工程专业认证背景下的电力电子技术教学改革与实践

鲁明丽 刘 燕 杨浩东 钟黎萍 吕庭

常熟理工学院电气与自动化工程学院 江苏常熟 215500

以《华盛顿协议》为核心的工程专业认证项目进入我国后，成为高校本科教学工程改革的内在要求和必然趋势，也是我国高等教育面临的机遇和挑战[1]。《华盛顿协议》[2]的目标是在协议签署国之间互相承认本科工程学位。在此基础上，对工程教育资格和工程师执业资格进行认证，促进工程师人才在各个国家之间的流动。在工程专业认证实施过程中，要以学生为中心，以产出为导向，并坚持持续改进[3]。

电力电子技术课程是高校自动化、电气工程及自动化等专业的一门重要的专业基础课，其理论性和实践性都很强，而且电力电子技术广泛应用在直流输电、风电领域、新能源转换技术等方面[4,5]。电力电子技术教学过程中存在教学模式单一、教学内容复杂、理论与实际脱节等问题，为适应电力电子技术的发展及工程认证的要求，必须对原有的教学目标、教学模式进行相应的改进。

我校自动化专业课程在教学内容、教学形式、考核方式等方面，应注重理论与实际相结合，以学生能力训练为导向，注重学生运用知识、自主学习及独立思考能力的培训，将教师科研、学生意见反馈及时引入课堂，坚持持续改进，在增强课堂教学效果及学生能力培养方面展开研究，对电力电子技术课程的教学过程作了如下设计。

1 毕业要求指标体系设计

作为一所应用型本科院校，自动化专业教育更强调对专业知识的实践。因此我校自动化专业培养目标定位为：培养具有扎实自动化基础知识和基本技能，具有社会责任感、职业道德和人文素养，能在现代制造业解决自动化控制系统、自动化测试系统工程问题的应用型工程师。毕业5年后学生应具有知识运用、工程实践、解决复杂问题的能力，并且能适应自动化技术的发展以及职业发展的变化，成为所在单位相关领域的专业技术骨干或管理骨干。

1.1 课程对应毕业要求

根据工程专业认证的要求，在培养目标明确的基础上，首先要对原有的教学大纲进行修订，明确指出该课程对哪些学生毕业要求进行支撑。经过课题组的多次论证，结合电力电子技术课程的特点，在我院的培养方案中，电力电子技术课程需要支撑12条毕业要求中的4条(1，2，3，4序号分别与12条毕业要求的序号相对应)，具体内容如下。

毕业要求一：具备良好的工程知识，能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决自动化控制系统、自动化测试系统开发或集成中的复杂工程问题(工程知识)。

毕业要求二：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达并通过文献研究分析自动化领域的复杂工程问题，以获得有效结论(问题分析)。

毕业要求三：能够设计针对自动化领域的复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素设计/开发解决方案。

毕业要求四：能够基于科学原理并采用科学方法对自动化领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据并通过综合信息得到合理有效的结论(研究)。

1.2 指标体系设计

12条毕业要求作为一级指标被细化成43个二级指标，电力电子技术课程支撑其中的8个二级指标点，从学习成果、达成途径2个方面考虑。

(1)能够应用专业知识对自动化工程问题进行软硬件分析与设计(毕业要求1.3)。

学习成果：掌握电力电子器件及其系统组成、掌握基本变流电路(整流、斩波、逆变、交流变流)的电路组成及工作原理，能对相关电路结果进行分析，并针对不同的实践项目进行多种方案设计和选择。

达成途径：通过整流、斩波等基本变流电路项目训练，熟悉电力电子技术项目设计流程，掌握电力电子技术硬件选型、接线和调试方法。

(2)能识别和判断自动化控制系统、自动化测试系统开发或集成复杂工程问题中的关键环节和参数(毕业要求2.1)。

学习成果：掌握电力电子技术领域创新过程的基本方法和基本原理；能够在处理复杂电力电子系统时识别关键环节的指标参数，并综合各方面因素提出适当的技术方案。

达成途径：通过对PWM控制电路、逆变电路、调压调功电路的分析，掌握电力电子技术领域创新过程的基本方法和基本原理。

(3)能认识到解决自动化控制系统(单元)、自动化测试系统(部件)开发或集成的方案有多种选择(毕业要求2.2)。

学习成果：掌握电力电子器件及其系统组成，掌握基本变流电路(整流、斩波、逆变、交流变流)的电路组成及工作原理，能对相关电路结果进行分析，并针对不同的实践项目进行多种方案设计和选择。

达成途径：利用PSIM或MATLAB仿真软件实现基本变流电路，熟悉电力电子技术项目设计流程，掌握硬件选型、接线和调试方法。

(4)能够针对复杂工程问题根据指标要求，通过文献研究分析，以获得有效结论(毕业要求2.3)。

学习成果：针对1个电源系统，通过文献研究分析，以获得有效结论。

达成途径： 利用芯片UC3842，连接实验线路，构成一个实用的开关稳压电源电路。

(5)能运用基本原理，分析实验过程的影响因素，证实解决方案的合理性(毕业要求2.5)。

学习成果：掌握电力电子器件及其系统组成，掌握基本变流电路(整流、斩波、逆变、交流变流)的电路组成及工作原理，能对相关电路结果进行分析，并针对不同的实践项目进行多种方案设计和选择。

达成途径：通过分析三相可控整流电路的工作原理和直流电动机调压调速方法，设计晶闸管直流电动机调速系统，训练学生运用基本原理解决工程问题并验证解决方案合理性的能力。

(6)能够通过建模仿真进行元器件参数计算和工艺需求分析，设计满足特定需求的硬件电路，并在设计环节中体现创新意识(毕业要求3.2)。

学习成果：会根据PSIM或Matlab仿真环境进行电力电子元器件参数计算和工艺需求分析，设计满足实践项目特定需求的硬件系统，并在设计环节中体现创新意识。

达成途径：利用PSIM或Matlab仿真软件实现基本变流电路，熟悉电力电子技术项目设计流程，掌握硬件选型、接线和调试方法。

(7)能够对自动化工程相关的各类物理现象、元器件特性和单元性能进行研究和实验验证(毕业要求4.1)。

学习成果：掌握电力电子器件及模块的工作原理，熟悉模块性能和技术参数，具备电气控制技术基本知识，能够应用相关知识进行硬件选型和电路设计。

达成途径： 通过对PWM波产生电路、电力MOSFET、电力晶体管等电力电子器件及模块应用的训练，熟悉元器件特性和单元性能进行研究和实验验证。

(8)具备控制系统综合实验设计能力(毕业要求4.2)。

学习成果：综合运用电力电子技术及相关学科知识，设计满足多种技术因素制约条件的实验。

达成途径：给定综合控制对象和控制要求，设计实验方案，搭建实验回路，根据实验结果分析制约因素，完成控制系统设计。

2 教学模式的改革与实践

为了实现以上指标点，采用“学生为中心，工程问题为导向”的教学方法。以我校自动化专业为例，从应用的角度出发，结合先进的控制技术，强调电力电子器件在可控整流技术、交流开关与调压技术、逆变技术和电源变换技术方面的典型应用。课堂教学中增加基本电路的建模仿真环节，减少繁琐的公式推导，强化概念，突出应用，将器件、电路与应用有机结合。

将课程内容与实际工程问题相结合，在教学过程中增加工程应用背景及工程应用案例，让学生明白自己所学知识在工程实践中如何应用，如何解决工程问题，培养学生运用基本原理解决 复杂工程问题的初步能力，同时使得理论与实际紧密结合，激发学生学习的主动性并提高学生的学习兴趣，旨在培养学生工程素质。

下面以逆变电路为例说明如何展开教学活动。首先通过多媒体课件的学习使学生初步了解逆变电路的工作原理，然后利用PSIM软件进行建模仿真，边学边练，进一步加强学生对逆变电路的拓扑结构、工作原理、基本特性及输出波形的理解，最后引入逆变电路的工业应用，以逆变弧焊电源为例进行详细介绍。

2.1 逆变电路仿真实例

PSIM是专门用于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件[6-8]，包含电力电子技术课程中涉及的全部元件，而且基本操作简单，易于入门，因此选择PSIM软件进行电路仿真。全桥逆变电路是单相逆变电路中用的最多的电路。图1给出了用全控型器件IGBT构成的全桥逆变电路仿真实例，输入直流电压为100 V，VT1，VT2，VT3，VT4为4个桥臂，其中VT1，VT4为一对桥臂，触发信号相同，VT2，VT3为另一对桥臂，触发信号相同。当两对桥臂交替导通时，在负载上得到交流电，通过调整两对桥臂触发信号的相位差，使输出电压发生改变(如图2所示)。

图1 单相全桥电压逆变电路仿真模型

图2 输出电流(I)和输出电压(V)波形

2.2 逆变电路应用实例

逆变电路广泛应用于电力系统、电气传动系统(变频器)、热处理中的感应加热电源、不间断电源、电镀电源和焊接电源等特种电源方面。

采用间接直流变换电路结构，中间存在高频逆变环节的逆变弧焊电源由于其优良的性能在电焊机中应用较广。下面以弧焊电源为例介绍其结构及工作原理。逆变弧焊电源是指把单相或三相的50 Hz工频网路电压(AC)输入整流器整流，经电抗器滤波，获得直流电(DC)。整流后的直流通过电子开关元件的交替开关作用，再把直流变换成几千乃至几万赫兹的中频交流(AC)。然后，高压的中频交流电经中频变压器、电子电抗器等电路降压，得到几十伏的中频低压后，再经输出整流器整流、滤波，变为适合焊接需要的直流电(DC)。这就是常用逆变焊接电源的逆变制式。逆变弧焊电源的原理图如图3所示。

图3 逆变弧焊电源基本结构图

从逆变弧焊电源基本结构图可看出，工频市电电压首先经过滤波整流后变成直流电(DC)，然后通过逆变器转化为高压中频交流电(AC)，最后在进行整流滤波得到平滑的直流电源，一般输出电压只有几十伏。该电源的核心为DC-AC逆变器，一般采用全控性器件，如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)构成全桥或半桥电路，开关频率可达几千赫甚至几十千赫，其拓扑结构可参考图1。

3 课程考核方式及持续改进

3.1 考核方式

在工程专业认证中，毕业要求达成度评价是衡量高等学校人才培养质量的核心内容。课程考核和成绩评定是对教学效果的评价，从工程专业认证的要求出发，教学目标以能力培养为导向，确定考核的内容。本课程采用直接评价方式，学生成绩由平时成绩(40%)和期末成绩(60%)2部分组成。平时成绩由实验评估、大作业和期中测试综合评定。对于每种考核方式都制订了明确的评分标准，例如在实验考核中按照实验操作(40%)、实验报告(60%)，以百分制计算每个实验项目成绩，所有实验项目成绩的平均值作为本课程最终的实验成绩。然后根据这些考核材料，以考试内容、技术报告、实验(实习、设计)报告等形式完成课程达成度评价。

3.2 持续改进

根据我校自动化专业工程认证的要求，对电力电子技术课程教学内容、教学方式、考核方式进行了改革与探索。根据考核材料计算我校自动化专业Z161141班级的电力电子技术课程的达成度(如表1所示)，评估的结果被系统地加入项目持续发展中。

表1 电力电子技术课程对毕业要求达成度评价表

根据评估结果发现，学生在灵活分析电路以及解决实验中出现的一些问题时存在困难。因此以项目为导向，将教师的科研项目引入教学，一方面让学生从已知的经典案例中寻找解决问题的方案；另一方面，针对实际工业生产的需求，应用整流电路、斩波电路、逆变电路和变频电路等技术手段，让学生寻找问题，解决问题，并进行总结与归纳，促进学生自主学习。

培养学生的团队合作能力，将班级划分为多个学习小组，每组分配不同的任务，小组成员之间通过密切的配合完成。实施过程中保证每个小组任务明确、分工明确、考核方式明确，最后需答辩并提交技术报告。通过技术报告反映了小组成员之间在团队合作、语言表达、方案设计与实施、结果讨论等方面的情况，在一定程度上调动了学生学习的积极性，同时，增强了学生的自信。

4 结论

以工程专业教育认证的标准和理念为指导，注重基本理论、基本技能的学习；突出实践能力和创新意识的培养，围绕教学内容优化与调整、教学方法改革与实践等方面进行电力电子技术课程教学改革。经过几年的持续改进，所采取的教学改革措施能够较为有效地提升学生学习的积极性，并使其工程应用能力及综合素质得到提高。