師蔚

[摘? ? 要]根據(jù)我國新工科建設理念的要求，以及交通運輸專業(yè)碩士人才培養(yǎng)模式及特點，對“電力電子系統(tǒng)與控制”的研究生學位課程進行了改革探索。改革包括：將最新的電力電子新技術(shù)、新應用以交通運輸為主線導入課程;將交通行業(yè)思政的內(nèi)容導入課程;建設交通運輸領(lǐng)域電力電子系統(tǒng)與控制的特色案例庫;課堂教學中應用翻轉(zhuǎn)課堂等新教學方法。

[關(guān)鍵詞]電力電子系統(tǒng);交通運輸專業(yè);教學方法

[中圖分類號] G642 ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2021） 10-0071-03

一、課程特點分析

“電力電子系統(tǒng)與控制”課程為上海工程技術(shù)大學交通運輸專業(yè)碩士的一門學科基礎(chǔ)專業(yè)課程。課程內(nèi)容主要研究電力電子學的基本原理、電能轉(zhuǎn)換的動態(tài)建模方法以及控制系統(tǒng)的設計方法。即首先介紹目前主流電力電子開關(guān)控制器件，然后以四大類基本電能變換技術(shù)為主線，介紹各類電力電子系統(tǒng)與控制的動態(tài)建模及分析方法。通過本課程使學生掌握各種電力電子系統(tǒng)與控制的工作原理、控制方法、設計和計算方法。使學生具有一定的電力電子系統(tǒng)與控制的設計能力、具有一定的運用仿真工具實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)與控制的靜動態(tài)仿真的能力、具有綜合評價和分析電力電子系統(tǒng)與控制問題的能力。掌握與本專業(yè)方向相關(guān)的電力電子系統(tǒng)與控制問題的分析和解決的思路和手段，了解幾個領(lǐng)域中電力電子系統(tǒng)與控制運用的現(xiàn)狀和趨勢。

本門課程作為一門碩士學科基礎(chǔ)專業(yè)課程，與本學科的“電力電子技術(shù)”相關(guān)課程存在一定差異。體現(xiàn)在課程內(nèi)容方面就是研究生課程必須要體現(xiàn)“高、新、精”。“高”意味著課程的起點較高，即在本科“電力電子技術(shù)”課程基本原理基礎(chǔ)上，強調(diào)電力電子系統(tǒng)及控制的動態(tài)建模方法，以及基于動態(tài)模型的系統(tǒng)設計及分析方法。在課程“新”的方面主要使課程多反映電力電子系統(tǒng)與控制方面的新知識、新科技、新成果以及新應用。課程的“精”主要體現(xiàn)在交通運輸領(lǐng)域的電力電子系統(tǒng)與控制方面的應用須具有專門案例庫，并對其主流共性問題進行精講。傳統(tǒng)的“電力電子系統(tǒng)與控制”的教學內(nèi)容雖選取經(jīng)典教材，但由于電力電子及控制技術(shù)的快速發(fā)展，已有的課程內(nèi)容不能完全反應新技術(shù)及新應用，無法體現(xiàn)課程“高”以及“新”的特點。同時傳統(tǒng)的教學內(nèi)容中也未含有針對交通運輸工程方向的應用，需要進行相應案例庫的開發(fā)。在課程中將思政教育與專業(yè)相結(jié)合，將“交通強國”的戰(zhàn)略要求、愛國主義情懷等課程思政內(nèi)容潛移默化地融入課程中去，激發(fā)學生的工程意識和創(chuàng)新意識，努力成為具有民族擔當?shù)臅r代新人。以教師“教授”為主的教學模式，也很難適應新的人才培養(yǎng)理念及要求，必須進行教學方式的改革，適應我國新工科建設理念的要求，適應新形勢下的人才培養(yǎng)需求。

二、課程內(nèi)容的更新

在原有課程內(nèi)容基礎(chǔ)上進行課程內(nèi)容的更新，引入目前能夠體現(xiàn)電力電子發(fā)展方向的新技術(shù)以及最新案例庫的討論，并貼合課程內(nèi)容融入思政要素，使學生提高對電力電子系統(tǒng)與控制的學習興趣，提高教學效果。

（一）電力電子系統(tǒng)及控制最新技術(shù)的導入

電力電子系統(tǒng)及控制新技術(shù)的導入主要涵蓋幾個主要的方面：電力電子新器件、電力電子功率模塊新技術(shù)以及電力電子系統(tǒng)與控制新應用。

在電力電子器件方面，從歷史發(fā)展初期的晶閘管以及后期門極可關(guān)斷晶閘管、電力雙極性晶體管、電力場效應晶體管為代表的全控型器件高速發(fā)展，一直到絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），成為現(xiàn)代電力電子器件的主要器件，并且以IGBT為核心的智能功率模塊不斷成熟。以硅材料為基礎(chǔ)的各種電力電子器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料碳化硅、氮化鎵制造的電力電子器件，具有耐壓、低通態(tài)電阻、更好的熱穩(wěn)定性、耐射線輻射等優(yōu)異特性。新型碳化硅及氮化鎵功率器件因此具有功率密度大、開關(guān)損耗小、適合高頻工作、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點，逐步受到關(guān)注，并在電動汽車及軌道交通車輛上得到了成功應用，是電力電子器件新的發(fā)展方向。因此，課程在器件介紹中要加入碳化硅、氮化鎵的內(nèi)容。

在電力電子功率模塊方面，雙面冷卻技術(shù)顯著降低了芯片結(jié)溫，提升了功率模塊的可靠性，膜電容技術(shù)在功率模塊中的應用也減小了功率模塊的體積。矩陣轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)的交交變流電路作為目前電力電子功率模塊以及功率模塊和牽引電機進行集成驅(qū)動的不斷發(fā)展，成為目前電力電子模塊的發(fā)展方向。

電力電子系統(tǒng)應用主要針對學生學習的交通運輸方向，側(cè)重交通運輸方向的電力電子系統(tǒng)新應用。交通運輸對電力電子系統(tǒng)要求低造價、高功率密度及體積密度、高效及高可靠性，因此系統(tǒng)要朝著高集成化、高電壓、頻率等級、高的工作溫度以及控制智能方向發(fā)展。

（二）案例庫內(nèi)容的導入

案例教學是一個讓學生參與課程內(nèi)容，且以學生為主體的教學活動。為保證案例教學活動的效果，促進師生的互動交流，提高學生的積極性和主動性，我們同時兼顧知識傳授和學生能力培養(yǎng)，有針對性地建設課程案例庫。

在本課程案例庫建設中，首先考慮課程服務于專業(yè)碩士培養(yǎng)目標的達成，即在課程案例選材中，根據(jù)我校交通運輸專業(yè)碩士的特點，確定學生的研究方向為城市軌道交通車輛工程方向。電力電子系統(tǒng)及控制技術(shù)應用在軌道交通車輛領(lǐng)域，主要包括電力牽引及輔助供電，根據(jù)軌道交通應用領(lǐng)域的不同又分為城市軌道交通車輛及高速軌道車輛的應用兩個方面。因此案例設置首選方向即是針對兩種典型車輛的兩個領(lǐng)域，促使學生的專業(yè)研究方向與課程案例內(nèi)容產(chǎn)生共鳴，調(diào)動學生主動學習的熱情。在進行具體案例設計中，選擇以上研究方向的有代表性、較前沿的、能夠反映我國軌道交通車輛領(lǐng)域?qū)嶋H問題的案例。案例庫建設主要包含案例的描述、案例的主要研究方案、案例的性能評價幾個方面。案例描述要介紹案例的研究價值及研究內(nèi)容，除文字介紹外，可以包含一些圖片、數(shù)據(jù)，甚至錄像和動畫，多方面展示案例。在案例的研究方面，教師必須進行基礎(chǔ)文獻的準備，同時留有一定空間，讓學生自我進行文獻檢索，提高其調(diào)研的基本能力。隨著對案例探討的深入，針對問題進行深入剖析，引導學生將知識轉(zhuǎn)化為解決實踐問題的能力。案例的性能評價中，教師應準備基礎(chǔ)素材引導學生對問題進行反思，評價過程中要綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、倫理等制約因素。

（三）思政內(nèi)容的導入

在全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記提出了提高學生思想政治素質(zhì)的明確要求，要把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人。因此，在本專業(yè)課程教學過程中，必須從高校育人本質(zhì)出發(fā)，不斷深度挖掘提煉專業(yè)知識體系中所蘊含的思想價值和精神內(nèi)涵，增加課程的知識性、人文性，實現(xiàn)課程知識體系與價值引領(lǐng)的有機統(tǒng)一。

修讀該課程的學生為交通運輸專業(yè)碩士，主要的就業(yè)方向為交通運輸方向。作為電力電子系統(tǒng)與控制的重要應用——軌道交通車輛，是一個重要的課程思政切入點。因此要將“交通強國，鐵路先行”的理念融入課堂。如今，中國高鐵已經(jīng)成了我國一張靚麗的“名片”，我國高鐵里程已經(jīng)位居世界第一。我們要將以上內(nèi)容所承載的文化自信、民族自豪感、愛國情懷等傳播給學生。在我國的新基建中，“城際高速鐵路和城市軌道交通”建設如火如荼，無數(shù)軌道建設者默默奉獻，他們是我們時代的楷模，他們承擔社會責任，他們堅持科技強國、弘揚工匠精神，我們要將這些內(nèi)容融入課程，增強學生的專業(yè)自豪感，幫助學生樹立職業(yè)理想。

在電力電子系統(tǒng)及控制的動態(tài)建模方法，以及基于動態(tài)模型的系統(tǒng)設計及分析方法這些理論教學過程中，要強調(diào)在學習、探索過程中求真務實、嚴謹認真、精益求精。在進行案例教學和學生進行案例探索中，引導學生弘揚探索創(chuàng)新精神。要加強學生職業(yè)道德培養(yǎng)，幫助學生樹立良好的職業(yè)道德觀，為日后進入相關(guān)行業(yè)就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

三、課程教學方法的更新

研究生相對于本科生來說，具有相對更好一些的專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)理解及表達能力，因此在課程教學方法上，核心的理論模塊主要采用傳統(tǒng)教學模式，并結(jié)合案例庫與翻轉(zhuǎn)課堂。

在進行相關(guān)翻轉(zhuǎn)課堂教學前，進行案例內(nèi)容的布置。教師利用學校現(xiàn)代網(wǎng)絡教育平臺發(fā)布翻轉(zhuǎn)課堂任務，將教師準備好的案例內(nèi)容、任務內(nèi)容及任務目標在網(wǎng)絡平臺上發(fā)布。學生可以通過網(wǎng)絡教學平臺查看教學資源，明確教學任務及教學目標，還可以通過網(wǎng)絡平臺進行群組討論以及與教師進行交流。在核心任務內(nèi)容中，需要研究生針對案例，根據(jù)教師規(guī)定的核心研究內(nèi)容進行文獻查閱，然后分組進行資料整理與撰寫總結(jié)報告，制作匯報PPT并在課堂上匯報交流。在學生進行資料收集整理及撰寫報告過程中鍛煉專業(yè)文獻獲取、綜合運用和分析問題的能力。通過課堂上匯報交流，充分調(diào)動了研究生主動研究案例內(nèi)容的積極性，激發(fā)了其內(nèi)在學習動力。在網(wǎng)絡平臺與研究生進行答疑交流，引導學生進行科研材料獲取，促使學生對問題進行深入思考。

翻轉(zhuǎn)課堂教學中，教師需要起到積極引導及過程評價作用。當研究生進行相關(guān)案例的內(nèi)容分享過程中，教師要針對學生的講解，從內(nèi)容的切題情況、廣度、深度對學生講解的內(nèi)容進行記錄并評價。在學生進行階段匯報結(jié)束后，要引導其他研究生與匯報學生進行案例的討論，教師適時加入，引導學生進行評價及反思。

課后還需要針對本次翻轉(zhuǎn)課堂進行相關(guān)總結(jié)與客觀評價，這對促進學生的主動學習有積極推動作用，并能保證后續(xù)翻轉(zhuǎn)課堂教學的持續(xù)順利開展。教師要對學生的匯報內(nèi)容、實際表達、交流過程三個主要方面進行評價，以正面評價為主，提出改進意見，并利用網(wǎng)絡教學平臺進行評價內(nèi)容的信息公開，為后續(xù)學生進行相關(guān)匯報提供借鑒，不斷提高翻轉(zhuǎn)課堂的效果。

總之，研究生的“電力電子系統(tǒng)與控制”課程在內(nèi)容上要引入電力電子新技術(shù)，使專業(yè)課程貼近工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。通過交通運輸領(lǐng)域的電力電子系統(tǒng)與控制特色案例庫建設，提升學生文獻檢索能力，提升學生分析問題、解決問題能力。將課程思政的內(nèi)容導入課程，增強學生的愛國熱情，培養(yǎng)學生職業(yè)道德。案例教學與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，改善教學效果，為相關(guān)課程改革提供參考。

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（責任編輯： 王義祥）