电力电子技术课程设计教学模式改革与创新

艾青　李绍武　陈坤　李沁

摘 要：结合应用型本科高校的培养要求，对我校电气工程及其自动化专业的电力电子技术课程设计的教学模式开展研究。加强课程设计教学过程管理，改革实践教学方法及手段，通过多种途径开展创新实践教育。通过改变传统教学模式不仅增强了学生的学习兴趣，还提高了他们的工程实践能力和创新能力。

关键词：教学模式；工程实践；创新能力

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）04-0035-03

Abstract： Combining the training requirements of applied undergraduate universities， this paper studies the teaching model reform in the power electronic technology courses in our school through a variety of ways to carry out the innovation education practice. Changing the traditional teaching mode not only enhances the students' interest in learning， but also improves their engineering practice ability and innovation ability.

Keywords： teaching mode； engineering practice； innovation ability

我校电气工程及其自动化专业从1993年开始招本科生，经过二十多年的建设发展，为地方社会经济发展培养了大量的工程技术人才。近年随着应用型本科教育的推广，为适应现代化建设的发展需要，工程技术人才的创新实践能力更加突出。随着硬件技术的快速发展，电力电子技术在电力系统中的应用越来越广泛，高压直流输电就是典型的代表。同时在新能源并网发电以及大量的开关电源等应用领域加速发展，电力电子技术应用已渗透到国民经济各部门，对电力电子技术的人才的需求大并且要求越来越高[1，2]。

课程设计是电力电子技术实践教学的重要组成环节。其目的不仅要求学生掌握基本电力电子器件的性能和应用方法，而且要求学生具备基本电力电子电路的设计能力，更要培养学生在电力电子技术应用领域中工程实践能力和创新的能力[3]。本文根据电力电子技术课程设计教学大纲要求，从教学过程管理、教学方法及手段、创新实践教育等方面进行教学研究。

一、教学过程管理

课程设计教学环节的过程管理就是通过一系列的事先定义好的计划和纲要，来组织、协调和监管整个课程设计过程，完成课程设计目标[4]。电力电子技术课程设计的目的是训练学生综合运用已经学过的电力电子变流电路的基础知识，独立查找资料、设计方案、选择器件，设计电路、分析撰写课程设计报告。通过这一环节的学习加强对电力电子技术基本理论、基本分析方法和基本技能的培养和训练，加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力。课程设计教学过程管理的主要环节如图1所示。

（一）编写任务书

根据电力电子技术课程设计的教学大纲，编写课程设计任务书。一般情况是由教师直接下达给学生，旨在让学生明确课程设计的任务及要求，引导学生主动查阅资料，理清设计思路从而为方案论证做好准备工作。

任务书的具体要求包括：提交设计报告，报告中要求有设计系统的理论分析计算和仿真分析计算的过程和结果；设计报告要提供各元器件的选型清单；要求根据设计报告制作实物，并将实物测试数据写入设计报告中。

根据本校实际情况，任务书课题包括基础题和提高题，主要包括两个工程应用方面的主题供学生选择：一个是户用光伏并网系统中的电力电子技术应用；另一个就是不间断电源中的电力电子技术应用。其中基础题包括：（1）单相桥式整流电路的设计；（2）升压斩波电路的设计；（3）非隔离降压斩波电路设计；（4）单相桥式无源逆变电路设计等。每个课题指定具体的参数要求。例如基础课题（1）的参数要求如下：电网供电电压为单相220V；电网电压波动为-5%～+5%；输出电压Ud为0～150V；负载为反电势阻感性负载E=50，R=100，L=800mH。

提高题包括：（1）直流稳压电源设计；（2）恒流源设计；（3）交流变频电源设计；（4）中频感应加热电源等。同样每个课题指定具体的参数要求例如课题（4）的参数要求如下：线电压额定值380V，频率：50Hz±1%，波动系数：A=0.95～1.1；输出功率：P=10W；输出最大功率：Pm=15W；感应加热用额定频率f=1kHz；功率因数：cosΦ=0.81；尽量减小输出波形的失真。

确定课程设计任务书的要求和具体课题后，根据学生实际情况进行课程设计分组，每组同学3～4人为宜，可以培养学生团队协作精神。具体到每一组设计成不同的参数和要求，引导学生明确自己的任务并有一定的学习考核压力。

（二）方案论证及系统设计

方案论证是课程设计的关键环节，充分的论证不仅能提升学生相关的理论知识，锻炼工程实践能力，也为后续的系统设计打下良好的基础。经过小组内的同学的讨论、查找资料、形成初步方案，并最终在指导教师审核下确定出小组最佳方案，并要求画出一个能表示各单元功能的整体原理框图，提交方案论证报告。同时要加大方案论证环节的考核，提高该环节在课程考核中的占比，从而调动了学生参加的积极性。

首先是主电路设计及选择电力电子器件。包括以下幾个环节：（1）按照设计任务书，选定主电路拓扑；（2）计算待设计系统各项参数，并选定各元器件；（3）根据选定元器件，仿真验证是否满足任务书要求；（4）并撰写详细的元器件参数计算方法、元器件选定原则报告。

其次是辅助电源、控制电路及驱动电路、保护电路的设计包括以下几个环节：（1）按照选定元器件及任务书要求，设计辅助电源；（2）设计控制电路、驱动电路；（3）设计保护电路；（4）撰写详细的设计报告。

第三个是焊接主电路、辅助电源、控制电路及保护电路，包括：（1）根据设计报告及选定元器件，焊接主电路、辅助电源、控制电路及保护电路；（2）分块调试，测试各电路的性能是否满足要求。

最后是系统联调阶段，包括（1）将焊接的各电路模块按照设计系统要求连接，并进行系统联合调试；（2）对系统的各项参数指标进行测试；（3）撰写详细的试验报告。

系统设计环节按照小组内分工可以同步进行，根据工作量控制课程设计的周期。并要求在小组内部经常交流分享。在各个节点同一课题相关的几个小组之间可以进行对比交流学习，取长补短。

（三）总结及考评

课程设计最后一个任务是整理、提交设计成果，包括（1）完善设计成果外观，设计演示汇报流程；（2）完善设计报告，仿真报告及试验报告；（3）演示汇报。

要求提交的材料包括：（1）电力电子装置设计报告；（2）电力电子装置仿真报告；（3）电力电子装置实物及其试验报告。

在课程设计的过程中会遇到各种各样的问题，系统联调时间也较长，课题完成后进行分析和总结很有必要，这也是学生考评中要回答的内容。教学实践表明改进课程设计的考核体系能大大提高学生的学习效果，特别是在教学过程中问答式的软考评方式不仅能提高学生参与度，并且可以形成良好的交流学习环境，学生的认可度也较高。教师应该积极地设法改进和进一步完善考评方式，引导更多学生积极主动参与课程设计。

二、教学方法与手段

课程设计相对是一门比较开放的课程，教与学的弹性空间比较大，良好的教学方法和手段对教学效果影响较大。研讨式教学通过给定的主题，将课程班里的学生分成若干小组进行准备和讨论，在小组讨论后推选学生代表小组发言，并且和教师或其他小组开展交流问题的教学方式[5]。电力电子课程设计的教学过程安排正好适应研讨式教学方式。同一个大课题下的多個小组集中参加教学过程，完成阶段性的任务后进行研讨教学，其他小组的成员可以向他提问，教师也要求参与讨论，本小组成员可进行补充。通过这种方式让各小组之间形成一种竞争与交流，不仅能表达自己的观点，更重要的在于知识的交流和学习，这个过程中教师要注意引导和参与，把握要点，控制好时间。

采用研讨式教学不仅可以充实教学过程，更重要的是体现了学生的主体地位，真正做到教学相长，增进师生间的沟通与了解，并且加强小组间学生的交流。

采用软件仿真与实验结合的教学手段不仅能提高课程设计的效率，而且能拓展学生学习的时间和空间，利用课余时间课题小组内的同学能够加强交流和学习。通过电路仿真能对所设计的电路进行验证，降低实验成本和缩短时间周期。在课程设计实验调试阶段，每个小组在基于同一仿真软件构建的虚拟实验平台上进行电路仿真，可以方便的与实际硬件电路进行对比分析，提高工程实践中分析问题，解决问题的能力。

下面通过常用的电力系统仿真软件MATLAB进行户用并网光伏发电系统中电力电子变换电路相关知识进行仿真教学。其中重点关注逆变电路的最大功率点跟踪（MPPT）控制。其中，逆变电路控制模块中需要学生了解MPPT控制算法实现的过程，方便学生在硬件电路设计中通过反馈信号形成闭环控制实现并网光伏发电系统的优化运行。并网光伏发电系统整体仿真模型如图2所示。

仿真过程中考虑光照的变化从250W/m2开始，最后稳定在750W/m2。光伏板输出的电压和功率如图3所示。从仿真输出的结果可以看出随着太阳光照的变化，调节光伏板输出电压能够跟踪最大功率工作点，从而提高光伏发电系统的运行效率。

三、创新实践教育

根据本校的实际情况，创新实践教育的主要包括校企合作引入的工程实践问题，教师科研项目中涉及的研究问题，大学生创新实践中心提供的创新实践项目三种形式。结合卓越工程师的培养计划，要求重点培养学生工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力，因此在电力电子技术课程设计教学中需要引入综合性、创新性试验内容[6]。

校企合作引入的工程实践问题主要体现在课程设计任务书上，每个小组的课题可以有针对性的在任务书中明确自己研究的重点，结合工程实践如何进行相应的设计。校企合作的方式让学生完成的课程设计作品更加接地气，增强他们的工程意识，提高学生的工程实践能力。

教师的科研项目一般具有创新点，在申请到相应的教学科研项目后，将其中学生能够参与的项目研究内容设计到课程设计中，有意识地培养学生的参与意识和动手解决问题的能力。不仅推动科研项目的建设，也锻炼了学生的科研创新意识。

学生创新能力的培养可利用学校的创新实践中心，电力电子技术课程设计可以同意学生自拟课题，但要满足一定条件并通过教师审核。学生可以自主参加大学生创新创业训练项目，参加各种形式的竞赛，用竞赛项目来激发学生对本门课程的兴趣，将创新实践的内容引入课程设计。较好的创新成果能可以转化成论文或申请专利，进一步促进教学良性发展。

四、结束语

本文以学生的实践能力、创新能力为核心，分别从教学过程管理、教学方法与手段、实践创新教育几个环节对电力电子技术课程设计教学模式进行了改革和实践。通过本校近几年的实践表明，教学模式的改革能够激发学生自主学习的能力，提高学生分析问题、解决问题的能力以及工程实践动手能力，为培养具有创新能力的工程应用型人才奠定良好的基础。

参考文献：

[1]赵宇.应用型高校电力电子技术教学探讨[J].佳木斯职业学院学，2016，169（12）：11-12.

[2]李先允，廖德利，许峰，等.应用型本科“电力电子技术”教学改革与实践[J].电气电子教学学报，2011，4：118-121.

[3]赵涛，沈亚斌，徐友，等.面向工程应用的电力电子技术课程教学实践研究[J].中国教育技术装备，2016，400（22）：98-99.

[4]唐贤伦，罗萍，严冬.“电力电子技术课程设计”过程规范化的探索与实践[J].实验室技术与管理，2011，28（12）：145-147.

[5]赵益波.“电力电子技术”创新型课程设计探讨[J].电气电子教学学报，2013，35（5）：111-112.

[6]鲁明丽，刘燕.基于卓越计划的“电力电子技术”课程教学改革探索[J].中国电力教育，2014（2）：103-104.

[7]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+14.