电子信息类专业电力电子应用系统项目训练课程的设计与实现

胡 玮，李 洵，吴 桐，杨风开，李 承

（1.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学 工程科学学院，湖北 武汉 430074）

我校工程科学学院是全国首批建设的试点国际化示范学院之一，该学院采用小班精英化教学模式，希望培养学生能够具有宏观思维能力、较强的科学和工程素养、多学科视野和跨文化交流沟通能力。但从工程科学学院目前的课程设置来看，该学院本科教学整体偏向于电子信息类弱电专业课程的学习，学生按目前的课程设置很少有机会接触有关强电系统方面的知识。学生学习的电类课程主要集中在电的通信、探测以及信号的获取、传输与加工处理等方面，而对于电的产生、传输和电能变换等方面的知识不甚了解。这样的课程设置使得学生误以为在电子工程领域只包含弱电方面的知识，反而不具备强电方面的知识，也不了解与电力系统相关的电力传输和电能变换的应用。然而这些应用在人类的生产和生活实践中是非常重要的。此外，虽然学生学习过电磁场方面的课程，但由于课时较少内容较浅，且后续不再学习强电方面的知识，学生对磁方面的知识接触不多，对电与磁两方面知识的了解不平衡，这导致学生要么缺乏工程电磁学的相关知识，要么即使了解一些，也无法真正理解电与磁之间的紧密联系[1-6]。

基于此问题，为补齐相关教学环节，培养交叉学科领域创新拔尖人才，工程科学学院联合电气与电子工程学院为低年级本科生开设了一门16 学时的项目训练课程，希望该课程能够实现如下教学目标：

（1）使工程科学学院的学生认识和了解电力专业的课程设置和基本研究方向，加强学生对发电-输变电-动力系统的感性认识。

（2）在教师指导下进行电力电子基础知识的学习，通过对自身选定项目开展的研究工作，加强学生对各类电力电子应用系统的认识和理解。

（3）通过在电力系统主题下对学生的训练，使其能够系统、全面地了解电和磁的作用及其相互关系，补充其对磁场和电磁转换方面知识的了解和应用。

1 基于自主学习的项目训练课程设计思路

工程科学学院作为全国试点国际化示范学院，其本科生数量很少，每个年级仅为一个实验班，采用小班精英化教学模式。 学生大部分从其他学院选拔而来，有着较为扎实的学科基础知识，较强的自学能力。根据以上学生的特点，工程科学学院希望用尽量少的学时让学生了解电力传输和电能变换的应用，补齐磁场和电磁转换方面的知识的要求，同时制定了项目训练教学计划，构建了以学生自主学习为主体，以各类电力电子应用系统的研究为核心的课程教学模式。

自主学习是目前各高校研讨较多的一种教学模式。该教学模式以学生为学习主体，学习不再仅仅是教师向学生传授知识的过程，而成为一种主动的学习过程。学生也不再是知识的被动吸收者，而是以自己原有的知识结构为基础，根据课程的要求，对外部知识主动进行选择、整理，进而获得新知识的主动知识建构者。与传统教学模式相比，自主学习模式的优势在于可以培养学生独立思考、获取知识和解决问题的能力；同时该教学模式可以在大幅减少授课时间的基础上仍然取得较好的学习效果。但采用自主学习模式对教师与学生也提出了相当高的要求，由于把相关的理论学习和文献阅读放在课外，通过学生自主学习完成，学生需要大量的时间进行课前预习，而教师也转变为学生自主学习的组织者、引导者和促进者。只有这样才能在课堂上展开高效的交流与互动[7-9]。

电子信息类学生以电力电子应用系统为核心进行电气知识的学习有以下三点优势[10-12]：

（1）电力电子技术是目前电气工程研究领域的主流研究方向，各类电力电子应用系统广泛应用于电力传输、电力存储、电能变换等不同的电力专业领域。

（2）电力电子应用系统主要包括电力电子器件、电力电子变换器和控制方法三个领域。通过学习电力电子变换拓扑、换流方式及相关原理和公式推导等知识，电子信息类学生可以系统地学习电磁转换的相关知识，而学习控制方法又与本专业的课程息息相关。

（3）电子信息类学生对电力电子专业仿真软件有一定了解（如Matlab,Saber 等），较容易进行电力电子应用系统的建模与仿真。

我院将项目训练课程的课上相关教学环节设置为4 讲，每讲4 学时。其中第一讲为“准静电场和发电-输变电-动力系统专题”；第二讲为“电机实验室和继电保护实验室参观学习”；第三讲为“电力系统动模实验室参观学习”；第四讲为“电力电子应用系统研究专题”。整体课程内容安排遵循“学习—实践—提高”的教学规律，彼此衔接非常紧密，可使学生迅速进入学习状态，完成项目训练课程设置的学习任务。本项目训练课程的课堂教学环节设置如图1 所示。

图1 课堂教学环节设置

具体而言，在学习部分，首先由教师介绍准静磁场和发电-输变电-动力系统的概念，学生课后自习相关内容。在实践部分，参观电气学院电机实验室、继电保护实验室和动模实验室，学习发电-输变电-动力系统的模型和实物，由教师详细讲解相关原理。在提高部分，学生课后通过资料查询，资料阅读分析学习，自选一种电力电子应用系统开展研究，并就其所选电力电子应用系统递交综述报告。学生还需要对教师、全班学生及其他旁听者就其综述报告进行讲演。本项目训练课程的学生自主学习模式如图2 所示。

图2 学生自主学习模式

本项目训练课程在所有课堂教学环节中均引入了评价量表。采用这种评价方法能够提升学生自主学习的主动性，保障在有限课时内完成设定的教学目标，进而实现良好的教学效果。

2 课堂专题教学和实验室参观学习

2.1 课堂专题教学

工程科学学院的学生有一定的电磁场方面的理论基础，在准静电场和发电-输变电-动力系统专题的课堂教学中，教师并不占用太多课堂时间详细讲解电磁场相关的理论知识，而把这部分内容留给学生进行课前预习。在课堂上，教师简要介绍库仑力和洛伦兹力、毕-萨定律、法拉第定律、麦克斯韦方程等基本理论；重点介绍电场、磁场及其转换关系，包括静电场、静磁场，准静电场、准静磁场及其边界条件等基本概念。在此基础上，详细介绍传统发电-输变电-动力系统，包括各类交、直流发电机基本工作原理，各类交、直流电动机基本工作原理，各类变压器基本工作原理，以及典型的电力传输和电力变换装置等。

为了使学生明确学习目标，提升自主学习效率，我院制作了课程PPT 文档——电磁场和传统发电-输变电-动力系统基础——该PPT 文档对工程电磁学的基本理论、基本概念、传统发电-输变电-动力系统等基础知识进行了精讲，方便学生在课前使用该文档结合教师推荐的教材进行自主学习。

2.2 实验室参观学习

由于工程科学学院的学生从未到电气专业实验室参观学习，为使学生在有限的时间内较为全面地了解电气学院的专业方向和专业特性，选择让学生参观学习电机实验室、继电保护实验室和电力系统动模实验室。参观电机实验室让学生能够了解直流电机、变压器、异步机和同步发电机的基本特性和典型结构，各类电机的一般驱动方式，以及经典直流拖动和交流拖动控制系统的基本原理；参观继电保护实验室让学生能够了解电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器和信号继电器的基本特性和典型结构，了解如何调整、测量各类电磁型继电器的动作值、返回值和返回系数，以及多种继电器如何配合工作。参观电力系统动模实验室让学生能够了解现代电力系统的物理模态，真实再现电力系统的各种动态运行工况和扰动过程。学生能够参观各电压等级的交、直流输电线路模型、并联电抗器模型和三峡巨型机组物理模型等各类模型系统，以及超导储能系统模拟实验设备平台、可控串联补偿装置、统一潮流控制器、有源功率因数调节器和智能电网实验平台等各类动态模拟系统。

通过以上三个实验室的参观学习，能够比较全面地了解传统发电-输变电-动力系统中各个环节的专业特性，各类电机与通用电气装置中电磁转换的应用原理，目前电力系统面临的主要问题以及前沿研究领域。为帮助学生理解和掌握参观学习的内容，制作了两个PPT 文档，供学生课前进行自主学习。它们分别是《电气学科基础认知和文献综述》和《电力新技术发展对传统电力生产的革命》。以上两个PPT 文档能够帮助学生初步掌握电气学科的相关知识，在此基础上，还能够指导学生如何撰写项目训练课程的综述报告。

3 电力电子应用系统选取和综述报告写作

3.1 电力电子应用系统选取

电力电子应用系统的研究是本实践训练课程的核心，我们从目前的电气学科前沿应用技术、设备和装置中选取了12 种电力电子应用系统供学生选择，这些电力电子应用系统包括：无线电力传输方式、电磁同位素分离器、回旋加速器、电子感应加速器、古地磁学、磁芯存储器、磁盘存储器、热磁复制磁盘装置、电磁推进器、感应加热器、无损管道检测装置和磁悬浮装置。

在以上这些电力电子应用系统中，大部分都是当前军事和工业研究热点，有着很重要的实用价值。比如电磁同位素分离器、回旋加速器、电子感应加速器、磁芯存储器、磁盘存储器、热磁复制磁盘装置、电磁推进器、感应加热器、无损管道检测装置和磁悬浮装置。有的属于历史悠久的学科，借助于现代电力电子技术得到新的发展，比如古地磁学。还有的具有重要的研究价值，但在当前的技术水平下并不成熟，需要加大研究力度，比如无线电力传输方式。

以上每一种电力电子应用系统都是一个非常复杂的集成系统，但它们的核心都是各类电力电子变换器及其控制方法。这些电力电子应用系统大多并不只有一种可行的设计方案，而是根据不同的设计思路有着不同的设计方案，侧重于不同的用户需求。以无线电力传输方式为例，目前无线电力传输方式有电磁感应式、磁耦合共振式和电磁波辐射式三种无线电力传输方案。其中电磁感应式无线电力传输方案利用电磁感应原理实现了低功率、近距离的无线电力传输，是一种相当成熟的无线电力传输技术，已在各类非接触式充电场合得到了广泛应用。磁耦合共振式无线电力传输方案则利用磁耦合共振原理实现了中等功率、中等距离的无线电力传输，该方案是近年来兴起的无线电力传输技术，目前理论已较为成熟，产品的传输距离和传输效率都有了大幅提升。电磁波辐射式无线电力传输方案希望利用微波来实现大功率、远距离的无线电力传输，该方案的构想已经提出了很长时间，但目前这一方案还有很多技术问题亟待解决，仍处于理论研究阶段。

3.2 综述报告写作及演讲答辩

学生根据自己的兴趣任选12 种电力电子应用系统中的一种进行研究，查阅相关文献并完成该系统的综述报告。综述报告首先阐述该电力电子应用系统的历史发展进程和目前已达到的研究水平。在此基础上，详细阐述该系统目前各种可行的设计方案，分析其设计思路、拓扑结构和可实现的性能指标并进行综合对比，指出各自的优缺点。最后，简述该系统今后需要改进和发展的方向。有能力的学生还可以针对该系统的典型设计方案进行相关仿真验证。

综述报告要求内容结构完整、逻辑清晰，并达到一定的文献阅读量。最终，学生对自己所选的电力电子应用系统的了解和掌握程度以综述报告和演讲答辩方式所展示。 学生的综述报告演讲时间为每人10 min，答辩时间为每人5 min。电力电子应用系统综述报告选题及演讲答辩流程如图3 所示。

图3 电力电子应用系统综述报告选题及演讲答辩流程

4 基于评价量表的评价模式设计

大部分的课程教学在课程结束时进行考试或提交报告，以其成绩判断是否达到教学目标。针对本项目训练课程以学生自主学习为主体的教学环节设置，将评价量表引入课程考核，让教师和助教对每个学生在每个教学环节的课堂表现进行实时评分。最终课程评价模式将以评价量表成绩为主，以课程结束提交的综述报告成绩为辅，综合评价学生的课程学习质量。采用评价量表的优点在于给学生提供了明确的课程学习目标，有利于学生从被动接受评价转变为评价的积极参与者，能够有效调动学生的学习积极性，增强学生的自主学习能力。同时也给教师提供了较为清晰的评价标准，使教师能够直观地把握学生的学习进度，为进一步改善教学方法提供直接参考[13-16]。

一般而言，评价量表以学生参加教学活动所表现出来的对学习的投入作为主要参考对象，而学生的学习投入体现在认知投入、行为投入和情感投入三个维度的有意义的结合，因此在设计评价量表时应该同时考查这三个方面。按照评价量表的设计原则，针对本课程各教学环节设计了统一的维度，分别为自主学习情况、课堂学习情况或综合设计情况、学习表现与态度，分别对应学生的认知投入、行为投入、情感投入。针对不同的教学环节，每个维度下还细分为两个不同的因子，电力电子应用系统项目训练课程各教学环节维度和因子的设计如表1 所示。其中“电机实验室和继电保护实验室参观学习”“动模实验室参观学习”均为本课程的参观学习部分，其因子的设计完全相同。将以上维度和因子的设计进行拓展，可以设计出针对各教学环节的4 份评价量表。以电力电子应用系统研究专题为例，其评价量表的设计如表2 所示。可以看出，评价量表将学习环节三个维度、6 个因子评定为典范、合格、有待改善三个等级，设定了不同的分值范围，严格评定学生的表现。在表2 的学习表现和态度这一维度中，特别设计了学生互评情况这一因子，学生互评主要体现在学生综述报告演讲后的答辩部分，要求做相近课题研究的学生就该学生的演讲内容进行提问和打分。学生互评可以使学生之间就课题内容进行辩论，帮助学生反思在自主学习中存在的问题，明确综述报告的改进方向[17-19]。

评价量表以百分制记成绩，4 份评价量表和学生综述报告的成绩进行加权后构成本课程的最终成绩。课程评价模式设定评价量表成绩所占比为70%，学生综述报告成绩所占比为30%。这样的成绩占比设定的课程评价模式能够发挥监督、导向和激励作用，避免传统教学重结果轻过程的情况出现。

表1 电力电子应用系统项目训练课程各教学环节维度和因子设计

表2 电力电子应用系统研究专题评价量表

5 结语

针对工程科学学院低年级本科生的电力电子应用系统项目训练课程已开设三年，通过以学生自主学习为主体，以各类电力电子应用系统的研究为核心的课程教学模式，使得学生增强了对发电-输变电-动力系统的感性认识，更好地认识和理解各类电力电子应用系统，加强了对电磁转换和磁场方面知识的了解和应用。对学生的问卷调查显示，项目训练课程取得了较好的效果，学生对课程内容和教学方法的满意度评分较高。本项目训练课程的设计与实现方法对各高校电子信息类专业本科教学改革具有较好的借鉴和推广价值。