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摘要:作为电气工程及其自动化专业的重要专业基础课,“电力电子技术”的地位非常重要。本文从课程内容、教学方法和手段、实践环节等方面对“电力电子技术”课程的教学改革进行了探讨,包括及时更新教学内容、不断完善专业课程教学方法和教学手段,充分考虑学生的学习主动性和未来就业趋势对课程教學的要求,同时在教学中注重实验教学,突出学生的实践能力和创新能力的综合培养。
关键词:电力电子技术;教学内容;教学手段;实践能力
作者简介:孙冠群(1974-),男,河北涞水人,中国计量学院现代科技学院/机电工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:电机及其控制、现代电力电子工程;孙崎岖(1970-),女,浙江义乌人,中国计量学院机电工程学院,高级实验师,工学硕士,主要研究方向:电力电子与电力传动。(浙江 杭州 310018)
一、“电力电子技术”的地位与定位
从20世纪80年代末期开始,我国高校的电气类(含当时的电机、电力系统、工企自动化等专业)专业大多开设了一门叫“半导体变流技术”的课程,国内当时多采用西安交通大学黄俊教授主编,机械工业出版社出版的《半导体变流技术》一书作为教材,后来该书到第三版修订后改名叫《电力电子变流技术》,2000年出版第四版再次更名为现在广泛采用的名称——《电力电子技术》。自1998年全国高校进行大幅度的专业设置改革后,以“电力电子技术”(或称电力电子学)命名的课程成为电气工程专业的主干必修课程。
电气工程专业涵盖的大部分专业知识内容起步很早,电力电子技术是自上世纪末期开始流行起来的一门新技术,它是电气工程领域最年轻的一个分支,也是发展最快,影响最大的一个分支,有人曾预言,电力电子技术与计算机技术一起,将是21世纪最有前途的技术之一。
在电力电子技术发展的初期,它是一门专业性很强、实用性也很强的技术。在设置该课程时,把它作为一门专业课程。在电力电子技术经过近几十年的发展后,其地位也发生了较大的变化。由于电力电子技术已广泛地用于电气工程、电子工程、自动化工程、通信工程等诸多工程领域,其范围遍及工业、交通、电力、军事、航空航天、航海、建筑乃至家庭等几乎所有的方面。因此,电力电子技术已成为一门基础性和支持性很强的技术。可以说,凡是需要电源的地方,或需要运动并对运动进行控制的地方,几乎都离不开电力电子技术。在今天,要找到一个完全不用电力电子技术的领域已很不容易。
“电力电子技术”课程的教学内容,从最初单一的晶闸管整流电路,发展到今天集整流、斩波、逆变和交流调压变频等多方面内容为一体。虽然内容上仍具有一定专业性,但更多的是应用于各行各业中作为支撑技术。因此我们将其定位为专业基础课程。
从电气专业的角度来看,“电力电子技术”这门课程尤其显得重要,从各类电机的控制,到电力系统中的无功补偿与谐波治理、继电保护、柔性交流输电、超高压直流输电,再到各类电源,这些隶属电气工程知识范畴的方向都离不开电力电子技术作为支撑。所以说,在电气专业当中,“电力电子技术”好比一个中枢,地位突出。同时电力电子技术又是电气工程领域最具活力、发展最快的,这也给从事这方面教学的教师提高了要求,增加了改革的难度。本文即针对应用型本科电气专业的“电力电子技术”课程的适应性改革提出一些经验,供大家探讨。
二、及时更新课程内容
做到每年对教学大纲进行一次修订,以期紧跟电力电子技术的发展节奏,同时考虑学生的接受能力与就业取向,在教学实践中进行必要的改革。
1.及时更新教学内容,进行知识整合
我们的培养目标是使学生具有站在全系统高度上分析和解决实际问题的能力,因而教学要从讲授内容划分过细及知识点联系实际薄弱向知识整体性和创造性解决能力的方向转变。为此需要做到更新教学内容,进行整体知识整合。如对“电力电子器件”部分,以全控型器件为主,重点介绍器件外部特性、极限参数的应用、器件的驱动保护及故障的监测;对“电力电子电路”部分,重点讲述四大类基本变流电路,即AC/DC、DC/DC、AC/AC、DC/AC变流电路;对“控制技术”部分,重点介绍PWM技术;对新技术方面,重点介绍软开关技术。另一方面,要传授该学科的前沿知识,注重结合工程实际,反映科研成果,介绍实用性的电力电子装置。如矩阵式交—交变换器、电网谐波抑制技术、功率因数提升技术等内容。也可介绍一些日常应用装量,如电子镇流器、汽车用电子调节器电路等。
“电力电子技术”课程的教学必须将教学与行业发展、最新技术及实际应用等多方面内容结合起来。例如在讲授功率变换技术时,注意将电路与高频变换器、新型开关电源及新能源等的应用结合起来。学生不仅对学习内容有更加直观的认识,而且还能掌握最新的行业发展新动态。
2.调整实验内容,保证实验的代表性和方向性
实验内容首先要考虑理论教学的知识难点和重点,以利于学生对基本理论、基本原理的掌握;其次要对原有的实验内容进行筛选、补充、综合,减少验证性实验。从简到难分层次设置实验,不断开拓新实验项目,多开一些综合性、设计性实验。
根据教学内容的调整,保留了原有晶闸管整流、逆变的验证性实验,使学生对本课程的应用有一个初步认识。在器件研究上则以全控器件研究为主,对直流斩波、交—交变换及PWM控制技术部分的内容,开设设计型实验。由教师给出电路参数,提出实验要求和目的,由学生自行设计线路,选择器件及其驱动电路和保护电路。此外,增加信号的调制——SPWM信号的产生与实现、电力电子电路闭环动态特性观察及超调量抑制、DC/AC SPWM单相全桥逆变电路设计等综合性实验,包括引入电力电子电路的计算机仿真实验内容。
三、改革教学方法和教学手段
1.结合科研成果与企业经验,拓展学生视野
我们结合课题组在电机控制与电力系统电能变换方面的科研特长,将最新的科研成果穿插在课内进行介绍。开拓学生的视野,使他们知道一些最新的技术成果,同时也为学生后续的各类设计课程做了铺垫。
教学中也充分利用教师长期在企业工作以及与不同企业科研合作的经历,将校外各类企业在电力电子技术相关产品方面的情况穿插介绍给学生,这是一种很好的理论联系实际的教学方式。
2.充分利用软件资源,提高实际能力
在每一种电力电子器件或电能变换电路的介绍中加入其应用实例,可通过MATLAB的电气模块PSB对系统进行仿真,或者利用专用仿真PSPICE软件进行。让学生自己动手去设计或开发一个实用电路模型,对电路的运行效果进行模拟实验。
由于受到实验室条件的限制,实验项目选择面较窄,加上操作中因实验设备无法动态显示电路波形,而且电力电子器件容易损坏,教师应该采用虚实结合的教学方式,部分实验采用计算机仿真技术来实现,部分实验采用仿真与实际动手实验结合,并要求对两者误差作出对比分析。
3.充分发挥学生的主体作用
课堂教学中,教师应该进行换位思考,充分引导学生的同步思维,提高教学效率。在重点和难点处穿插提问,给学生创造一个自由发挥的空间,并注意将作业中常见问题、答疑中典型问题以及学生学习过程中的建议,反馈到课堂中去。
教学中强调授课内容的条理性,将每节课内容分成若干组成部分,在课件中以目录的形式体现出讲解内容的顺序性。以直流变换器章节为例,其由电路的结构、工作原理分析、量化计算、电路特点及复习等部分组成。其中工作原理分析作为重点部分在目录中突出标注,使学生跟上讲授节奏。
四、加强实践环节
1.注重实验教学
“电力电子技术”是一门实践性很强的课程,如前所述,在实验项目的性质、要求、手段上进行了改革。另外,实验部分的课时量也由先前的8学时扩展到12学时,主要是配合改为设计性或综合性项目后给予学生的更多的自主时间,同时部分项目也需要用计算机仿真分析对比。
2.教学注重产学研结合,支持开拓课外科技活动
产学研结合教育是实现整个人才培养目标的重要途径,结合电气工程学科研究热点和前沿课题,开展课外自选课题研究。对一部分学有余力的学生,进行电力电子变换器及控制技术等方面的培训,让他们利用课余时间参加教师的科研实践。吸引学生参加学校或国家的科技创新计划。教学中结合实际,在课堂上多讲解一些生产中的实际例子。近年来,经过教师的指导和培训,以各类电源为设计目标,笔者所在高校电气专业每年都有大约40%的学生组队报名参加全国电子大赛等各类竞赛,并且保持20%以上的学生获奖。
参考文献:
[1]李久盛,王明彦,等.“电力电子学基础”课程的研究导向型教学设计[J].南京:电气电子教学学报,2008,30(5):84-87.
[2]程琼,郑建勇,等.“电力电子技术”课程改革新探讨[J].南京电气电子教学学报,2009,31(2):13-14.
[3]陈新,龚春英,等.“电力电子技术”课程的教学探讨[J].南京电气电子教学学报,2009,31(3):21-22.
[4]程琼,郑建勇.整合“电力电子技术”教学内容培养应用型人才[J].南京电气电子教学学报,2008,30(2):20-22.
[5]王兆安,黄俊,等.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2000.
[6]刘志刚.电力电子学[M].北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2004.
[7]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
[8]徐德鸿.电力电子技术[M].北京:科学出版社,2006.
(责任编辑:刘辉)
关键词:电力电子技术;教学内容;教学手段;实践能力
作者简介:孙冠群(1974-),男,河北涞水人,中国计量学院现代科技学院/机电工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:电机及其控制、现代电力电子工程;孙崎岖(1970-),女,浙江义乌人,中国计量学院机电工程学院,高级实验师,工学硕士,主要研究方向:电力电子与电力传动。(浙江 杭州 310018)
一、“电力电子技术”的地位与定位
从20世纪80年代末期开始,我国高校的电气类(含当时的电机、电力系统、工企自动化等专业)专业大多开设了一门叫“半导体变流技术”的课程,国内当时多采用西安交通大学黄俊教授主编,机械工业出版社出版的《半导体变流技术》一书作为教材,后来该书到第三版修订后改名叫《电力电子变流技术》,2000年出版第四版再次更名为现在广泛采用的名称——《电力电子技术》。自1998年全国高校进行大幅度的专业设置改革后,以“电力电子技术”(或称电力电子学)命名的课程成为电气工程专业的主干必修课程。
电气工程专业涵盖的大部分专业知识内容起步很早,电力电子技术是自上世纪末期开始流行起来的一门新技术,它是电气工程领域最年轻的一个分支,也是发展最快,影响最大的一个分支,有人曾预言,电力电子技术与计算机技术一起,将是21世纪最有前途的技术之一。
在电力电子技术发展的初期,它是一门专业性很强、实用性也很强的技术。在设置该课程时,把它作为一门专业课程。在电力电子技术经过近几十年的发展后,其地位也发生了较大的变化。由于电力电子技术已广泛地用于电气工程、电子工程、自动化工程、通信工程等诸多工程领域,其范围遍及工业、交通、电力、军事、航空航天、航海、建筑乃至家庭等几乎所有的方面。因此,电力电子技术已成为一门基础性和支持性很强的技术。可以说,凡是需要电源的地方,或需要运动并对运动进行控制的地方,几乎都离不开电力电子技术。在今天,要找到一个完全不用电力电子技术的领域已很不容易。
“电力电子技术”课程的教学内容,从最初单一的晶闸管整流电路,发展到今天集整流、斩波、逆变和交流调压变频等多方面内容为一体。虽然内容上仍具有一定专业性,但更多的是应用于各行各业中作为支撑技术。因此我们将其定位为专业基础课程。
从电气专业的角度来看,“电力电子技术”这门课程尤其显得重要,从各类电机的控制,到电力系统中的无功补偿与谐波治理、继电保护、柔性交流输电、超高压直流输电,再到各类电源,这些隶属电气工程知识范畴的方向都离不开电力电子技术作为支撑。所以说,在电气专业当中,“电力电子技术”好比一个中枢,地位突出。同时电力电子技术又是电气工程领域最具活力、发展最快的,这也给从事这方面教学的教师提高了要求,增加了改革的难度。本文即针对应用型本科电气专业的“电力电子技术”课程的适应性改革提出一些经验,供大家探讨。
二、及时更新课程内容
做到每年对教学大纲进行一次修订,以期紧跟电力电子技术的发展节奏,同时考虑学生的接受能力与就业取向,在教学实践中进行必要的改革。
1.及时更新教学内容,进行知识整合
我们的培养目标是使学生具有站在全系统高度上分析和解决实际问题的能力,因而教学要从讲授内容划分过细及知识点联系实际薄弱向知识整体性和创造性解决能力的方向转变。为此需要做到更新教学内容,进行整体知识整合。如对“电力电子器件”部分,以全控型器件为主,重点介绍器件外部特性、极限参数的应用、器件的驱动保护及故障的监测;对“电力电子电路”部分,重点讲述四大类基本变流电路,即AC/DC、DC/DC、AC/AC、DC/AC变流电路;对“控制技术”部分,重点介绍PWM技术;对新技术方面,重点介绍软开关技术。另一方面,要传授该学科的前沿知识,注重结合工程实际,反映科研成果,介绍实用性的电力电子装置。如矩阵式交—交变换器、电网谐波抑制技术、功率因数提升技术等内容。也可介绍一些日常应用装量,如电子镇流器、汽车用电子调节器电路等。
“电力电子技术”课程的教学必须将教学与行业发展、最新技术及实际应用等多方面内容结合起来。例如在讲授功率变换技术时,注意将电路与高频变换器、新型开关电源及新能源等的应用结合起来。学生不仅对学习内容有更加直观的认识,而且还能掌握最新的行业发展新动态。
2.调整实验内容,保证实验的代表性和方向性
实验内容首先要考虑理论教学的知识难点和重点,以利于学生对基本理论、基本原理的掌握;其次要对原有的实验内容进行筛选、补充、综合,减少验证性实验。从简到难分层次设置实验,不断开拓新实验项目,多开一些综合性、设计性实验。
根据教学内容的调整,保留了原有晶闸管整流、逆变的验证性实验,使学生对本课程的应用有一个初步认识。在器件研究上则以全控器件研究为主,对直流斩波、交—交变换及PWM控制技术部分的内容,开设设计型实验。由教师给出电路参数,提出实验要求和目的,由学生自行设计线路,选择器件及其驱动电路和保护电路。此外,增加信号的调制——SPWM信号的产生与实现、电力电子电路闭环动态特性观察及超调量抑制、DC/AC SPWM单相全桥逆变电路设计等综合性实验,包括引入电力电子电路的计算机仿真实验内容。
三、改革教学方法和教学手段
1.结合科研成果与企业经验,拓展学生视野
我们结合课题组在电机控制与电力系统电能变换方面的科研特长,将最新的科研成果穿插在课内进行介绍。开拓学生的视野,使他们知道一些最新的技术成果,同时也为学生后续的各类设计课程做了铺垫。
教学中也充分利用教师长期在企业工作以及与不同企业科研合作的经历,将校外各类企业在电力电子技术相关产品方面的情况穿插介绍给学生,这是一种很好的理论联系实际的教学方式。
2.充分利用软件资源,提高实际能力
在每一种电力电子器件或电能变换电路的介绍中加入其应用实例,可通过MATLAB的电气模块PSB对系统进行仿真,或者利用专用仿真PSPICE软件进行。让学生自己动手去设计或开发一个实用电路模型,对电路的运行效果进行模拟实验。
由于受到实验室条件的限制,实验项目选择面较窄,加上操作中因实验设备无法动态显示电路波形,而且电力电子器件容易损坏,教师应该采用虚实结合的教学方式,部分实验采用计算机仿真技术来实现,部分实验采用仿真与实际动手实验结合,并要求对两者误差作出对比分析。
3.充分发挥学生的主体作用
课堂教学中,教师应该进行换位思考,充分引导学生的同步思维,提高教学效率。在重点和难点处穿插提问,给学生创造一个自由发挥的空间,并注意将作业中常见问题、答疑中典型问题以及学生学习过程中的建议,反馈到课堂中去。
教学中强调授课内容的条理性,将每节课内容分成若干组成部分,在课件中以目录的形式体现出讲解内容的顺序性。以直流变换器章节为例,其由电路的结构、工作原理分析、量化计算、电路特点及复习等部分组成。其中工作原理分析作为重点部分在目录中突出标注,使学生跟上讲授节奏。
四、加强实践环节
1.注重实验教学
“电力电子技术”是一门实践性很强的课程,如前所述,在实验项目的性质、要求、手段上进行了改革。另外,实验部分的课时量也由先前的8学时扩展到12学时,主要是配合改为设计性或综合性项目后给予学生的更多的自主时间,同时部分项目也需要用计算机仿真分析对比。
2.教学注重产学研结合,支持开拓课外科技活动
产学研结合教育是实现整个人才培养目标的重要途径,结合电气工程学科研究热点和前沿课题,开展课外自选课题研究。对一部分学有余力的学生,进行电力电子变换器及控制技术等方面的培训,让他们利用课余时间参加教师的科研实践。吸引学生参加学校或国家的科技创新计划。教学中结合实际,在课堂上多讲解一些生产中的实际例子。近年来,经过教师的指导和培训,以各类电源为设计目标,笔者所在高校电气专业每年都有大约40%的学生组队报名参加全国电子大赛等各类竞赛,并且保持20%以上的学生获奖。
参考文献:
[1]李久盛,王明彦,等.“电力电子学基础”课程的研究导向型教学设计[J].南京:电气电子教学学报,2008,30(5):84-87.
[2]程琼,郑建勇,等.“电力电子技术”课程改革新探讨[J].南京电气电子教学学报,2009,31(2):13-14.
[3]陈新,龚春英,等.“电力电子技术”课程的教学探讨[J].南京电气电子教学学报,2009,31(3):21-22.
[4]程琼,郑建勇.整合“电力电子技术”教学内容培养应用型人才[J].南京电气电子教学学报,2008,30(2):20-22.
[5]王兆安,黄俊,等.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2000.
[6]刘志刚.电力电子学[M].北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2004.
[7]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
[8]徐德鸿.电力电子技术[M].北京:科学出版社,2006.
(责任编辑:刘辉)