徐青菁 孫 佳 戴金水 金新宇

(上海交通大學(xué) 電氣工程系電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

工程教育是中國高等教育的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的針對工程教育質(zhì)量的保障制度，實(shí)現(xiàn)了工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)[1]。成果導(dǎo)向教育(Outcome-Based Education，OBE)，是工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循的理念和原則。OBE強(qiáng)調(diào)成果決定而不是進(jìn)程決定，以學(xué)習(xí)成果作為導(dǎo)向目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生畢業(yè)時(shí)及畢業(yè)后的成果來制定本科四年的畢業(yè)要求與培養(yǎng)目標(biāo)，反向構(gòu)建合理的課程體系，以每門課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)作為達(dá)成學(xué)習(xí)效果的途徑[2]。在此理念的驅(qū)動(dòng)下，以成果為導(dǎo)向進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，將OBE理念融入教學(xué)改革是高等教育研究的最新著眼點(diǎn)。實(shí)踐類課程作為本科生教學(xué)的必要組成部分，也開始了同步的OBE理念教學(xué)改革與實(shí)踐[3]。

“電力電子課程設(shè)計(jì)”是電類專業(yè)，尤其是電氣工程專業(yè)的主要實(shí)踐類課程，旨在加深理解電力電子基礎(chǔ)知識，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)電力電子電路的設(shè)計(jì)及制作方法。課程同時(shí)具備工程設(shè)計(jì)性、綜合實(shí)踐性和技術(shù)創(chuàng)新性。涵蓋了任務(wù)分析、資料調(diào)研、方案論證比較、理論分析與參數(shù)計(jì)算、電路軟硬件設(shè)計(jì)、電路仿真與實(shí)物制作以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等工程項(xiàng)目開發(fā)主要環(huán)節(jié)。上海交通大學(xué)的“電力電子課程設(shè)計(jì)”課程以小功率電力電子單端反激式變換器設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，經(jīng)過課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，學(xué)生可完成系統(tǒng)性的作品設(shè)計(jì)。對OBE 理念教學(xué)目標(biāo)確立、教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、課程評價(jià)方式優(yōu)化及教學(xué)平臺設(shè)計(jì)實(shí)踐等進(jìn)行闡述，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與不足，進(jìn)一步明確持續(xù)改進(jìn)方案與舉措，以供借鑒。

1 OBE理念下的教學(xué)研究

1.1 明確課程學(xué)習(xí)目標(biāo)

“電力電子課程設(shè)計(jì)”目的是通過實(shí)踐手段，將“電力電子技術(shù)基礎(chǔ)”理論課所學(xué)知識，應(yīng)用于實(shí)際的設(shè)計(jì)中，使學(xué)生在已學(xué)理想器件和拓?fù)淠Ｐ头治龌A(chǔ)上，熟悉電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，掌握功率變換電路設(shè)計(jì)制作流程，了解軟硬件系統(tǒng)調(diào)試方法，增強(qiáng)自身研創(chuàng)能力、團(tuán)隊(duì)合作以及自我學(xué)習(xí)的能力。遵循成果導(dǎo)向理念，由該課程支撐的電氣專業(yè)畢業(yè)要求出發(fā)，按照三位一體人才培養(yǎng)理念(知識、能力、素養(yǎng))，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)為三個(gè)部分：

知識學(xué)習(xí)：

(1)掌握實(shí)際電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作的要點(diǎn)。利用已有理論知識拓展綜合分析設(shè)計(jì)和制作技能，擁有復(fù)雜系統(tǒng)散熱、電磁兼容和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力。(支撐畢業(yè)要求：工程知識)

能力培養(yǎng)：

(2)具備分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)實(shí)際電力電子系統(tǒng)的能力；熟練使用仿真和電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的仿真分析和設(shè)計(jì)制作研究。(支撐畢業(yè)要求：問題分析，設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案，使用現(xiàn)代工具)

(3)通過團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作去解決實(shí)際電力電子系統(tǒng)涉及的問題。(支撐畢業(yè)要求：個(gè)人與團(tuán)隊(duì))

(4)具有撰寫學(xué)術(shù)性研究或?qū)嶒?yàn)報(bào)告的能力。(支撐畢業(yè)要求：寫作與溝通能力)

素質(zhì)提高：

(5)養(yǎng)成誠信、守時(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求真的學(xué)習(xí)態(tài)度。(支撐畢業(yè)要求：職業(yè)素養(yǎng))

(6)具有終身學(xué)習(xí)的意識和自主學(xué)習(xí)的能力。(支撐畢業(yè)要求：終身學(xué)習(xí))

1.2 優(yōu)化課程教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容

課程內(nèi)容和教學(xué)方法遵循“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，即具備高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。課程總計(jì)64學(xué)時(shí)，包含理論教學(xué)8學(xué)時(shí)和實(shí)踐設(shè)計(jì)56學(xué)時(shí)，以學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)為主，結(jié)合多模式、多維度授課與答疑指導(dǎo)。將資深教授、行業(yè)專家、實(shí)驗(yàn)教師、課程助教等角色的作用貫通融合，針對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)制定教學(xué)內(nèi)容。通過團(tuán)隊(duì)形式的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與性能測試，達(dá)到“高階性”標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)知識與能力素養(yǎng)的貫通，提供解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的機(jī)會(huì)，訓(xùn)練工程設(shè)計(jì)高級思維。通過行業(yè)專家參與課程設(shè)計(jì)與拓展交流，達(dá)到“創(chuàng)新性”標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)作品體現(xiàn)科技發(fā)展的前沿性，設(shè)計(jì)方案凸顯個(gè)性化，教學(xué)方式突出互動(dòng)性，學(xué)習(xí)效果具備研創(chuàng)性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具備一定“挑戰(zhàn)度”，必須通過理論知識與實(shí)踐能力的結(jié)合式探究，才能完成設(shè)計(jì)目標(biāo)[4-6]。理論教學(xué)從行業(yè)應(yīng)用分析、到實(shí)際器件參數(shù)與系統(tǒng)拓?fù)?、器件選擇、損耗計(jì)算與EMC結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合線上線下多種教學(xué)途徑，實(shí)現(xiàn)全過程知識點(diǎn)多維覆蓋。實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)以反激式變換器為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以仿真和硬件制作相互結(jié)合的方式，完成實(shí)物設(shè)計(jì)作品。激發(fā)學(xué)生對電源設(shè)計(jì)的興趣，初步掌握功率變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)電力電子系統(tǒng)調(diào)試方法，著重鍛煉主動(dòng)學(xué)習(xí)意識、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力?！半娏﹄娮诱n程設(shè)計(jì)”課程教學(xué)實(shí)踐過程總覽見表1。

1.3 改進(jìn)課程考核方式

成績考核是課程的最后環(huán)節(jié)，激勵(lì)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新是考核的重要目的，因此建立完善的課程考體系至關(guān)重要?；诔晒麑?dǎo)向理念改進(jìn)的考核體系，既要客觀合理的反映學(xué)生課程完成度和實(shí)踐能力，也要便于指導(dǎo)教師在具備可操作性的前提下完成對于學(xué)生實(shí)踐過程中能力表現(xiàn)的量化評價(jià)[7-9]。因此改進(jìn)的課程考核分為兩個(gè)階段：團(tuán)隊(duì)評價(jià)(總成績占比80%)與個(gè)人評價(jià)(總成績占比20%)。團(tuán)隊(duì)評價(jià)分為作品考核和設(shè)計(jì)論文兩部分，分別占比50%和30%，其中作品考核環(huán)節(jié)分為方案報(bào)告10%、仿真報(bào)告10%、實(shí)物作品20%以及團(tuán)隊(duì)答辯10%。通過以上評價(jià)可得出團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)得分，為充分激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，由團(tuán)隊(duì)自行商議給出每位成員的貢獻(xiàn)度系數(shù)，用以區(qū)分每位成員對于作品的貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)度系數(shù)乘以團(tuán)隊(duì)評價(jià)成績再加上個(gè)人過程評價(jià)成績，即為每位成員的個(gè)人考核總成績。該考核方式充分考慮學(xué)生的個(gè)人貢獻(xiàn)的同時(shí)，更加全面的評價(jià)了學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)合作能力，與傳統(tǒng)的考核方式相比，更能體現(xiàn)考核的綜合性、客觀性和公正性。

2 “電力電子課程設(shè)計(jì)”實(shí)踐設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一套反激式變換器電路板，輸入為+36～72 VDC，2路直流輸出，分別為電壓+12 V，電流0.5 A，和電壓+5 V，電流0.1 A[10-12]。

2.2 設(shè)計(jì)方法

1)原理圖設(shè)計(jì)

圖1為采用MPS公司MP6004電源芯片設(shè)計(jì)的主電路原理圖，輸入電壓加在VIN和PGND之間，經(jīng)變壓器原邊和MP6004集成的開關(guān)管。MP6004通過變壓器反饋繞組和分壓電阻采集變壓器上感應(yīng)出的電壓同參考電壓比較，來調(diào)節(jié)PWM輸出，進(jìn)而控制內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通情況，使輸出的+12 V和+5 V能夠基本接近設(shè)定電壓。內(nèi)部MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路也由MP6004整合。

表1 “電力電子課程設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)踐過程總覽

由R4、C4、D2組成的緩沖電路，可以抑制變壓器漏感尖峰；輔助繞組給芯片VCC供電，減少能耗；C6為Y電容，抑制共模干擾。

MP6004采用原邊反饋，可以節(jié)省外圍元器件，簡化設(shè)計(jì)；并且采用變頻控制，可以提高全負(fù)載范圍內(nèi)的效率，減小磁芯體積。但它對變壓器要求高，輸出電壓精度相對弱化。

2)變壓器

反激式變壓器是反激式變換器的核心部件，變壓器質(zhì)量直接影響到整個(gè)變換器的質(zhì)量。變壓器的理論計(jì)算包括：①計(jì)算匝比N；②設(shè)定最大開關(guān)頻率；③計(jì)算原邊峰值電流ILIM，原邊電感值LM；④選擇合適的磁芯；⑤計(jì)算變壓器各繞組的匝數(shù)；⑥選擇繞組線徑；⑦磁芯校驗(yàn)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，選擇合適的磁芯、漆包線、骨架和絕緣膠帶來繞制符合系統(tǒng)要求的變壓器。

圖1 主電路原理圖

3)電路仿真

原理圖設(shè)計(jì)完畢后，為驗(yàn)證原理圖設(shè)計(jì)的合理性，使用MPSmart軟件進(jìn)行仿真，仿真電路依照設(shè)計(jì)好的原理圖搭建，如圖2所示。MPSmart支持運(yùn)行基于頻率的電源仿真，可以有效評估電路設(shè)計(jì)。

圖2 仿真電路

反激電路+12 V輸出的仿真結(jié)果如圖3所示。由該結(jié)果可知，在7 ms內(nèi)，輸出電壓從0 V緩慢提升至+12 V并逐漸趨于穩(wěn)定，輸出波形符合設(shè)計(jì)方案的預(yù)計(jì)結(jié)果。芯片通過原邊反饋從初級線圈采樣，獲取輸出情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整各路輸出。

圖3 仿真結(jié)果

4)PCB設(shè)計(jì)

印刷電路板使用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)，采用雙層方式布線。反激式變換器的PCB設(shè)計(jì)如圖4所示。輸入接口位于PCB左側(cè)，輸出接口位于PCB右側(cè)，輸出為兩路設(shè)計(jì)，輸入輸出回路都盡可能短。PCB上側(cè)為隔離四繞組變壓器，變壓器的動(dòng)點(diǎn)盡可能靠近MOS的Drain極，左下部分為MP6004控制電路，變壓器置于中間偏左，布局緊湊，各功能模塊合理有序。

(a) PCB正面

(b) PCB反面圖4 反激式變換器PCB設(shè)計(jì)

2.3 結(jié)果調(diào)試

對于焊接完成后的電路進(jìn)行調(diào)試，給定輸入電壓+36～72 VDC，測試雙路輸出，可得圖5中穩(wěn)定的直流輸出波形。圖中+5 V輸出的平均值為5.663 V，+12 V的輸出為11.92 V。測試結(jié)果均在任務(wù)書的誤差允許范圍內(nèi)，基本完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

電源變換器的輸出精度還有提高空間。經(jīng)分析，誤差主要是由反饋電路和變壓器質(zhì)量引起的。

圖5 +12 V和+5 V輸出

反激式變換器實(shí)物作品如圖6所示，由學(xué)生兩人協(xié)作設(shè)計(jì)制作完成。

圖6 反激式變換器學(xué)生設(shè)計(jì)作品

3 教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與持續(xù)改進(jìn)

通過對“電力電子課程設(shè)計(jì)”進(jìn)行基于OBE理念的教學(xué)研究與實(shí)踐，學(xué)生對于電力電子電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生了極大的研究熱情。課程實(shí)踐過程中的作品全部由學(xué)生自行設(shè)計(jì)制作，隨著問題不斷產(chǎn)生，設(shè)計(jì)靈感也層出不窮，不斷迸發(fā)出新的想法與思路，在反復(fù)推敲調(diào)試的過程中，訓(xùn)練了創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。

OBE理念旨在以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向。課程充分融入OBE這一理念，將課堂交給學(xué)生，賦予學(xué)生極大自由度，擁有自由發(fā)揮空間，教師與助教起引導(dǎo)與協(xié)調(diào)的輔助作用，引導(dǎo)學(xué)生自由解決復(fù)雜工程問題，從而獲得終身學(xué)習(xí)的能力，為第七、八學(xué)期更快進(jìn)入到畢業(yè)設(shè)計(jì)狀態(tài)提供能力儲備，也為今后繼續(xù)深造或就業(yè)打下基礎(chǔ)。

該課程也可作為電類學(xué)科競賽的基礎(chǔ)培訓(xùn)課程。課程內(nèi)容與學(xué)習(xí)方式，與學(xué)科類競賽所需培訓(xùn)方案高度契合。修讀過該課程的學(xué)生，在各項(xiàng)學(xué)科競賽，尤其是全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，取得了多項(xiàng)國家級獎(jiǎng)項(xiàng)的好成績。

與企業(yè)深度合作協(xié)同育人，也是該課程的一大亮點(diǎn)。企業(yè)不是只停留在捐贈(zèng)實(shí)驗(yàn)器材的初級階段，而是以聯(lián)合實(shí)踐基地的形式，深層次參與到課程的教學(xué)改革中來，對教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容的完善都有工程理念的高度滲透。企業(yè)專家作為兼職教師走入高校實(shí)踐課堂進(jìn)行面對面指導(dǎo)，受到了學(xué)生們的熱烈歡迎和一致好評。

持續(xù)改進(jìn)也是工程教育專業(yè)認(rèn)證的一個(gè)主要考察點(diǎn)。對于課程改革的持續(xù)改進(jìn)一直在不間斷進(jìn)行。每學(xué)年的課程中期會(huì)對上課學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查與期中座談，讓學(xué)生對于課程進(jìn)度、課程內(nèi)容、教師授課方式等進(jìn)行評價(jià)。課程組隨即會(huì)對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析討論，可短期解決的問題，在后半學(xué)期即可改進(jìn)，需長期研究改進(jìn)的問題，會(huì)列入持續(xù)改進(jìn)清單，逐步進(jìn)行改進(jìn)。課程結(jié)束后，課程組會(huì)根據(jù)學(xué)生考核情況，完成“課程結(jié)果分析與評價(jià)表”，給出各項(xiàng)課程目標(biāo)與對應(yīng)的畢業(yè)要求達(dá)成度評價(jià)。評價(jià)為優(yōu)良的結(jié)果繼續(xù)保持，評價(jià)為合格的結(jié)果需提出改進(jìn)方案，評價(jià)為不合格的結(jié)果需提交整改報(bào)告[13]。

4 結(jié)語

經(jīng)過4年的實(shí)踐效果表明：基于OBE理念建設(shè)的“電力電子課程設(shè)計(jì)”，通過教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、評價(jià)方式轉(zhuǎn)換等途徑，有效地達(dá)成了課程目標(biāo)?！半娏﹄娮诱n程設(shè)計(jì)”實(shí)踐平臺具備時(shí)代性，迎合現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展，學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作完成反激式變換器的任務(wù)分析，理論計(jì)算、系統(tǒng)電路原理設(shè)計(jì)、仿真、硬件設(shè)計(jì)與制作調(diào)試以及最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析，增強(qiáng)了自身的資料檢索與信息提煉、科技寫作、自主學(xué)習(xí)等工程能力。電力電子專業(yè)方向用人單位對于畢業(yè)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力給予高度認(rèn)可。綜上，該教學(xué)改革研究與實(shí)踐起到了良好的綜合示范作用，具有一定的推廣價(jià)值。