“电力电子系统与控制”研究生课程改革探索

师蔚

[摘    要]根据我国新工科建设理念的要求，以及交通运输专业硕士人才培养模式及特点，对“电力电子系统与控制”的研究生学位课程进行了改革探索。改革包括：将最新的电力电子新技术、新应用以交通运输为主线导入课程;将交通行业思政的内容导入课程;建设交通运输领域电力电子系统与控制的特色案例库;课堂教学中应用翻转课堂等新教学方法。

[关键词]电力电子系统;交通运输专业;教学方法

[中图分类号] G642           [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2021） 10-0071-03

一、课程特点分析

“电力电子系统与控制”课程为上海工程技术大学交通运输专业硕士的一门学科基础专业课程。课程内容主要研究电力电子学的基本原理、电能转换的动态建模方法以及控制系统的设计方法。即首先介绍目前主流电力电子开关控制器件，然后以四大类基本电能变换技术为主线，介绍各类电力电子系统与控制的动态建模及分析方法。通过本课程使学生掌握各种电力电子系统与控制的工作原理、控制方法、设计和计算方法。使学生具有一定的电力电子系统与控制的设计能力、具有一定的运用仿真工具实现电力电子系统与控制的静动态仿真的能力、具有综合评价和分析电力电子系统与控制问题的能力。掌握与本专业方向相关的电力电子系统与控制问题的分析和解决的思路和手段，了解几个领域中电力电子系统与控制运用的现状和趋势。

本门课程作为一门硕士学科基础专业课程，与本学科的“电力电子技术”相关课程存在一定差异。体现在课程内容方面就是研究生课程必须要体现“高、新、精”。“高”意味着课程的起点较高，即在本科“电力电子技术”课程基本原理基础上，强调电力电子系统及控制的动态建模方法，以及基于动态模型的系统设计及分析方法。在课程“新”的方面主要使课程多反映电力电子系统与控制方面的新知识、新科技、新成果以及新应用。课程的“精”主要体现在交通运输领域的电力电子系统与控制方面的应用须具有专门案例库，并对其主流共性问题进行精讲。传统的“电力电子系统与控制”的教学内容虽选取经典教材，但由于电力电子及控制技术的快速发展，已有的课程内容不能完全反应新技术及新应用，无法体现课程“高”以及“新”的特点。同时传统的教学内容中也未含有针对交通运输工程方向的应用，需要进行相应案例库的开发。在课程中将思政教育与专业相结合，将“交通强国”的战略要求、爱国主义情怀等课程思政内容潜移默化地融入课程中去，激发学生的工程意识和创新意识，努力成为具有民族担当的时代新人。以教师“教授”为主的教学模式，也很难适应新的人才培养理念及要求，必须进行教学方式的改革，适应我国新工科建设理念的要求，适应新形势下的人才培养需求。

二、课程内容的更新

在原有课程内容基础上进行课程内容的更新，引入目前能够体现电力电子发展方向的新技术以及最新案例库的讨论，并贴合课程内容融入思政要素，使学生提高对电力电子系统与控制的学习兴趣，提高教学效果。

（一）电力电子系统及控制最新技术的导入

电力电子系统及控制新技术的导入主要涵盖几个主要的方面：电力电子新器件、电力电子功率模块新技术以及电力电子系统与控制新应用。

在电力电子器件方面，从历史发展初期的晶闸管以及后期门极可关断晶闸管、電力双极性晶体管、电力场效应晶体管为代表的全控型器件高速发展，一直到绝缘栅双极型晶体管（IGBT），成为现代电力电子器件的主要器件，并且以IGBT为核心的智能功率模块不断成熟。以硅材料为基础的各种电力电子器件逐渐接近其理论极限值，利用宽禁带半导体材料碳化硅、氮化镓制造的电力电子器件，具有耐压、低通态电阻、更好的热稳定性、耐射线辐射等优异特性。新型碳化硅及氮化镓功率器件因此具有功率密度大、开关损耗小、适合高频工作、高温稳定性好等优点，逐步受到关注，并在电动汽车及轨道交通车辆上得到了成功应用，是电力电子器件新的发展方向。因此，课程在器件介绍中要加入碳化硅、氮化镓的内容。

在电力电子功率模块方面，双面冷却技术显著降低了芯片结温，提升了功率模块的可靠性，膜电容技术在功率模块中的应用也减小了功率模块的体积。矩阵转换拓扑结构的交交变流电路作为目前电力电子功率模块以及功率模块和牵引电机进行集成驱动的不断发展，成为目前电力电子模块的发展方向。

电力电子系统应用主要针对学生学习的交通运输方向，侧重交通运输方向的电力电子系统新应用。交通运输对电力电子系统要求低造价、高功率密度及体积密度、高效及高可靠性，因此系统要朝着高集成化、高电压、频率等级、高的工作温度以及控制智能方向发展。

（二）案例库内容的导入

案例教学是一个让学生参与课程内容，且以学生为主体的教学活动。为保证案例教学活动的效果，促进师生的互动交流，提高学生的积极性和主动性，我们同时兼顾知识传授和学生能力培养，有针对性地建设课程案例库。

在本课程案例库建设中，首先考虑课程服务于专业硕士培养目标的达成，即在课程案例选材中，根据我校交通运输专业硕士的特点，确定学生的研究方向为城市轨道交通车辆工程方向。电力电子系统及控制技术应用在轨道交通车辆领域，主要包括电力牵引及辅助供电，根据轨道交通应用领域的不同又分为城市轨道交通车辆及高速轨道车辆的应用两个方面。因此案例设置首选方向即是针对两种典型车辆的两个领域，促使学生的专业研究方向与课程案例内容产生共鸣，调动学生主动学习的热情。在进行具体案例设计中，选择以上研究方向的有代表性、较前沿的、能够反映我国轨道交通车辆领域实际问题的案例。案例库建设主要包含案例的描述、案例的主要研究方案、案例的性能评价几个方面。案例描述要介绍案例的研究价值及研究内容，除文字介绍外，可以包含一些图片、数据，甚至录像和动画，多方面展示案例。在案例的研究方面，教师必须进行基础文献的准备，同时留有一定空间，让学生自我进行文献检索，提高其调研的基本能力。随着对案例探讨的深入，针对问题进行深入剖析，引导学生将知识转化为解决实践问题的能力。案例的性能评价中，教师应准备基础素材引导学生对问题进行反思，评价过程中要综合考虑经济、环境、法律、安全、伦理等制约因素。

（三）思政内容的导入

在全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记提出了提高学生思想政治素质的明确要求，要把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人。因此，在本专业课程教学过程中，必须从高校育人本质出发，不断深度挖掘提炼专业知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，增加课程的知识性、人文性，实现课程知识体系与价值引领的有机统一。

修读该课程的学生为交通运输专业硕士，主要的就业方向为交通运输方向。作为电力电子系统与控制的重要应用——轨道交通车辆，是一个重要的课程思政切入点。因此要将“交通强国，铁路先行”的理念融入课堂。如今，中国高铁已经成了我国一张靓丽的“名片”，我国高铁里程已经位居世界第一。我们要将以上内容所承载的文化自信、民族自豪感、爱国情怀等传播给学生。在我国的新基建中，“城际高速铁路和城市轨道交通”建设如火如荼，无数轨道建设者默默奉献，他们是我们时代的楷模，他们承担社会责任，他们坚持科技强国、弘扬工匠精神，我们要将这些内容融入课程，增强学生的专业自豪感，帮助学生树立职业理想。

在电力电子系统及控制的动态建模方法，以及基于动态模型的系统设计及分析方法这些理论教学过程中，要强调在学习、探索过程中求真务实、严谨认真、精益求精。在进行案例教学和学生进行案例探索中，引导学生弘扬探索创新精神。要加强学生职业道德培养，帮助学生树立良好的职业道德观，为日后进入相关行业就业打下坚实的基础。

三、课程教学方法的更新

研究生相对于本科生来说，具有相对更好一些的专业基础、专业理解及表达能力，因此在课程教学方法上，核心的理论模块主要采用传统教学模式，并结合案例库与翻转课堂。

在进行相关翻转课堂教学前，进行案例内容的布置。教师利用学校现代网络教育平台发布翻转课堂任务，将教师准备好的案例内容、任务内容及任务目标在网络平台上发布。学生可以通过网络教学平台查看教学资源，明确教学任务及教学目标，还可以通过网络平台进行群组讨论以及与教师进行交流。在核心任务内容中，需要研究生针对案例，根据教师规定的核心研究内容进行文献查阅，然后分组进行资料整理与撰写总结报告，制作汇报PPT并在课堂上汇报交流。在学生进行资料收集整理及撰写报告过程中锻炼专业文献获取、综合运用和分析问题的能力。通过课堂上汇报交流，充分调动了研究生主动研究案例内容的积极性，激发了其内在学习动力。在网络平台与研究生进行答疑交流，引导学生进行科研材料获取，促使学生对问题进行深入思考。

翻转课堂教学中，教师需要起到积极引导及过程评价作用。当研究生进行相关案例的内容分享过程中，教师要针对学生的讲解，从内容的切题情况、广度、深度对学生讲解的内容进行记录并评价。在学生进行阶段汇报结束后，要引导其他研究生与汇报学生进行案例的讨论，教师适时加入，引导学生进行评价及反思。

课后还需要针对本次翻转课堂进行相关总结与客观评价，这对促进学生的主动学习有积极推动作用，并能保证后续翻转课堂教学的持续顺利开展。教师要对学生的汇报内容、实际表达、交流过程三个主要方面进行评价，以正面评价为主，提出改进意见，并利用网络教学平台进行评价内容的信息公开，为后续学生进行相关汇报提供借鉴，不断提高翻转课堂的效果。

总之，研究生的“电力电子系统与控制”课程在内容上要引入电力电子新技术，使专业课程贴近工业技术的最新发展。通过交通运输领域的电力电子系统与控制特色案例库建设，提升学生文献检索能力，提升学生分析问题、解决问题能力。将课程思政的内容导入课程，增强学生的爱国热情，培养学生职业道德。案例教学与翻转课堂相结合，改善教学效果，为相关课程改革提供参考。

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（责任编辑： 王义祥）