石榮亮 陸東平 張烈平 李海俠

“雙碳”目標下《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革的探索與實踐

石榮亮1陸東平2張烈平1李海俠1

（1.桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.桂林理工大學(xué)圖書館，廣西 桂林 541004）

2030年碳達峰與2060年碳中和的“雙碳”建設(shè)目標將推動經(jīng)濟社會往綠色低碳方向發(fā)展，有利于促進電力電子技術(shù)的革新與規(guī)?；瘧?yīng)用。針對“雙碳”背景下《電力電子技術(shù)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀以及所存在的問題，文章結(jié)合桂林理工大學(xué)自動化專業(yè)的《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)實際情況，圍繞課程教學(xué)內(nèi)容與授課特點，重點從教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等三個方面探索并實踐了課程教學(xué)改革的舉措，以期提高課程教學(xué)水平并改善課堂教學(xué)效果，從而滿足培養(yǎng)“雙碳”科技創(chuàng)新人才的新需求。

“雙碳”；建設(shè)目標；電力電子技術(shù)；教學(xué)改革

引言

2020年9月，第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上明確提出，中國力爭于2030年之前實現(xiàn)二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年之前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”建設(shè)宏偉目標，以緩解全球的能源危機與溫室效應(yīng)問題[1]?！半p碳”建設(shè)目標的提出將極大地推動我國經(jīng)濟社會發(fā)展向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型，同時將我國的綠色發(fā)展之路提升到了歷史新高度，更指明了中國未來40年的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，有助于促進電力電子技術(shù)的革新與規(guī)模化應(yīng)用。全社會處于“雙碳”建設(shè)目標的發(fā)展起步階段，需要踐行低碳環(huán)保理念和強化“雙碳”建設(shè)意識。高等院校作為科技創(chuàng)新發(fā)源地與基礎(chǔ)研究主力陣營，應(yīng)主動將“雙碳”建設(shè)理念與課程教學(xué)改革有機結(jié)合，為“雙碳”國家發(fā)展戰(zhàn)略的早日實現(xiàn)提供人才儲備與技術(shù)支撐[2]。國家教育部于2021年7月印發(fā)了《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》，明確地指出了高等院校應(yīng)充分挖掘自身在基礎(chǔ)研究、學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)等方面的優(yōu)勢地位，加快構(gòu)建高校“雙碳”人才培養(yǎng)體系與科技創(chuàng)新架構(gòu)，著力提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)水平與科技創(chuàng)新能力[3]。同時，要求高等院校建設(shè)一批國家級“雙碳”建設(shè)相關(guān)的一流本科專業(yè)，并鼓勵開設(shè)一些與“雙碳”建設(shè)相關(guān)的通識課程，將“雙碳”建設(shè)的理念和實踐有效地融入到高校人才培養(yǎng)體系中。

風(fēng)能和太陽能均是分布廣泛、可高效應(yīng)用的可再生綠色能源，大力開發(fā)并利用風(fēng)能和太陽能是實現(xiàn)“雙碳”國家戰(zhàn)略目標的重要途徑。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)均是利用電力電子變換器作為自身與電網(wǎng)之間交互的端口，并將相關(guān)電力電子技術(shù)應(yīng)用至變換器控制中，以實現(xiàn)風(fēng)電與光電在電網(wǎng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用。近年來，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)與光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均十分迅速并在國際市場占據(jù)主導(dǎo)地位，以電力電子技術(shù)（特別是DC/DC與DC/AC電力變換技術(shù)）為控制核心的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)與光伏產(chǎn)業(yè)已成為我國極具科技含量以及競爭優(yōu)勢的高新產(chǎn)業(yè)，堅信未來在“雙碳”建設(shè)目標的推動下，將發(fā)揮越來越重要的作用并成為能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的中流砥柱。

目前，國內(nèi)高等院校諸多教師在“雙碳”建設(shè)目標與課程教學(xué)改革相互結(jié)合方面開展了頗具意義的探索與實踐。張凱和周琳[4]以高?！队嬎銠C網(wǎng)絡(luò)》課程為例，提出了建設(shè)“4＋3＋2＋1＋微”課程平臺，建立多學(xué)科專業(yè)的不同課程教學(xué)目標，以提升課程教學(xué)質(zhì)量并解決當前教學(xué)實踐難以滿足當前“雙碳”類課程內(nèi)涵要義的問題。張大全等[5]以《大氣污染控制工程》課程應(yīng)用為例，對課程的教學(xué)體系進行重構(gòu)，納入與節(jié)能減排、碳中和的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，以滿足“雙碳”目標對課程教學(xué)所提出的新要求。王強等[6]在“雙碳”建設(shè)的大背景下，總結(jié)了綠色工程教育的內(nèi)涵并探索了化工學(xué)科的綠色工程教育途徑，為“雙碳”背景下化工專業(yè)學(xué)生的綠色工程能力培養(yǎng)提供支撐和理論支持。黃珍等[7]聚焦于企業(yè)低碳管理中的碳減排激勵、碳責(zé)任確認、碳抵消管理、碳效果激勵和碳信息披露五個關(guān)鍵科學(xué)問題，主要從課程體系、實踐平臺、招生選拔和師資隊伍等多個維度構(gòu)建了人才培養(yǎng)體系，為高校在“雙碳”目標下的新文科專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)提供參考。劉麗娜等[8]提出了將“雙碳”理念與新工科融入《生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)》課程理論體系的教學(xué)方法與教學(xué)模式，旨在挖掘?qū)W生潛力、激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)具有創(chuàng)新和實踐能力的新能源、新材料和節(jié)能環(huán)保多技術(shù)領(lǐng)域交叉型高素質(zhì)人才。

以上文獻雖然對“雙碳”建設(shè)目標與各類課程教學(xué)體系革新、不同專業(yè)人才培養(yǎng)模式的融合進行了有價值的探索，但是均未涉及“雙碳”目標下《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革的研究與實踐。鑒于此，本文在分析“雙碳”背景下《電力電子技術(shù)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀以及所存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合桂林理工大學(xué)自動化本科專業(yè)的《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)實際情況，重點圍繞課程教學(xué)內(nèi)容以及授課特點，主要從課程的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法等三個方面探索并實踐了課程教學(xué)改革的舉措，以期提高課程教學(xué)水平并改善課堂教學(xué)效果，從而滿足培養(yǎng)“雙碳”科技創(chuàng)新人才的新需求。

1　課程的教學(xué)現(xiàn)狀及其存在的問題

《電力電子技術(shù)》課程是一門理論緊密聯(lián)系實踐的自動化、電氣工程等本科專業(yè)的交叉性與綜合性強的課程，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋了電力、電子、控制與計算機等多個學(xué)科領(lǐng)域。該課程通常開設(shè)在大二下或大三上學(xué)期，學(xué)生通過先修《電路分析基礎(chǔ)》《模擬電子技術(shù)》《電機學(xué)》等專業(yè)基礎(chǔ)類課程的學(xué)習(xí)，已經(jīng)對《電力電子技術(shù)》課程的電力電子器件特性分析、各類變換器拓撲工作原理與驅(qū)動信號產(chǎn)生機理等相關(guān)理論知識有所積累，能夠為電力電子技術(shù)控制理論的應(yīng)用與實踐提供行之有效的理論分析基礎(chǔ)和知識儲備支撐。然而，《電力電子技術(shù)》課程的教學(xué)實踐過程仍存在一些不足，無法與“雙碳”目標下對科技創(chuàng)新人才的新需求相匹配。

第一，教學(xué)方式單一和學(xué)生參與積極性低?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》存在著課程內(nèi)容多且雜、知識點抽象而課程的授課學(xué)時又是非常有限的教學(xué)現(xiàn)狀。為了能在有限的授課學(xué)時內(nèi)將繁多的知識點全部傳授給學(xué)生，部分授課教師往往采用以課堂教學(xué)為主而學(xué)生被動接受的單向式、單一式教學(xué)方式。具體而言，一此教師在課堂上通常以講授知識點為教學(xué)主線，學(xué)生成為了“填鴨式”與被動式接受理論知識的對象，導(dǎo)致教師在重要知識點的講解、分析與應(yīng)用等方面缺乏針對性的引導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生難以提高學(xué)習(xí)興趣，參與課堂教學(xué)過程的積極性低。

第二，授課內(nèi)容陳舊，沒有緊跟快速發(fā)展的科技前沿?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程的授課內(nèi)容往往是以所選用教材所包含的知識點為主，而易忽略新興技術(shù)知識的補充。正如周孝信院士在《新一代電力系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)》學(xué)術(shù)報告中提到的在“雙碳”建設(shè)國家發(fā)展戰(zhàn)略下，以新能源為主體的電力電子化新型電力系統(tǒng)正蓬勃發(fā)展，電力電子技術(shù)已上升為國家戰(zhàn)略所需的核心技術(shù)。然而，課程教材的版本更新及其相應(yīng)知識點的擴展是相對緩慢的，故以教材所列知識點為教學(xué)大綱的授課方式將無法緊跟并匹配日新月異的科學(xué)技術(shù)。

第三，學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識不牢固，與課程重要知識點沒有構(gòu)成完整銜接?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程的重點教學(xué)內(nèi)容主要是圍繞電力電子器件、電力電子變換器拓撲和電力電子技術(shù)控制應(yīng)用三個維度逐步深入展開，且三個教學(xué)維度的授課內(nèi)容構(gòu)成一個相互銜接、逐層推進與緊密關(guān)聯(lián)的有機整體。學(xué)生需要具備扎實的先修課程所包含的與《電力電子技術(shù)》課程相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，才能容易掌握課程三個維度的教學(xué)內(nèi)容。然而，授課教師在教學(xué)實踐過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識的水平參差不齊，造成學(xué)生無法跟上教師的課堂授課節(jié)奏，更難以與教師形成良好的課堂教學(xué)互動，使得教學(xué)效果與“雙碳”背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標之間存在差距。

2　《電力電子技術(shù)》教學(xué)改革的舉措

為了解決“雙碳”目標下《電力電子技術(shù)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀及其存在問題，本文結(jié)合桂林理工大學(xué)自動化專業(yè)的《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)實際情況，重點圍繞課程教學(xué)內(nèi)容及其授課特點，下面主要從教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法三個方面探索并實踐了課程教學(xué)改革的各類有效舉措，以助于實現(xiàn)“雙碳”背景下對科技創(chuàng)新專業(yè)人才的培養(yǎng)目標。

第一，將“雙碳”建設(shè)理念融入課程教學(xué)目標中，構(gòu)建大學(xué)生課程思想政治教育體系。“雙碳”建設(shè)目標是與美麗中國的建設(shè)目標高度統(tǒng)一，這不僅是中國解決能源危機與緩解氣候升溫的“兩步走”，更明確了中國未來40年的國家重大發(fā)展戰(zhàn)略。授課教師應(yīng)將“雙碳”建設(shè)理念與《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)目標有機融合，對于構(gòu)建適應(yīng)當代大學(xué)生的課程思政教育理論體系具有重要的意義，有利于引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成可持續(xù)發(fā)展的理念并踐行低碳環(huán)保生活，同時有助于當代大學(xué)生樹立正確的價值觀與合乎科學(xué)的發(fā)展觀。

例如，桂林理工大學(xué)自動化專業(yè)任課教師在課程的緒論授課部分，通過引入《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書，全面介紹中國貫徹“四個革命、一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略、能源發(fā)展取得的歷史性成就、能源生產(chǎn)與利用方式發(fā)生重大變革，中國積極參與全球能源治理并攜手應(yīng)對全球氣候變化，推動構(gòu)建人類命運共同體的理念與行動。同時，讓學(xué)生樹立能源危機意識，了解化石能源的大量消耗會產(chǎn)生全球氣候變暖與環(huán)境污染等問題，也給我國能源生產(chǎn)安全和“雙碳”建設(shè)目標帶來嚴峻挑戰(zhàn)。從科學(xué)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的角度出發(fā)，讓學(xué)生充分認識到以電力電子技術(shù)為控制核心的風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電等可再生能源的規(guī)模化應(yīng)用是實現(xiàn)中國能源結(jié)構(gòu)從化石能源向綠色能源轉(zhuǎn)型的重要舉措，以培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷。此外，還可將中國如何實現(xiàn)“雙碳”建設(shè)目標的舉措融入至教學(xué)過程中，提高學(xué)生思考問題的積極性和學(xué)習(xí)課程的興趣。

第二，合理更新并構(gòu)建課程教學(xué)內(nèi)容，緊跟“雙碳”建設(shè)的前沿科技。電力電子技術(shù)是一門與科學(xué)技術(shù)前沿緊密結(jié)合的交叉型、應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程的教學(xué)內(nèi)容不僅覆蓋經(jīng)典的基礎(chǔ)理論知識，而且需要緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿，了解各種電力電子技術(shù)的應(yīng)用場景與發(fā)展現(xiàn)狀。對于課程基礎(chǔ)理論知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可通過訂購一本經(jīng)典的課程教材輔以一兩本同類教材得以完成。本課程選擇張興與黃海宏主編的《電力電子技術(shù)（第二版）》作為基礎(chǔ)教材，同時推薦學(xué)生選訂王兆安與劉進軍主編的《電力電子技術(shù)（第五版）》作為輔助教材，學(xué)習(xí)有關(guān)電力電子功率半導(dǎo)體器件、各種典型的電力電子變換器、以及各類電力電子變換器工作原理及其典型應(yīng)用等基礎(chǔ)知識內(nèi)容?？紤]到學(xué)生掌握學(xué)科基礎(chǔ)理論知識的水平參差不齊，難以將先學(xué)有關(guān)理論知識順利地遷移至本課程學(xué)習(xí)過程中，以及教材所列教學(xué)內(nèi)容無法涵蓋“雙碳”背景下快速更迭的電力電子技術(shù)等問題，授課教師應(yīng)適當?shù)卣{(diào)整與優(yōu)化了課程的教學(xué)內(nèi)容，以保證學(xué)生能夠完整地掌握經(jīng)典的和全新的電力電子技術(shù)相關(guān)知識。

《電力電子技術(shù)》課程內(nèi)容中的電力電子功率半導(dǎo)體器件發(fā)展非常迅速，授課教師在準備課程內(nèi)容的時候需要結(jié)合當前的研究熱點與科技前沿相關(guān)技術(shù)。例如，桂林理工大學(xué)自動化專業(yè)任課教師在準備電力電子器件這一部分教學(xué)PPT的過程中，不僅將教材中所列出的基礎(chǔ)器件部分所涉及的電力電子器件及其應(yīng)用內(nèi)容加入該部分教學(xué)PPT中，而且將所選用的教材并未涉及新興出現(xiàn)的高性能第三代新型寬襟帶半導(dǎo)體器件——SiC、GaN等的基礎(chǔ)知識內(nèi)容也加入到教學(xué)PPT中，最終在課程教學(xué)過程中給學(xué)生呈現(xiàn)出一份完整的電力電子器件教學(xué)材料。同時，對于SiC、GaN所構(gòu)成的電力電子變換器及其控制應(yīng)用技術(shù)需要調(diào)研科研論文，授課教師下載并研讀最新發(fā)表的高水平學(xué)術(shù)論文并作為教學(xué)參考資料，更新并補充至教學(xué)內(nèi)容中。此外，目前基于SiC、GaN的電力電子變換器已在部分工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，但是在更為廣泛的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域還存在運行穩(wěn)定性與電磁干擾等問題。在教學(xué)過程中，授課教師也會關(guān)注這一類前沿的技術(shù)領(lǐng)域，以技術(shù)專題或課外興趣咨詢等形式進行介紹與討論，保證學(xué)生能夠積極地參與到課程內(nèi)容教學(xué)過程中，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)探索能力。

第三，采用“雙碳”建設(shè)理念融入課程授課的教學(xué)方法，培養(yǎng)“雙碳”型科技創(chuàng)新人才。在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)過程中，授課教師需始終貫徹理論緊密聯(lián)系實踐的教學(xué)理念，學(xué)生通過學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識與實踐專業(yè)知識應(yīng)用，培養(yǎng)自身發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的實踐能力。在知識層面上，教師要讓學(xué)生能夠掌握電力電子變換器及其控制變換技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，了解電力電子功率半導(dǎo)體器件的基本工作原理及其封裝改造工藝，掌握DC/AC、DC/DC、AC/DC與AC/AC四類典型電力電子變換器的工作原理、控制方法和應(yīng)用特征。在能力層面上，教師應(yīng)該讓學(xué)生熟練掌握四類典型電力電子變換器的分析、設(shè)計與控制方法，能夠結(jié)合科研項目關(guān)鍵技術(shù)與工程實踐應(yīng)用問題開展應(yīng)用方法研究，制定并完善研究路線。此外，在思想與素質(zhì)教育層面上，教師應(yīng)重點圍繞“雙碳”國家發(fā)展戰(zhàn)略，將“雙碳”建設(shè)理念融入課程的教學(xué)過程中，提升學(xué)生參與課程互動的積極性與課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)具有“雙碳”創(chuàng)新實踐能力的專業(yè)人才。

例如，桂林理工大學(xué)自動化專業(yè)任課教師在課程授課過程中制定了相應(yīng)的教學(xué)改革措施。一方面，在課程授課的緒論部分讓學(xué)生掌握《電力電子技術(shù)》的定義、組成與應(yīng)用等基本知識，同時給學(xué)生介紹“雙碳”建設(shè)目標的概念與構(gòu)建意義，引導(dǎo)學(xué)生樹立關(guān)注并擁護國家發(fā)展戰(zhàn)略決策的愛國情懷。另一方面，引導(dǎo)學(xué)生站在人類社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度看待科技發(fā)展歷程，重點圍繞能源危機、全球氣候變暖等對人類科技生產(chǎn)與日常生活帶來深遠影響的問題，使學(xué)生了解電力電子技術(shù)的發(fā)展是為了解決人類命運共同體所面臨的重大問題，從而使得學(xué)生對“雙碳”建設(shè)理念所涉及的電力電子技術(shù)產(chǎn)生濃厚學(xué)習(xí)興趣，利于學(xué)生做出正確、合理的人生職業(yè)規(guī)劃。

3　結(jié)束語

“雙碳”建設(shè)目標有利于推動經(jīng)濟社會往綠色低碳方向發(fā)展，有助于促進電力電子技術(shù)的革新與規(guī)?；瘧?yīng)用。本文在分析“雙碳”背景下《電力電子技術(shù)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀以及所存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合桂林理工大學(xué)自動化專業(yè)的《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)實際情況，重點圍繞課程教學(xué)內(nèi)容和授課特點，主要從教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法三個方面對課程教學(xué)改革的舉措進行了有益的探索與實踐，將“雙碳”建設(shè)理念有機融入至課程教學(xué)過程中，以期提高課程教學(xué)效果，同時滿足培養(yǎng)“雙碳”科技創(chuàng)新人才的新需求。

[1]陳斌，方藝萍. “雙碳”戰(zhàn)略背景下環(huán)境類新工科“雙創(chuàng)”人才培養(yǎng)與實踐探究[J]. 高教學(xué)刊，2021，7(z1): 29-33.

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[3]曹昆，陳淑芬. “雙碳”目標下《太陽能電池材料及技術(shù)》課程的教學(xué)改革探索[J]. 廣東化工，2021(24): 171-172.

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Exploration and Practice of Teaching Reform ofunder the Target of "Double Carbon"

The "double carbon" construction targets of carbon peaking in 2030 and carbon neutrality in 2060 will promote the development of the economy and society in a green and low-carbon direction, which is conducive to promoting the innovation and large-scale application of power electronics. In view of the current teaching situation and existing problems of the course ofunder the background of "double carbon", based on the actual teaching situation of the coursein the automation specialty of Guilin University of Technology, this paper explores and practices the measures of the course teaching reform from three aspects of teaching objectives, teaching contents and teaching methods around the course teaching contents and characteristics, with a view to improving the course teaching level and improving the classroom teaching effect, so as to meet the new needs of cultivating "double carbon" scientific and technological innovation talents.

"double carbon"; construction target; power electronics; teaching reform

G642

A

1008-1151(2022)10-0130-03

2022-06-30

廣西高等教育本科教學(xué)改革工程一般項目“基于建構(gòu)主義導(dǎo)向的‘翻轉(zhuǎn)課堂’教學(xué)法在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究與實踐”（2021JGB205）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程立項項目（2016JGA100）。

石榮亮（1987－），男，上海人，桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，博士，從事自動化專業(yè)的教學(xué)和科研工作。