新工科背景下“电力电子技术”课程数字化新形态教材建设研究

王子赟 王 艳 纪志成

（江南大学物联网工程学院 江苏·无锡 214122）

0 引言

国际工程教育的研究和报告表明，未来工业产业链的发展方向与工科人才的培养方针和教育方式密切相关，日益系统化与智能化的工程项目紧紧地依托在工科教育中。[1]当前世界经济正处于高速发展时期，产业结构的变革使工业发展日趋合理高效。随着虚拟现实、大数据、人工智能等前沿科技的新兴发展，现阶段国家科学技术与产业驱动要素呈现出新的态势，以制造业为主的传统工业不断受前沿科技的冲击。面对新形势下的科技变革与产业现状，迫切需要对传统工科教育做出调整，以适应日新月异的社会发展。我国教育部自2017 年以来积极推进“新工科”的教育体系，着重培养新时代的工程技术人才，并先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”。[2]新工科有两条主线：第一条主线是高校教育路线，它一方面注重计算机科学、电力电子技术等原有传统工科的改造升级，融入新元素以期与时代接轨，另一方面又注重综合交叉学科的衍生与建树，比如在智能控制领域，它就是自动控制原理、现代控制理论、计算机科学和运筹学等学科的交叉，是一门反映现阶段科学技术发展趋势的高级控制理论；第二条主线是社会产业路线，它注重的是新体系与新结构，是对原有传统产业进行符合发展现状的结构调整与变革。无论是哪一条主线，都有一个共同的主旨，那就是适应目前的生产力水平与科技发展现状。

电力电子技术是一门利用晶闸管、IGBT、MOSFET等电子元器件和模块化电路对电能进行控制与变换的技术，具有很强的工程实践性。通过这门课程的教学，力求使学生掌握常用电子元器件的结构特点与特性参数、四种变流技术的电气拓扑与应用（AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC），理解相控技术、PWM技术等专业技术以及能够对一些电能变换电路进行控制。现阶段“新工科”的教育背景下，这门课程的课堂教学又有了新的内涵与要求。

教材建设作为学科建设的重要组成部分，是课堂教学的主要载体以及学术成果、科学技术的集中反映，认真贯彻落实新形态教材建设，也是“新工科”背景下工科建设的必由之路。[3]然而，不同版本的教材只是当时社会科技程度的写照，具有鲜明的时代性。随着科技进步与时代发展，大多数旧版本教材已经不能反映前沿科技的水平状况，与目前的生产力严重脱节，且多媒体技术已允许新型教材数字化，教材新形态建设问题亟待解决。与传统的纸质书籍相比，数字化新形态教材有效利用了多媒体手段，比如可以在电力电子技术教材的某个电路图旁边嵌入二维码，学生通过扫描二维码，就可以打开此电路图的仿真软件，通过动态仿真相关电子元器件的工作情况更加深刻地理解整个电路的工作方式。教材的数字化减少了传统纸质化课本印刷、发行的成本与周期，且相对于纸质书的较低翻新频率，数字化教材可以及时更新教学内容。

1 新形态教材建设思路

新形态教材就是充分利用信息化技术手段，整合互联网的课程资源，给传统的纸质化课本增添了新的线上要素，它是创新型教学改革与新时代教材建设的重要举措与应有之义。[4]传统的纸质教材虽然凝结了科技工作者的智慧结晶，集中反映了当时的技术水平并承担了培养一大批技术人才的任务，但在经济高速发展的今天，教材里面的内容显然已经有点过时。传统教材主要形式就是文字、公式、图或者表，表现方式较为单一。现在的多媒体技术使得一些动态gif图或视频可以嵌入到教材中去，极大丰富了教材的内容与表现方式。

新时代的教育建设呼吁数字化新形态教材。传统纸质化教材优点是错误率较少，纸张对光线的漫反射有利于缓解眼疲劳，书本具有质感。而数字化电子教材则是携带方便，不使用纸张，节约环保。且丰富的图片、视频等资源可以帮助学生更好理解课本内容，内容翻新率较高。但过多电子屏幕光线的摄取容易产生眼疲劳，且书本上经常出现错别字和乱码的情况。[5]新形态教材则结合了纸质化教材与数字化教材各自的优点，通过两者结合的方式，极大丰富了教材内容，有助于推进“新工科”建设。在课本中嵌入二维码就是新形态教材的一项重要举措，学生们扫描二维码可以获取到丰富的与对应知识点相关的资源资料，作为特定知识点的拓展与延伸。

2 “电力电子技术”课程新形态教材建设

就电力电子技术领域的传统经典纸质化教材来说，王兆安、黄俊主编的《电力电子技术》2000 年出版了第四版，2009 年出版了第五版。全书特点是内容紧凑，结构合理，体现了当时的技术发展水平，且理论与实际应用各有侧重，难易适中，适合本科教学。华中科技大学的陈坚主编的《电力电子学》于2004 年出版第二版，特点是理论推导详细，内容严谨系统，但是由于理论部分过于深入，实际应用相对较少，适合考研与研究生教学。此外还有洪乃刚、林渭勋等版本的教材，都各有侧重，反应了当时的科技水平。[6]不可否认这些经典教材在电力电子技术领域的突出地位和作用，然而即使是经典的教材也需要与时俱进，加入新时代元素。当代电力电子技术的发展呈现出以下趋势：

（1）全控型电子元器件的发展占据主流地位。经典的半控型器件如晶闸管由于其过载能力较差、易受干扰而误导通等原因逐渐退出历史舞台，现阶段MOSFET 等全控型器件因其开关速度快、驱动功率小等优势被广泛应用。

（2）电子元器件的发展日趋高频化。供电电源频率的提高有利于减少用电设备的体积和重量，且频率越高，电路中的波形越理想。

（3）电路结构模块化与集成化。将电子元器件分立安装，不仅会增加工作量，且容易出现安装错误。如果将实现某一特定功能的电路进行集成化封装再批量生产，则可以降低成本，提高可靠性，同时也有利于企业的知识产权保护。

（4）控制数字化。模拟信号量受环境影响较大，例如温漂导致的误差等，而离散的数字信号则不受工作环境的影响。利用计算机软件设计控制方案，不仅可以减少电子器件的个数，也方便实施各种控制策略。

这些发展趋势引领着电力电子技术新形态教材的发展方向，通过课本嵌入二维码实现新形态教材的建设工作。比如可以在复杂的全控型器件讲解内容旁边插入二维码，学生可扫码获取此器件的结构剖析图、工作原理以及此器件的主要生产厂家和未来趋势，这种教学方式不仅可以使学生对器件有更为立体的理解，也能对从事制造此类器件的厂家有感性的认识，利于教材与实际生产接轨；在交-交变频器等较复杂的模块化电路图旁边插入二维码，学生可扫码获取此电路图的配音讲解与动态gif图，甚至是此图的仿真软件，通过形象的讲解内容与仿真实操更好理解其工作原理；在PWM 等技术旁嵌入二维码，学生可扫码获取此技术手段在现实生产中的实际应用以及此技术的发展前景，培养学生的知行合一的意识，激发其对此技术的新应用的憧憬；在仿真实验环节嵌入二维码，学生可扫码下载仿真软件以及实验讲解视频，这样不仅省去了学生网上搜寻仿真软件的时间，也可以看视频自习实验步骤等等。

3 总结

面对日新月异的科技与经济发展，“新工科”概念的提出对工科教育改革有了新的要求与期待，而教材作为课堂教学的重要载体，是课程改革的一个重要环节，数字化新形态教材建设就显得尤为重要。本文针对电力电子技术新形态教材的建设方案提出若干意见，以期推动课程改革的发展，培育时代新人。