付麗君， 孫金根， 吳東升， 付 文

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

教育信息化趨勢(shì)下“電力電子技術(shù)”教學(xué)探索

付麗君， 孫金根， 吳東升， 付 文

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

“電力電子技術(shù)”課程是理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課程，是培養(yǎng)自動(dòng)化及相關(guān)電類學(xué)生核心素養(yǎng)的非常好的課程，可以從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式上進(jìn)行改革，將信息化技術(shù)融合到教學(xué)中，發(fā)揮信息化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，解決課題教學(xué)任務(wù)繁重、死板等問(wèn)題，可以開闊學(xué)生視野，將學(xué)生培養(yǎng)成二十一世紀(jì)卓越的工程師。

核心素養(yǎng)；整合與優(yōu)化；虛擬實(shí)驗(yàn)

0 引言

電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程具有內(nèi)容多、難度大，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，是培養(yǎng)和提高學(xué)生素質(zhì)的一門重要課程，為此，我們根據(jù)電力電子技術(shù)和教育信息化技術(shù)的發(fā)展情況，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)模式等方面的改革進(jìn)行了探索。

1 整合和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)的電力電子裝置為各類負(fù)載提供了不同的直流電源、交流電源，特別是開關(guān)電源、不間斷電源和變頻交流電源，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)電力電子器件及變換技術(shù)的發(fā)展，以及大學(xué)工科教育培養(yǎng)卓越工程師的目標(biāo)，我們對(duì)“電力電子技術(shù)”課程的內(nèi)容進(jìn)行了整合和優(yōu)化，將電力電子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用例子穿插到變換技術(shù)理論教學(xué)中，使學(xué)生從枯燥的理論學(xué)習(xí)中了解其應(yīng)用前景，提高學(xué)習(xí)的樂(lè)趣和動(dòng)力[1]。

我們將課程教學(xué)內(nèi)容分成6個(gè)模塊，電力電子器件作為學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，安排為1個(gè)基礎(chǔ)模塊，電力電子器件驅(qū)動(dòng)與保護(hù)作為器件使用的共性問(wèn)題歸納在1個(gè)模塊中 ，電力電子的變換技術(shù)涉及到AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC變換，安排了4個(gè)模塊用于學(xué)習(xí)變換技術(shù)及其應(yīng)用，并根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用情況對(duì)相應(yīng)模塊的教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)做出適度調(diào)整，6個(gè)模塊的構(gòu)成如圖1所示[2]。

圖1 “電力電子技術(shù)”課程模塊構(gòu)成

目前半控型器件晶閘管組成的應(yīng)用電路逐步減少，以功率器件IGBT、MOSFET作為標(biāo)志的全控型器件成為現(xiàn)代電力電子裝置中功率器件，構(gòu)成了各種變換電路。因此在教學(xué)內(nèi)容上，進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，大幅壓縮甚至刪減了半控型器件構(gòu)成的變換技術(shù)，加大了IGBT、MOSFET開關(guān)特性的學(xué)習(xí)，增加了全控型電力電子器件變換新理論和新技術(shù)教學(xué)比重。又如在AC/DC模塊中，大幅度削減晶閘管整流電路的內(nèi)容。而隨著逆變技術(shù)在變頻器和新能源技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，增加了DC/AC模塊的學(xué)時(shí)，安排更多的逆變技術(shù)內(nèi)容。

2 改進(jìn)教學(xué)方法

2.1 摒棄單一講授

“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容理論性很強(qiáng)，公式推導(dǎo)復(fù)雜。多年來(lái)的教學(xué)方法都是以教師為中心，逐章逐節(jié)地講授，學(xué)生處于被動(dòng)的接受，遏制了學(xué)生的批判性思維，同時(shí)也不利于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力和溝通交流能力的培養(yǎng)。為此我們?cè)凇敖獭迸c“學(xué)”的關(guān)系上，重新進(jìn)行了定位，除了注重“教”，更強(qiáng)調(diào)重視“學(xué)”。我們采用導(dǎo)論的方法進(jìn)行了教學(xué)嘗試，即將每次課堂上需要掌握的問(wèn)題提前通知學(xué)生，如在PWM控制技術(shù)教學(xué)中，提前告訴學(xué)生需要掌握的問(wèn)題：① 什么是PWM控制技術(shù)，怎么理解波形的幅值和形狀；②PWM 控制技基本原理是什么；③什么是PWM調(diào)制方法，載波比和調(diào)制度的概念，異步調(diào)制和同步調(diào)制是什么，規(guī)則采樣法采樣點(diǎn)在哪點(diǎn)上。這樣學(xué)生根據(jù)這些問(wèn)題先自學(xué)，然后課堂上針對(duì)問(wèn)題師生一起深入討論和解答疑惑，既發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理的能力。也將科學(xué)的學(xué)習(xí)方法傳授給學(xué)生，將批判性思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)中，使教師教得生動(dòng)，學(xué)生學(xué)得主動(dòng)。

2.2 應(yīng)用與教學(xué)融合

我們將電力電子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例引入到課堂的教學(xué)中，例如：在AC/DC模塊學(xué)習(xí)中，引入了飛鋸機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)；在DC/DC模塊學(xué)習(xí)中，引入光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制；在DC/AC學(xué)習(xí)中，引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和UPS電源；在AC/AC模塊學(xué)習(xí)中，引入西門子MM4系列變頻器構(gòu)成和在恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。這樣將四種變換原理與實(shí)際應(yīng)用緊密的結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生真正體驗(yàn)到所學(xué)知識(shí)的力量，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2.3 充分利用信息化教學(xué)平臺(tái)

在國(guó)家教育發(fā)展戰(zhàn)略中指出，2020年基本實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化，用信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化。我?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”作為遼寧省第3批共享精品課，教學(xué)內(nèi)容和授課視頻已全部上網(wǎng)。我們將信息技術(shù)與教育進(jìn)行融合，將一些原來(lái)課堂講授的內(nèi)容布置給學(xué)生讓學(xué)生到網(wǎng)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，而將難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容在課堂上進(jìn)行重點(diǎn)講授，充分利用信息化教學(xué)平臺(tái)提高課堂教學(xué)的效率，用信息化帶動(dòng)了教育現(xiàn)代化。

3 改革教學(xué)模式

3.1 將虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)

“電力電子技術(shù)”課程在教學(xué)過(guò)程中常需借助大量的波形來(lái)分析功率變換各種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。我們利用Matlab/Simulink仿真工具，將虛擬實(shí)驗(yàn)引進(jìn)課堂教學(xué)，輔助“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)[3]。使學(xué)生直觀地看到不同結(jié)構(gòu)變換電路的需要觀測(cè)點(diǎn)的波形，解決課程內(nèi)容抽象、變換復(fù)雜的知識(shí)難點(diǎn)問(wèn)題，為教學(xué)創(chuàng)造了新的教學(xué)與實(shí)踐模式。利用每個(gè)仿真模型提供的參數(shù)設(shè)置功能，可直觀地觀察到參數(shù)變化對(duì)電路相的影響。還可以模擬電力電子器件開路、短路或脈沖丟失等故障發(fā)生時(shí)，對(duì)各種變換電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響，以此培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力。

3.2 Matlab/Simulink在教學(xué)中的實(shí)例

通用變頻器最常用的控制算法是SPWM控制技術(shù)。圖2是 三相電壓型SPWM逆變器的仿真模型。

圖2 三相電壓型SPWM逆變器的仿真模型

仿真模型里采用了逆變橋、PWM脈沖發(fā)生器、串聯(lián)RLC、直流電源和一些觀測(cè)模塊，為了觀測(cè)輸出電壓的基波成分，采用了傅里葉函數(shù)模塊、時(shí)鐘模塊和函數(shù)。設(shè)調(diào)制波頻率為50 Hz，載波頻率為1650 Hz。圖3仿真結(jié)果直觀地呈現(xiàn)了逆變器輸出的三相相電壓和線電壓電壓波形。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代電力電子器件的大規(guī)模應(yīng)用要求教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該與技術(shù)和應(yīng)用相適應(yīng)，為此教學(xué)內(nèi)容必須進(jìn)行整合與優(yōu)化。利用教育信息化技術(shù)可以解決課時(shí)少與教學(xué)內(nèi)容多的矛盾，同時(shí)也可培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、解決問(wèn)題能力、批判性思維、溝通交流能力和創(chuàng)造創(chuàng)

圖3 三相電壓型SPWM逆變器的輸出電壓波形

新能力。信息化技術(shù)的發(fā)展，為教學(xué)模式的改變帶來(lái)了新的途徑，虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)，可以解決教學(xué)內(nèi)容抽象的問(wèn)題，擴(kuò)展學(xué)生的視野，也培養(yǎng)了學(xué)生探索精神。

[1] 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)(第5版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2009

[2] 魯明麗，劉燕. 基于卓越計(jì)劃的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探索[J]. 北京：中國(guó)電力教育，2014(2)：103-104,108.

[3] 李宋. Simulink在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 溫州：溫州大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2008(8)：46-49.

Exploration on the Teaching of Power Electronics Technology Course under the Trend of Educational Information

FU Li-jun, SUN Jin-gen, WU Dong-sheng, FU Wen

(SchoolofAutomationandElectricalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China)

Power Electronics Technology course is a course that's very strong both theoretically and practically. It is a very good course in developing the core ability of students in automation and related electrical majors. It can be revolutionized in course content, teaching methods and teaching modes. It can merge information technology into teaching to exploit the advantages of information technology and resolve the problems of the heavy workload and inflexibility of teaching tasks. It can broaden the horizons of students to develop them to outstanding engineers of the 21st century.

core ability； integration and optimization； virtual experiment

2016-05-12;

2016-07- 18

付麗君(1962-)，女，碩士，副教授，主要從事電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)和變頻控制技術(shù)教學(xué)與研究工作，E-mail:renhuixuan313@126.com

G 642.0

A

1008-0686(2017)02-0054-03