梁 梅， 陶勇星， 楊 玲， 鄧豐強(qiáng)， 王智東

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，高等教育的關(guān)注點(diǎn)不再是專業(yè)知識(shí)的深入應(yīng)用[1]，也不是復(fù)合知識(shí)的綜合運(yùn)用，而是發(fā)現(xiàn)新的需求、新的應(yīng)用可能性，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品做出有突破性的創(chuàng)新性成果[2]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，針對(duì)創(chuàng)新性工程特征實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，各高校重新設(shè)計(jì)了結(jié)合新技術(shù)、新應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠家開(kāi)發(fā)了更多的新式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些項(xiàng)目都存在以下問(wèn)題:(1)按照工程要求重新構(gòu)建課程內(nèi)容[3]，但方式呈現(xiàn)或者是時(shí)空分離，或者是規(guī)模過(guò)大等特征，學(xué)生并不能理解工程的實(shí)際問(wèn)題。(2)沒(méi)有在原有架構(gòu)上進(jìn)行反思，重新規(guī)劃實(shí)驗(yàn)內(nèi)容展現(xiàn)的方法，只是構(gòu)思了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[4]，改變了研究方向，無(wú)法提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

結(jié)合我中心教改經(jīng)驗(yàn)[5]，以電力電子綜合性實(shí)驗(yàn)為例，探索一種具有“繼承式創(chuàng)新能力提升”特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生提升工程創(chuàng)新能力。主要實(shí)現(xiàn)步驟是結(jié)合經(jīng)典實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系進(jìn)行層次性劃分，以實(shí)驗(yàn)臺(tái)本身的“問(wèn)題”作為起點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，制作知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)與外延知識(shí)有層次性的深度展現(xiàn)，幫助學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”應(yīng)用中的新問(wèn)題，學(xué)生利用魚(yú)骨圖等工具進(jìn)行思維風(fēng)暴，一輪一輪地逼近解決問(wèn)題的最優(yōu)方案。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系重構(gòu)

1.1 體系重構(gòu)

基于電子元器件的非線性、時(shí)變性、溫控性等固有特征，以“問(wèn)題”作為切入點(diǎn)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系重構(gòu)方案中，突出“特色與層次性相結(jié)合”。根據(jù)我院課程偏向“電力系統(tǒng)”的特點(diǎn)，選擇更加有利于展現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)題和應(yīng)用的電路作為重點(diǎn)研究對(duì)象。根據(jù)該原則，首先確定以“三相整流逆變電路”“直流斬波電路”為實(shí)驗(yàn)體系研究的重心[6]。然后，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為4個(gè)層次:基礎(chǔ)層、設(shè)備層、應(yīng)用層、混合層，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系層次設(shè)計(jì)示意圖

基礎(chǔ)層主要設(shè)計(jì)為在理想狀態(tài)下觀測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，展現(xiàn)常規(guī)的實(shí)驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)；設(shè)備層主要逐步展開(kāi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)踐應(yīng)用中真實(shí)存在的問(wèn)題，通過(guò)真實(shí)場(chǎng)景縮短理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用的距離；應(yīng)用層主要將設(shè)備層中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題或者提出的解決方法拓展到學(xué)科的應(yīng)用中，主要根據(jù)學(xué)院發(fā)展的特色進(jìn)行開(kāi)發(fā)，體現(xiàn)辦學(xué)特色?；旌蠈又饕槍?duì)設(shè)備層、應(yīng)用層都尚未能解決的問(wèn)題，探索使用新材料、新方法、新算法來(lái)解決的可能性。

1.2 內(nèi)容重構(gòu)

我院開(kāi)設(shè)電力電子綜合性實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)，分4次完成，使用的是求是公司的MCL-V系列實(shí)驗(yàn)臺(tái)。與體系層次相結(jié)合，對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行重新整合與分類，劃分如下:

(1) 電力系統(tǒng)問(wèn)題呈現(xiàn)(展示系統(tǒng)的多對(duì)象互相約束、振蕩等問(wèn)題的特征):各種觸發(fā)電路、整流逆變電路、直流斬波電路；

(2) 控制技術(shù)應(yīng)用[7](展示物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的混合應(yīng)用):PWMSPWM控制電路、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路、單相交直交變頻電路。

每一次實(shí)驗(yàn)都在教學(xué)內(nèi)容中設(shè)計(jì)不同的主題，幫助學(xué)生理解真實(shí)問(wèn)題，重構(gòu)應(yīng)用中的真實(shí)情境，形成發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，如圖2所示。有興趣的學(xué)生，后續(xù)還可以借助SRP、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)試撰寫(xiě)專利、分析文章和標(biāo)準(zhǔn)等，繼續(xù)提煉成果。將時(shí)間可以自由支配的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)為過(guò)渡區(qū)，連接實(shí)驗(yàn)真實(shí)場(chǎng)景和應(yīng)用中的虛擬場(chǎng)景。

圖2 實(shí)驗(yàn)主題和銜接示意圖

從經(jīng)典原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)渡到培養(yǎng)創(chuàng)新能力實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[8]的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)教師可以借助脈絡(luò)圖幫助學(xué)生重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。繪制原則:

(1) 提高實(shí)驗(yàn)參數(shù)的可觀測(cè)性，使得問(wèn)題客觀可理解；

(2) 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的多元化，千人能有千種實(shí)現(xiàn)途徑；

(3) 問(wèn)題展示規(guī)模最小化，工作量可控。

設(shè)計(jì)脈絡(luò)圖的基本步驟為，教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程提出常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)題，標(biāo)記為1、2、3，再在問(wèn)題1的基礎(chǔ)上展開(kāi)分析，細(xì)化解決該問(wèn)題需要先解決的其他問(wèn)題，標(biāo)記1.1、1.2、1.3。用案例分析的形式，給出解決問(wèn)題1.1、1.2、1.3的方案，并最終解決問(wèn)題1。參考該方法，提出問(wèn)題2并提出解決問(wèn)題2的部分問(wèn)題2.1，其他部分由學(xué)生完善。同理，提出問(wèn)題3，由學(xué)生完成發(fā)現(xiàn)解決該問(wèn)題所要做的工作。進(jìn)一步地，由學(xué)生獨(dú)立提出問(wèn)題。最后，匯總這些問(wèn)題，形成針對(duì)某個(gè)基礎(chǔ)電路的脈絡(luò)圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題脈絡(luò)圖

在脈絡(luò)圖的運(yùn)用中:

(1) 當(dāng)改變給出問(wèn)題和案例的規(guī)則時(shí)，可以改變知識(shí)點(diǎn)的重構(gòu)和呈現(xiàn)方式，幫助學(xué)生理解某一個(gè)點(diǎn)在整個(gè)體系中的位置；

(2) 當(dāng)控制圖數(shù)和問(wèn)題個(gè)數(shù)時(shí)，可以控制課堂內(nèi)思考和討論的規(guī)模；

(3) 當(dāng)控制問(wèn)題層數(shù)時(shí)，可以改變新技術(shù)、新材料等外延性知識(shí)的滲透率。

脈絡(luò)圖體現(xiàn)的是 “教師引導(dǎo)，學(xué)生思考”的過(guò)程，隨著實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)“教師主導(dǎo)”到“學(xué)生主導(dǎo)”的轉(zhuǎn)換。

1.3 實(shí)現(xiàn)方案

實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)為，學(xué)生自行學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)第一次實(shí)驗(yàn)熟悉設(shè)備，參考已有問(wèn)題庫(kù)的數(shù)據(jù)，確定感興趣的基礎(chǔ)電路和問(wèn)題，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課中一邊學(xué)習(xí)其他實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和技能，一邊帶著解決問(wèn)題的任務(wù)進(jìn)行深度分析，最后形成問(wèn)題的最終解決方案，并提出該方案還存在的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)流程圖

通過(guò)這種方式，每個(gè)學(xué)生需分析的問(wèn)題不盡相同，雖然共同操作一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，但是為了完成各自的任務(wù)，會(huì)認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，爭(zhēng)取動(dòng)手機(jī)會(huì)，記錄合理的參數(shù)。學(xué)生僅需完成針對(duì)問(wèn)題解決的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，其可作為參考資料供下一屆學(xué)生使用。這樣的實(shí)施方式，一方面減少了學(xué)生抄寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的工作量，將更多的注意力轉(zhuǎn)移到關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程本身；另一方面記錄了個(gè)體獨(dú)特視角下創(chuàng)新的有效成果，有利于實(shí)驗(yàn)資源的積累和進(jìn)一步挖掘。

2 問(wèn)題的提出方式

根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的疑問(wèn)和實(shí)踐異常[9]，總結(jié)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題表如表1所示。對(duì)于所列出的問(wèn)題，附帶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形圖。

表1 實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題列表

3 引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

3.1 設(shè)備層

將研究問(wèn)題最小化，設(shè)計(jì)成類似“波形異?！薄吧龎菏А盵11]這樣的描述性詞語(yǔ)，來(lái)描述實(shí)驗(yàn)時(shí)常見(jiàn)的問(wèn)題，并依次展開(kāi)，尋找導(dǎo)致該問(wèn)題產(chǎn)生的各種可能性，制作案例，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

案例1:以“波形異?！睘榍腥朦c(diǎn)，針對(duì)主控回路共用電源特征，使用Matlab/Simulink搭建仿真電路，觀察三相橋式整流逆變的輸出波形、輸出測(cè)量值和晶閘管電壓變化波形[12]。通過(guò)理論與仿真波形的比較分析，引導(dǎo)學(xué)生探索電源內(nèi)阻變化、電壓波動(dòng)、同步電壓偏差等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。仿真中給出了逆變能量返送到電源高、低壓側(cè)時(shí)波形的區(qū)別，學(xué)生可以參考該接線，觀測(cè)在不同逆變角下波形的變化。

案例2:以“過(guò)流報(bào)警”為切入點(diǎn)，針對(duì)在三相橋式全控有源逆變實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)中，如果電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者元器件參數(shù)調(diào)制不合理，將觸發(fā)實(shí)驗(yàn)臺(tái)報(bào)警裝置，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)的報(bào)警跳閘問(wèn)題，很多學(xué)生會(huì)將其歸咎于實(shí)驗(yàn)電感過(guò)小、工作在飽和狀態(tài)，導(dǎo)致分析上方向性的錯(cuò)誤。使用Matlab/Simulink搭建與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一致的仿真電路，以實(shí)驗(yàn)報(bào)警問(wèn)題分析為切入點(diǎn)，通過(guò)理論與仿真波形的比較分析，引導(dǎo)學(xué)生探索電路結(jié)構(gòu)、元器件參數(shù)、反饋電流等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.2 應(yīng)用、混合層

通過(guò)校企共同開(kāi)發(fā)產(chǎn)學(xué)研基地實(shí)驗(yàn)內(nèi)容項(xiàng)目，收集企業(yè)運(yùn)營(yíng)中亟須解決的問(wèn)題，進(jìn)行從基礎(chǔ)電路過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用的抽象描述，構(gòu)建應(yīng)用、混合層的基本內(nèi)容。并利用圖書(shū)館文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵字檢索、聚類分析的方式，辨別所研究的主題的普遍性與獨(dú)特性。

例如，對(duì)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)的報(bào)警跳閘現(xiàn)象，可能是過(guò)壓、過(guò)流觸發(fā)報(bào)警，也有可能是電路內(nèi)部工作機(jī)制異常導(dǎo)致報(bào)警。目前在電力線路繼電保護(hù)系統(tǒng)工作過(guò)程中，由于大量智能終端的綜合應(yīng)用，常常出現(xiàn)繼電器的越級(jí)跳閘。對(duì)這一主題進(jìn)行檢索，可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)行了多個(gè)方面的分析，但是問(wèn)題并未得到解決[13]，也還沒(méi)有從電力電子電路配合機(jī)制角度進(jìn)行的研究。將這一問(wèn)題進(jìn)行抽象，搭建仿真電路引入到報(bào)警分析中，培養(yǎng)學(xué)生的同構(gòu)映射分析能力；參考仿真模型結(jié)論，再將其設(shè)計(jì)成實(shí)物實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)與少量輔助設(shè)備的方法再現(xiàn)實(shí)景，培養(yǎng)學(xué)生逆向思維能力。

4 引導(dǎo)分析問(wèn)題

采用魚(yú)骨圖分析法[14]引導(dǎo)小組的頭腦風(fēng)暴，使得分析聚焦于問(wèn)題的原因，通過(guò)辨識(shí)遍歷問(wèn)題的所有原因，分析各種原因之間的相互聯(lián)系[15]，找到其根本原因，最終形成最優(yōu)解決方案。按照所要解決的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組，提出盡量多的可能原因，每人致力于一個(gè)問(wèn)題的解決。

如圖5所示，制作對(duì)應(yīng)案例1的電路問(wèn)題分析示意圖，從電路結(jié)構(gòu)入手分析避免故障發(fā)生的方法。在這個(gè)基礎(chǔ)上，如圖6所示，制作對(duì)應(yīng)案例2的報(bào)警問(wèn)題分析示意圖，針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元器件參數(shù)配合等問(wèn)題進(jìn)一步挖掘，得到參數(shù)有一定影響。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是決定性因素的結(jié)論，引出了外延性的后續(xù)問(wèn)題——如何解決二極管電壓上漂、如何分析這種非典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、如何利用突變大電流等。

5 結(jié)語(yǔ)

從以往的教學(xué)實(shí)踐可知，學(xué)生對(duì)于模塊化、智能化的分析方法上手非?？?，缺乏的是對(duì)于方案非唯一情境下發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題的思維能力。因此，教學(xué)重點(diǎn)嘗試轉(zhuǎn)移到引導(dǎo)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)—解決”思維能力的培養(yǎng)。借助所述方法，學(xué)生提出了多層級(jí)報(bào)警系統(tǒng)、電機(jī)反饋能量的逆變模型、使用快速傅里葉算法模擬分析各種故障的特征、采用多次諧波法定位故障元器件的位置等解決方案，一方面加深了對(duì)基礎(chǔ)電路的理解，另一方面提升了創(chuàng)新思維能力。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路故障分析示意圖

圖6 實(shí)驗(yàn)電路過(guò)流報(bào)警問(wèn)題分析示意圖

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