应用型本科电力电子技术课程教学改革探讨

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2019年7月总第317期
ISSN1672-1438
CN11-4994/T
应用型本科电力电子技术课程教学改革探讨
范茂彦１ 张丽芳2
1.玉溪师范学院物理与电子工程学院 云南玉溪 653100
2.玉溪师范学院教务处 云南玉溪 653100
摘 要：针对应用型本科人才培养的定位特点，探讨了电力电子技术理论和实践教学改革，通过优化教学内容，创新教学方法，依托计算机仿真和实验设备，并结合高校科学研究项目，构建以应用能力培养为核心的课程体系，以适应工程实际需要为目标，以培养能力为主线，对教学内容、方法、手段和实训等环节进行改革探索。

关键词：电力电子技术；应用型本科；教学改革；创新能力培养；仿真辅助教学
作者简介：范茂彦，工学博士，高级工程师；张丽芳，工学硕士，讲师。

1 教学改革的基本思路
电力电子技术是对电能进行变换和控制的技术，讲授课程及实验内容必须包括器件工作原理、电路原理、典型电力电子系统应用等。

教学改革的目的是落实培养学生的理论与实践相结合的教学理念，丰富工程实践知识，学生学习过程中既动脑又动手，培养应用型人才。

修订教学大纲理论及实训教学环节，重点讲授电力电子技术新知识、新器件的应用领域，探索有利于培养学生综合运用能力和创新能力的措施[1-3]。

(1)增加综合设计性实验教学。

在电力电子技术实验教学中，将实验划分为3个层次：基础性验证实验、综合性课程设计、创新性课题研究。

研究性教学项目让学生在真实的科研环境中学习，培养自学能力、团队合作能力和创新能力，增强学生就业适应能力。

(2)实行开放性实验教学。

挂件组合验证性实验不利于学生养成良好的学习习惯，没有扩展空间，阻碍创新思维的形成。

实验室开放性实训教学，学生可以自己拟订实验方案，各小组独立完成项目研究。

开放实验提供循序渐进的多层次能力培养方案，可以满足不同需求的学生，提高人才培养质量。

任务驱动型教学项目采用导师负责制，可操作性强，实训内容涵盖课程对知识和能力培养的要求，能在接近真实的学习情境中完成。

实验教学平台建设体现先进性、实用性、开放性、多功能性的特点，以满足多层次的基础型、研究型和综合设计型的实验教学和实践活动的要求。

建立电力电子技术网络辅助教学平台，教师与学生一起探索实践创新性教学手段和方法，激发学生学习兴趣，提高学生的创新能力[4,5]。

2 教学方法改革与实践
电力电子技术教学改革目的：通过课堂教学课件演示，仿真辅助教学、实训教学分为必做和选做实验项目，要求学生掌握典型电力电子器件工作原理、基本结构、主要参数和应用特性，熟练掌握各种电力电子电路基本设计方法，并了解其在工程技术领域中的应用，对课程相关知识具有一定的自学能力[6-8]。

目前，电力电子技术实验大多是验证性电路，不能激发学生创新、设计的欲望，只为实验而实验，没有达到综合运用知识的目的，没有充分调动学生学习的主动性、创新性。

精选出具有代表性的电力电子器件、直流斩波电路的性能研究、三相桥式全控整流电路的性能研究、单相交流调压电路的性能研究、单相交—直—交变频电路的性能研究5个必做实验项目，为学生提供选做的调压电路、开关电路、温控电路、变频调速电路、关稳压电源，不间断电源等综合性实验项目，每周留出一定的实验室开放时间，让学生选做实验，自己动手设计、焊接和调试电路。

通过验证性实验强化基础实验教学，综合设计性实验提高鼓励学生应用和创新能力。

加强工程设计能力的培养，学生参与校企合作项目，独立设计工程项目的某一部分，教师可进行相应的指导，对于学生设计的方案，教师要及时审查，引导学生的创新意识，提高学生分析问题和解决问题的能力，提高学生综合素质。

电力电子技术工作原理涉及电路结构、波形分析、设计计算及控制方法，教学难度很大。

引入MatLab 辅助教学软件，学生运用MatLab/Simulink 对多种电力电子器件、典型电路进行建模和仿真，理解电路结构，方便设置和改变器件参数、观测电路波形等
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实验功能。

授课教师与学生共同探索提高教学质量的途径，使该课程的教与学变得更加生动、高效，学生不仅能很好地掌握理论知识，还能培养电路分析及设计能力。

电力电子技术课程教学内容以电路为主线，波形分析贯穿始终，仿真辅助教学可以帮助学生掌握器件的工作原理和电路的动态特性，提高电路的分析、设计和应用能力。

3 电力电子技术教学改革探讨
电力电子技术课程的特点是多学科交叉融合、实践性强，技术更新快，强调学以致用。

教学改革需要从授课内容、教学模式、教学方法、实践应用等方面进行，按应用型人才培养方案，有针对性地改革。

近十年来，全控型器件IGBT ，MOSFET 等的应用，在中、小功率电力与电气系统几乎取代了晶闸管，全控型器件组成的交直流调压、整流电路、逆变电路、变频电路的工作原理及电路拓扑结构设计方法应当是授课及实训的重点，可适当穿插电力器件、典型电路在现实生活中的应用实例，加深学生对相关知识的掌握。

电力电子技术教学改革必须把应用能力培养放在首位，以工程应用为载体开发课程。

整合教材理论知识与工程应用关系，以够用、实用为原则。

将实训任务典型化，从单一到综合，从简单到复杂，形成一系列彼此联系、层次渐进的实训项目序列，使学生在完成项目过程中，培养就业能力。

任务驱动型教学法是学生在典型案例任务引领下展开教学活动，指导教师引导学生完成一系列任务，从而得到清晰的思路、方法和知识的脉络，在完成项目的过程中巩固所学知识、培养学习技能、锻炼工作能力。

研究式教学模式体现出很强的互动性，指导教师与学生为解决碰到的技术问题，开展多学科的学习，扩展知识面，培养学生合作精神与创新思维，提高学生学习积极性、学习信心与成就感。

电力电子技术课程改革不仅是对教学内容的组合优化，更注重教授学生贴近以工程案例为背景的教学内容，模拟面对工程中可能出现的各种设计型问题和操作型问题进行实训，即教学过程强化工程意识学习和训练[9,10]。

开展一些具有较强工程背景的综合性、研究性实验，让学生接触到目前电力电子技术在电力系统应用中的前沿技术，为以后从事相关的工作奠定扎实的理论基础和培养初步的科
研能力。

在实践教学中，实验内容先要求学生利用MatLab 仿真，再用硬件电路验证，并将仿真结果与硬件实验的结果进行对照分析，可以将一些用语言和文字难以表达清楚、不易理解的抽象波形、变化过程，通过仿真波形或曲线的形式直观地演示出来，有利于学生的理解，扩展讲授内容，培养学生的应用及创新能力。

实验技能训练的基本要求是通过改变电路参数、结构以及负载特性等方法，观测波形，分析电路工作性能。

例如，谐波分析、高频噪声和波形失真等内容，仅从理论分析比较难于理解，而通过仿真可以很直观地使学生加深感性认识，起到事半功倍的效果。

MatLab 仿真辅助教学实例。

直接直流变流电路也称斩波电路，功能是将直流电压变为另一可调电压的电路或固定电压的电路。

升压斩波电路工作原理如图1所示，V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，假设L 和C 值很大，电流恒定L 1，电容C 向负载R 供电，输出电压
U 0恒定。

V 处于断态时，电源E 和电感L 同时向电容C 充
电，并向负载提供能量。

当电路工作于稳态时，基本的数量关系，一个周期T 中电感L 积蓄的能量与释放的能量相等，即()11on o off EI t U E I t =
−，化简得：
on off o
off off
t t T
U E E t t +==上式中，/1off T t ≥；将升压比的倒数记作β，即
off
t T β=
，则β和导通占空比α有如下关系：
1
αβ+=，111o U E E βα==−。

输出电压高于电源电压，关键有两
个原因：一是储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C 可将输出电压保持住。

图1　升压斩波电路及其工作波形
升压斩波电路建立一个仿真模型的新文件，在 MatLab 的菜单栏上点击File ，选择 New ，再在弹出菜单提取所需的模块放到仿真窗口。

提取所需的模块放到仿真窗口。

在仿真模型窗口的菜单上点击图标调出模型库浏览器，在模型库中将电路元器件模块按升压斩波电路原理图连接起来组成仿真电路(如图2所示)，在仿真计算完成后即可以通过示波器观察仿真电路的波形(如图3所示)。

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图2　升压斩波电路仿真模型
图3　占空比0.2和0.5时电压和电流波形课堂教学过程中MatLab/Simulink帮助学生理解输入输出的电压波形，直观了解各种电路的功能。

电力电子技术课程中的基本电路有4种：整流、逆变、交流调压、直流斩波。

不论是哪种电路的分析，为验证实验的数据和帮助学生对各种电路的学习理解，都有重要作用。

利用Multisim实现仿真实验教学，同传统的电力电子实验相比，可以边实验边修改，由于使用的元器件和仪表都是虚拟的，所以不存在安全问题，另外实验成本低、实验效率高、实验结果直观形象。

学生在仿真实验过程中，有自己独立思考的时间和空间，有利于培养学生的创新思维能力。

仿真实验并不能替代传统的实验手段，仿真实验中看到的都是理想波形，而实际上会存在很多的干扰信号，器件、电路性能也不可能是理想状态，学生只有在真实的硬件实验中才能掌握。

只有将仿真实验与硬件实验相结合，才能帮助学生更好地掌握知识，提高综合应用能力和创新能力[11]。

4 结语
电力电子技术是一门实践性非常强的课程，任务驱动型实践教学环节引入了仿真教学，以升压斩波电路仿真过程为例，分析了仿真辅助教学方法在电力电子技术教学过程中所起的作用。

通过这种教学方法，将抽象的理论教学变为具体、灵活的形式，便于学生多角度分析理论知识。

学生可以选择教材中的基本电路拓扑机构进行仿真分析，帮助学生对相关电路的工作原理和波形图有直观的认识，进一步引导学生进行复杂电路的分析，并为以后的工程实践作铺垫，有利于学生的创新能力的培养。

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Discussions on Power Electronics Teaching Reform of Application Oriented Undergraduates
Fan Maoyan1, Zhang Lifang2
1. School of Physics and Electronic Engineering, Yuxi Normal University, Yuxi, 653100, China
2. Office of Academic Affairs, Yuxi Normal University, Yuxi, 653100, China
Abstract: According to the characteristics of the training of application oriented undergraduate talents, the teaching reform of power electronics theory and practice was discussed. A course system is constructed with the development of application ability as the core, through optimizing teaching contents and innovating teaching methods, based on the computer simulation and experiment equipment and integrated with scientific research projects of colleges and universities. The system aims at meeting the actual engineering needs, centers on the ability development and explores reform in the teaching contents, methods, means and practice.
Key words: power electronics; application oriented undergraduates; teaching reform; development of innovation ability; simulation aided teaching
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