装工具,学生可自由安排时间完成焊装工作。在设计过程中,只有调试工作是在实验室中完成,这样可降低对实验室容纳能力的要求,减少指导教师的工作负担,提高课程设计的效率。

我们对参加过课程设计的学生进行了问卷调查,在谈到课程设计的主要收获时,同学们普遍认为:通过课程设计,不仅对理论知识有了更深入的了解,还学到了很多课堂无法学到的内容;主要收获是动手能力和调试能力得到加强。该实验平台的研制已于2008年通过了学校鉴定,鉴定委员会认为:实验平台设计思想先进,通用性强、可靠性高、性价比高,弥补了国内工科院校中“电力电子技术课程设计”实验装置方面的短缺,在工科院校中具有很高的推广应用价值。该实验装置已于2008年推广到哈工大威海分校信息学院使用。

4.3 研究性实验的设计思想与效果

实验教学体系中第三层次是创新性研究专题中的研究性实验,为选修内容。在完成了一、二两个层次的学习后,部分能力较强、兴趣较高的学生还可选择创新性研究专题。这些研究专题能够提供给学生独立思考、自选方案的机会,拓展学生自我发挥、自主创新的空间,同时培养学生通过自学获取知识的能力。研究性实验是开展创新性研究专题的重要手段,研究性实验可以是计算机仿真实验也可以在实际硬件上做实验。其中仿真实验给学生提供一个虚拟的实验环境,利用PSPICE或MATLAB进行电路仿真,即可解决实验设备功能和数量不足的困难,又具有高效、高精度、高经济性、高可靠性和方便灵活等诸多优点。运用仿真实验的工具,学生可以根据研究的重点或实际需要,抓住其本质或主要矛盾,对实际对象进行简化和提炼,加强了对所学知识的理解,也为学生今后从事工程设计和科学研究打下良好的基础。

为了给创新性研究专题提供硬件实验平台,5年来我们完成了2个教学实验研究项目,为学有余力的学生提供了培养和锻炼创新能力的实验平台。其中“三电平逆变器及其控制”实验装置为学生提供了研究“DSP及其应用技术”、“三电平逆变技术”以及“基于电压空间矢量调制的多电平逆变器开关调制技术”等专题的实验条件。该项目已通过学校鉴定。“DSP控制的全桥移相零电压DC-DC变换器”实验装置采用DSP为控制器,实现了对H桥直流变换器的软开关控制。实验装置采用面板接线方式,使用方便、安全可靠。学生可以利用此平台完成有关软开关方面的创新性专题研究工作。该装置于2008年获得了教育部授予的“自制教学仪器设备成果奖”。

该实验教学体系实施三年以来,学生参与实验的积极性、主动性大大提高,设计、研究和解决问题的能力得到了大幅提升,为以后研究生阶段的工作打下良好基础。例如,在创新研究专题中,通过研究性实验使学生的设计能力和创新能力大为提高。在这些创新研究专题基础上,有多篇本科毕业设计论文获得了校本科优秀毕业论文奖。参加过创新研究专题的同学,在各种科技创新活动中也取得了丰硕的成绩。

5 结论

本文针对研究型大学中人才培养的特点,结合我校《电力电子技术基础》课程教学改革的经验,介绍了面向研究性人才培养的新型教学模式,主要特点是:

1)在教学改革方面注重实验技术研究、充分发挥计算机仿真的作用以促进自主学习,教材建设中西结合、优势互补,实现了从“继承性”到“研究性”人才培养模式的重大转变。

2)在国内高校中首次构建了集验证性、设计性和研究性实验为一体的研究性实验教学体系,从低到高、循序渐进地培养和锻炼学生的动手能力、设计能力以及研究能力。

在探索这一教学模式过程中,课程组深入开展了教学改革的理论研究与实践探索,完成了三个校教学实验研究项目,并于2008年在黑龙江省新世纪高等教育教学改革工程中获得立项。近年来课程组在“中国大学教学”、“中国电力教育”、“电气电子教学学报”和本专业全国教学研讨会上发表了8篇教学研究论文;获得教学表彰6项,其中“电力电子技术课程研究性实验教学体系的构建”教学成果受到了同行专家的肯定,荣获2009年黑龙江省高等教育教学成果一等奖。

[1] 王泽忠王兆安.电气工程专业工程教育专业认证进展.第五届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集,2008年 4月,西安:1-7

[2] 李久胜王明彦.“电力电子学基础”课程的研究导向型教学设计,电气电子教学学报,2008年(5):84-86

[3] 王兆安 黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2001年

[4] (美)莫汉 等.电力电子学——变换器、应用和设计(第3版).高等教育出版社,2004

[5] 李久胜王明彦.“电力电子技术”研究性实验教学体系的构建,第三届中国高校电力电子与电力传动学术年会,2009年4月,北京:12-14