“电力电子技术”课程挑战式综合实验设计_于飞.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：海军工程大学教学改革研究项目（）第一作者：于飞（），男，博士，副教授，主要从事电力电子、电气传动方向的教学及研究工作，：“电力电子技术”课程挑战式综合实验设计于 飞 乔鸣忠 黄雅鑫（海军工程大学 电气工程学院，武汉）摘要：秉承以学生“学”为中心的教学理念，满足差异化的教学需求，针对“电力电子技术”课程实验教学中存在的实验设置无差异，学生动手、思考不足等问题，提出了挑战式实验设计方法：精选能够涵盖“电力电子技术”课程知识体系与实验要素的典型实验电路，提出多层次、多梯度的实验内容设计，使实验完成的挑战性逐级升高。该实验设计方法不但满足了不同能力学生的差异化教学需求，还充分锻炼了学生的自主学习能力、动手能力和创新能力。关键词：电力电子技术；综合实验；实验教学；挑战式教学中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：“”，：；在通常的课程教学模式中，一般制定一个统一的教学大纲或者课程标准，在课程教学实施过程中针对所有的学生按照这个统一的标准开展课程教学。这样做的好处是课程开展按纲施教，能够保证学生得到标准化教育，课程考核通过的学生即认为达到了课程要求。缺点是对所有的学生采用同样的教学内容、方法和难度，没有考虑到学生在能力、兴趣、精力等方面的差异化，做不到因材施教。课程标准一般按照学生的平均能力水平制定，能力弱、精力差的学生可能会跟不上，能力强、兴趣大的学生可能感觉“吃不饱”“不够学”。针对这一情况，有的任课教师提出了一些解决方案。比如采用小班化教学，相对于大班教学来说，小班化教学更容易注意和照顾到不同层次学员个体的差异，在尊重个体差异的情况下，在按纲施教的同时对能力差的学生加强辅导，使后进学生能够跟上。这种差异教学方式一般是加强学生中的短板，对能力强、学有所余的学生来说没有特别的针对性。还有一种方案是采用翻转课堂教学，或者是基于 的讨论式教学，这些教学方法也都是建立在小班化的基础上，一般不超过 人。因为班级人数越多，差异化教学越难开展，除非把学生按照能力水平再分班，这也是一种做法，不过存在歧视差生的嫌疑。翻转课堂或者是讨论式教学法一般需要学员课前提前学习教师布置的教学任务，例如通过 或者教师推送的微课学习主要知识点，然后在课堂上开展课堂讨论或者翻转课堂教学，根据讨论或者翻转课堂效果来发现学生的学习过程中存在的问题，然后根据不同学生的不同问题开展有针对性的教学辅导，或者根据学生的学习力定制不同的施教方案，做到因材施教。上面这些教学方法对于发现并强化后进学生的学习效果比较好，但是对于那些“吃不饱”的学生往往没有采用特别的针对性措施。在课程实践方面，“电力电子技术”课程研究的重点通常在于课程实验手段方面，比如、等软件在电力电子教学仿真中的应用。基于、等的电力电子实验系统开发等，这些教学改革通常是针对某一实验设备或某种实验手段针对所有的学生统一开展，很少考虑到学员差异性。结合“电力电子技术”课程的特点，提出了一种考虑学员差异的挑战性综合实验方法，通过多层次的实验设计，满足不同学生能力、兴趣的不同要求，做到教师因材施教、学生尽才发挥。“电力电子技术”课程分析“电力电子技术”课程不但是一门专业基础课，电气工程方向电力系统及其自动化、电气传动控制技术、电工电能新技术等都离不开电力电子技术的支撑，而且也是一门专业课，各种电能变换装置及电力传动装置直接由电力电子变流器组成。“电力电子技术”的课程内容可分为四大部分，即器件技术、变流技术、控制技术、应用技术。其中器件技术是基础，侧重电力电子器件的特性及使用方法。变流技术是核心，要求重点掌握四大变流电路的结构、原理及特性。控制技术是支撑，重点在于典型 控制方法及其在变流器中的应用。应用技术是拓展，要求了解电力电子技术在不同电气领域中的作用及应用。各部分之间既各成体系又相互联系，都紧紧围绕变流技术为核心。各种类型变流器都是以电力电子器件为主体构成的，变流器的实际工作运行离不开各种 控制技术的支撑，电力电子技术在各领域的应用实际上是变流器及其组合的使用。因此在教学实施过程中要紧紧围绕变流技术，即变流器的结构、原理和控制来开展。“电力电子技术”的实践教学改革“电力电子技术”课程实验采用较多的是验证式实验方法。目前多数科教设备厂家生产的电力电子实验设备都是这种形式，很多高校都购买了他们的设备，这些实验台功能较强，使用方便，但是其高度集成的结构封装好了所有的电源、主电路、驱动电路、控制电路、保护电路、传感电路等，学员在实验台上看到的只是电路原理图。实验时，教员一般先演示一下，告诉学员如何接线和测试信号，然后学员对照实验指导书的接线图（见图）进行接线，通电测试就可以了。图 实验指导书中的接线图在这个过程中，学生完全不需要搞懂主电路和控制电路的内部构成及控制关系，甚至不需要知道电路的工作原理，就可以根据接线图插几根线就能做出完美的实验结果来。但是起到的效果很不理想，电力电子实际电路中涉及到的辅助电路、控制电路、参数设计及其影响、器件和控制芯片的使用等在实验中基本没涉及到，学生做完实验后很快就没有印象了，要想让他自己设计出一个实际电路来根本不可能！起到的效果还不如做仿真，因为做仿真至少要对电路原理和控制方法非常熟悉才行，通过仿真调试也可以深入地体会到各种控制参数和电路参数对电力电子电路特性的影响。由此可见，传统的验证式实验方法十分不利于学员的自主思考和动手能力的提高，更谈不上创新性研究。因此在一些电力电子实验教学改革中，纷纷引入了基于、等软件的虚拟仿真实验，这些虚拟仿真实验虽然有助于对电力电子电路控制和特性的深入理解，但毕竟是理想化的虚拟形式，对于实际电路的认识、实际器件的使用、控制的实现、电路实际问题的解决很难起到锻炼作用。例如在 仿真中，控制信号只需要通过一个脉冲发生器产生给出一系列的、触发脉冲信号就可以了，器件在该信号的作用下通断，就可以实现其控制特性。但实际的电力电子变流电路，其控 制 信 号 需 要 各 种 集 成 芯 片 如、等或者数字控制电路如单片机、等辅助以一定的外围电路等才能产第 期于飞，等：“电力电子技术”课程挑战式综合实验设计生，此外还需要进行隔离、放大、保护等才能真正实现对电力电子器件的触发控制，而那些外围电路的参数对控制信号的特性会有明显的影响。这些过程只有亲自动手去做，才能体会到电力电子电路的真面目。也只有亲手去做，才能在实做过程中不断地发现问题，解决问题，从而促进思考、提高动手能力和解决实际问题的能力。这些显然是验证式实验和虚拟实验做不到的。因此为了提高学生的自主学习能力和动手解决实际问题的能力，我们提出自主研究式综合实验方式，即针对实验电路，只提出基本控制要求和性能指标。学员通过理解教材、查阅资料、讨论交流等手段自己设计电路、选择器件、完成仿真，并进行实验验证，同时也要撰写研究报告，并在课堂上进行论文答辩。并根据实验结果、论文质量和答辩表现给出评定成绩，作为课终成绩的一部分。通过这种实验方式可以引导学生加强自主学习能力、学术研究能力、团结协作能力等方面的锻炼。挑战式综合实验设计前面我们提出了采用自主研究式综合实验方式来提高学生的自主研究能力和动手能力。但是如何考虑学员的能力不同采用差异化教学呢？本节将对此进行分析。综合实验设计原则电力电子技术的核心是变流技术，以变流技术为核心把器件、控制和应用串联起来，因此电力电子技术的实验设计应以围绕变流技术来进行设计。变流技术包括、四大类型，考虑到 变换技术实际应用较少，且其采用器件和控制方法与相控式 变换电路类似，因此在综合实验电路选择的时候可考虑只从其它三种变换电路中选取典型的电路完成，而 变换电路以及其它未进行综合实验的电路可在课堂或课后采用仿真的形式验证其控制特性。精选典型电路的原因是课时有限，而自主研究式实验方法需要花费较多的时间来完成调研、设计、仿真、实验调试、研究报告等一系列工作，因此实验电路不宜过多。但是要涵盖到典型的电力电子器件、电力电子变换电路以及常用的集成控制电路。基于以上因素，我们认为选择 变换电路中的 电路、变换电路中的 变频控制电路、变换电路中的相控整流电路作为自主研究式综合实验电路较为合适。因为这些电路涵盖了二极管、晶闸管、三种常用的电力电子器件类型，涵盖了不控整流、相控整流、变频、斩波调压等几种应用广泛的电力电子变换电路，同时也涵盖了常用的 控制芯片、相控芯片、晶闸管和 的驱动电路等构成实际电力电子电路的各个要素。如果通过自主研究能够完成这些电路的设计、仿真和实现，肯定可以为电力电子技术打下坚实的基础，无论是理论、仿真还是电路实践都会有很大收获，对于日后工作或研究起到很好的助力作用。挑战式综合实验，要采用多层次、多梯度的实验内容设计，满足不同能力的学生要求。其基本实验任务应当是对学生的最低要求，满足课程标准或大纲对学习的规定，在此基础之上，逐渐提高要求，使有能力、有兴趣的学生得到更好的锻炼，层次越高，挑战性越大。最高层次的实验任务，难度可达到硕士以上的水准。当然，完成更高的难度除了兴趣之外，还需要一定的激励作用，即总评成绩加分，难度越高，加分越多，这需要与课程的考核方法改革结合起来，加大以能力为导向的过程考核在考试成绩中的比重。挑战式综合实验设计实例以 电路实验为例，我们设计的挑战式自主实验要求如下：实验内容：建立 电路的仿真模型，分析不同参数对其特性的影响；完成 实验电路的设计、搭建及测试；分析不同占空比及负载情况下的输出电压特性；撰写实验研究报告。（）基本任务。电路带电阻负载开环控制的设计、仿真及实验。输入直流电压为 。要求输出电压占空比 连续可调。主开关器件采用（），芯片采用 或自主选择其它实现方式。（）进阶任务（加 分）。电路带电容滤波、电阻负载开环控制的设计、仿真及实验。给定电源为。在基本任务的基础上要求输出电压脉动不大于，输出电压大小 连续可调，输出额定功率不小于 。（）高阶任务（加 分）。电路闭环稳压控制设计、仿真及实验。在进阶任务的基础上要求输出电压为 时，在 额定负载变化情况的稳态电压调压率不大于。（）挑战级任务（加 分）。直流稳压电源产品级设计、仿真及实验。在高阶任务的基础上，设计 板控制板及机箱，要求机箱具有输入输出接口，具有过载和短路保护，并能数码显示输出电电气电子教学学报 第 卷压值，完成的实验装置可作为开关电源产品使用。在该 电路自主实验要求中，基本要求是所有学员都应当完成的最低要求，有能力的学生可以直接选择更高等级的要求来完成，难度越高，加分越多。通过该综合实验可以让学生了解到一个完整的电力电子变换电路的构建要素和实现过程，并自己动手真正搭建一个具有实际应用功能的变换电路；通过自主研究了解并掌握 变换电路的常用芯片类型、特点及其使用方法；熟悉开环控制、闭环控制的等基本概念及其特点。教学应用及成效挑战式综合实验设计是海军工程大学“电力电子技术”课程教学改革成果之一。成果形成后，在海军工程大学 年多个班次的“电力电子技术”课程教学中进行了教学实践检验。实验时把学生共分成多个小组，每个小组 人，每个实验选择一名学生作为组长，组长由小组成员轮流担任，负责组织协调实验任务的安排和开展。对于该实验方式，学生普遍感到有压力，但是也更有动力，学习的主动性、实验的参与度、讨论的积极性更高了。为了更好地完成任务，学生经常利用晚上、周末等课余时间主动加班加点查阅资料、建模仿真和实验调试。根据任务要求自主设计完成了各种不同的实验电路（图）。学员普遍反映该实验方式对自主学习能力、团结协作能力、组织领导能力、动手解决问题能力等都起到了很好的锻炼作用，各层次的学生都获得了成就感。教学督导也对这种形式的实验教学效果给出了很高评价。图 学生自主设计完成的实验电路 结语按照教学大纲针对所有学生采用统一规范的教学内容和学习要求没有考虑到学生的差异化，不利于学生的个性化培养，尤其不利于能力强的学生的创新能力塑造。针对该问题，结合“电力电子技术”课程的特点提出了一种挑战式综合实验设计方法，选取几种能够涵盖“电力电子技术”课程知识体系的典型实验电路，