［摘 要］ “現(xiàn)代電力電子技術(shù)”是面向工程碩士教育開設(shè)的一門線上線下混合式課程。由于此課程具有多學(xué)科交叉、面向工程實(shí)際、學(xué)習(xí)對(duì)象較復(fù)雜等特點(diǎn)，線上線下混合式教學(xué)方法和授課形式需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。針對(duì)以上課程特點(diǎn)，分析并提出了該課程內(nèi)容選擇方案，提出了適應(yīng)線上線下教學(xué)的內(nèi)容編排方法，探討了線下授課的教學(xué)方法，形成了以課程設(shè)計(jì)為骨架，設(shè)計(jì)目標(biāo)驗(yàn)證為導(dǎo)向，結(jié)合小組討論匯報(bào)和答疑的混合式教學(xué)方案，提升了課程教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的能力。

［關(guān)鍵詞］ 現(xiàn)代電力電子技術(shù)；線上線下混合式課程；教學(xué)方法

［基金項(xiàng)目］ 2022年度武漢大學(xué)研究生研究學(xué)分課程建設(shè)項(xiàng)目“新型機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法”（武大研字〔2012〕72號(hào)）

［作者簡(jiǎn)介］ 黃 萌（1984—），男，湖北武漢人，博士，武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事電力電子技術(shù)研究；孫建軍（1975—），男，江西新干人，博士，武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院教授，主要從事電力電子技術(shù)研究；宮金武（1981—），男，湖北隨州人，博士，武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事電力電子技術(shù)研究。

［中圖分類號(hào)］ G643.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）15-0125-04 ［收稿日期］ 2023-08-16

引言

電力電子技術(shù)是電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化中一個(gè)活躍的分支。它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的，已成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的教學(xué)內(nèi)容。

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程基于利用半導(dǎo)體器件進(jìn)行電能變換和控制的電力電子技術(shù)［1］，重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)前廣泛應(yīng)用的新能源發(fā)電裝置、柔性直流輸電系統(tǒng)、無功及諧波補(bǔ)償裝置等內(nèi)容。主要面向工程碩士研究生，讓學(xué)生掌握各種電力電子電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計(jì)計(jì)算方法；熟悉各種電力電子裝置的應(yīng)用范圍及技術(shù)指標(biāo)。主要培養(yǎng)研究生從事電力電子裝置與系統(tǒng)的分析、工程設(shè)計(jì)方面的能力及一定的科研能力。

大規(guī)模在線公開課程MOOC（Massive Open Online Course）為學(xué)習(xí)者提供了新型的知識(shí)獲取渠道。茅靖峰等［2］對(duì)“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”教學(xué)中面向應(yīng)用型人才的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行研究；趙益波［3］探討了課程設(shè)計(jì)對(duì)電力電子技術(shù)類課程學(xué)習(xí)的重要價(jià)值；張玲霞等［4］探討了MOOC時(shí)代的教學(xué)特征；賀雪晨［5］提出在線授課時(shí)需要在以授課為基礎(chǔ)的課堂模式中引入全新的教學(xué)理念及優(yōu)質(zhì)資源。本文從“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”線上線下混合式課程的教學(xué)特點(diǎn)及要求出發(fā)，對(duì)課程內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)方法進(jìn)行探討。

一、課程特點(diǎn)

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程擬使電氣工程碩士研究生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、探索以電力電子技術(shù)為核心的柔性裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)問題，是電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)的結(jié)合。由于融入了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的新能源發(fā)電、柔性直流輸電等內(nèi)容，且需實(shí)施在線視頻授課，本課程具有以下一些特點(diǎn)。

（一）多學(xué)科交叉，關(guān)注應(yīng)用型的問題

新能源發(fā)電應(yīng)用中，電力電子裝置是一個(gè)主要環(huán)節(jié)，但裝置的應(yīng)用場(chǎng)景差別很大。例如，我國(guó)西部地區(qū)地域廣闊，所采用的大都是大型光伏電站形式，光伏發(fā)電匯集到高壓直流輸電線路。而在東南部，土地資源有限，多是分布式發(fā)電形式，太陽能通過微型逆變器并入低壓配網(wǎng)。因此，在教學(xué)時(shí)需要從地理、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境多學(xué)科角度分析電力電子應(yīng)用時(shí)的特點(diǎn)。與實(shí)際結(jié)合不僅使學(xué)生易于理解，并且能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）系統(tǒng)較復(fù)雜，軟硬件結(jié)合

在傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中，對(duì)晶閘管、IGBT等器件進(jìn)行了詳細(xì)介紹，側(cè)重于物理過程的分析；對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的教學(xué)側(cè)重于波形分析，強(qiáng)調(diào)物理過程。這樣的方法雖然給學(xué)生打下較好基礎(chǔ)，但是也弱化了電力電子應(yīng)用中數(shù)模電反饋電路、自動(dòng)控制原理、工程應(yīng)用等方面的認(rèn)知。學(xué)生對(duì)電力電子裝置與系統(tǒng)缺乏整體性的印象。對(duì)于工程碩士來說，學(xué)生更感興趣的可能是實(shí)用化的技術(shù)。

（三）線上線下混合授課帶來的困難

在線課程具有受眾廣、自由開放等一系列不言而喻的優(yōu)點(diǎn)，然而這種新的授課形式也帶來很多挑戰(zhàn)。首先，學(xué)生注意力容易轉(zhuǎn)移，學(xué)習(xí)的興奮點(diǎn)一旦失去，可能對(duì)課程迅速失去關(guān)注度。其次，也存在師生無法面對(duì)面實(shí)時(shí)溝通的問題，特別是在線課程實(shí)際上是在“放錄像”，學(xué)生出現(xiàn)問題無法及時(shí)解答，也無法把握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

二、教學(xué)方法探討

針對(duì)以上課程特點(diǎn)，參考其他在線課程的優(yōu)秀教學(xué)方法，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)擬對(duì)“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”在線課程做如下一些嘗試。

（一）線上課程視頻內(nèi)容選擇

本課程設(shè)計(jì)并錄制了五個(gè)章節(jié)的短視頻內(nèi)容，包括：基本變換類型及穩(wěn)態(tài)分析、電路建模與控制、PWM和軟開關(guān)技術(shù)、多電平與多重化技術(shù)、電力系統(tǒng)應(yīng)用。每段視頻大約在5～10分鐘，一共17段視頻。

課程內(nèi)容的選擇有以下幾方面考慮。一是與本科“電力電子技術(shù)”課程的承接性。本科“電力電子技術(shù)”課程主要包括了基本變換電路、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）技術(shù)、軟開關(guān)等內(nèi)容。因此，在工程碩士研究生課程教學(xué)中，側(cè)重點(diǎn)在于電力電子電路的建模與控制。功率變換類型的內(nèi)容為電路穩(wěn)態(tài)分析服務(wù)，PWM技術(shù)內(nèi)容為開關(guān)平均建模服務(wù)，軟開關(guān)技術(shù)則面向?qū)嶋H諧振變換器、移相全橋變換器，更具有實(shí)用性和針對(duì)性。二是與電力系統(tǒng)發(fā)展相結(jié)合。隨著新能源發(fā)電、直流輸電、柔性輸配電以及儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電力電子功率變換得到極大的發(fā)展。電力系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)電壓和功率等級(jí)的要求日益提高，因此，多重化和多電平技術(shù)在本課程中進(jìn)行了介紹。特別地，大功率風(fēng)電和柔性直流輸電系統(tǒng)中對(duì)模塊化多電平（Modular Multi-level Converter， MMC）的需求日益迫切，課程中也單獨(dú)設(shè)立了一節(jié)對(duì)MMC的原理進(jìn)行講授。

（二）線上課程視頻內(nèi)容編排

本課程的視頻大都控制在5～10分鐘，重點(diǎn)講述所對(duì)應(yīng)小節(jié)內(nèi)容的主線。以現(xiàn)代電力電子功率變換電路建模與控制章節(jié)為例。該章節(jié)分為四個(gè)小節(jié)，包括：開關(guān)斬波調(diào)制技術(shù)、小信號(hào)建模作用不小、“一機(jī)多能”的電力電子功率變換、電力電子系統(tǒng)中復(fù)雜行為。每個(gè)小節(jié)下設(shè)兩到三個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如“一機(jī)多能”的電力電子功率變換小節(jié)，分別講授了電力電子系統(tǒng)的控制架構(gòu)、反饋控制設(shè)計(jì)及以新能源發(fā)電中的最大功率跟蹤技術(shù)為例展示具體分析設(shè)計(jì)流程。在內(nèi)容編排上，盡量避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)。線上課程時(shí)長(zhǎng)為8～15分鐘。

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”中的新能源、柔性直流輸電、諧波和無功補(bǔ)償?shù)葍?nèi)容，更適合于用圖片、動(dòng)畫的方式直觀地向?qū)W生展示。例如，光伏發(fā)電P-U特性曲線呈現(xiàn)非線性特征，具有最大輸出功率點(diǎn)。而應(yīng)用較為廣泛的擾動(dòng)-觀測(cè)法，本質(zhì)上就是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程。因此，可以在在線授課時(shí)以動(dòng)畫顯示工作點(diǎn)調(diào)整過程。首先，在確定的輻照度S條件下，光伏變換器啟動(dòng)之后，工作點(diǎn)從原點(diǎn)開始沿P-U特性曲線移動(dòng)，每次移動(dòng)ΔU距離。當(dāng)接近最大功率點(diǎn)時(shí)，工作點(diǎn)在曲線頂點(diǎn)來回移動(dòng)。其次，當(dāng)光照變化或者電池板被遮擋時(shí)，工作點(diǎn)發(fā)生跳變，從某條曲線跳到另一條。在風(fēng)電應(yīng)用中，可以結(jié)合槳距角調(diào)節(jié)的內(nèi)容，已不僅僅局限于電力電子學(xué)知識(shí)。這些動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，非常適宜在在線課程中以動(dòng)畫形式展現(xiàn)。

（三）線下課程教學(xué)模式

由于“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”是一門工程性、實(shí)用性較強(qiáng)的課程，因此制定合理的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。線下課程由課程講座授課和仿真實(shí)驗(yàn)兩部分結(jié)合。教師首先由線上課程內(nèi)容引出、梳理本節(jié)知識(shí)點(diǎn)。例如，小信號(hào)建模部分，從斷續(xù)導(dǎo)通模式下的DC-DC變換器出發(fā)，先介紹電流峰值控制和次諧波振蕩問題。然后根據(jù)開關(guān)狀態(tài)平均法建立小信號(hào)模型，進(jìn)而分析模型的穩(wěn)定性和補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

OBE（Outcome-based Education， OBE）教育理念中一個(gè)核心內(nèi)容是面向?qū)嶋H問題的案例教學(xué)。MatLab/Simulink仿真平臺(tái)是一個(gè)適合電力電子仿真設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的強(qiáng)大工具。教學(xué)過程中，通過仿真實(shí)例可以輕松解決波形抽象原理復(fù)雜的問題。而本課程中新能源發(fā)電、無功/諧波補(bǔ)償、柔性直流輸電裝置等主要功能均可在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。還是以光伏發(fā)電為例，教學(xué)時(shí)可借鑒工程設(shè)計(jì)流程，由教師定出設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要根據(jù)此應(yīng)用場(chǎng)合計(jì)算DC-DC變換器中電感電流參數(shù)，選擇開關(guān)器件并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤算法、PI調(diào)節(jié)算法并在Simulink中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要部分框圖如圖1所示。在這種DC-DC變換器中，也建議學(xué)生采用峰值電流控制，觀察無斜坡補(bǔ)償情況下占空比D小于0.5和大于0.5情況下的工作情況。通過時(shí)域波形觀察次諧波振蕩現(xiàn)象。通過設(shè)置合適的波形采樣點(diǎn)，在分岔圖上觀察次諧波振蕩對(duì)應(yīng)的倍周期分岔現(xiàn)象，分析失穩(wěn)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，完成小信號(hào)建模和穩(wěn)定性分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)補(bǔ)償策略。

在教學(xué)過程中，可以讓學(xué)生先實(shí)現(xiàn)某個(gè)模塊功能，以此熟悉MatLab操作。進(jìn)而再將整個(gè)系統(tǒng)作為課程設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)目標(biāo)為系統(tǒng)以最大功率輸出。課程設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟內(nèi)容對(duì)應(yīng)于教師考查重點(diǎn)，從電路設(shè)計(jì)、仿真應(yīng)用到設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，各個(gè)層次考查學(xué)生實(shí)際應(yīng)用電力電子技術(shù)的能力。誠然，此系統(tǒng)距離實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)還有較大差距，但是可以讓學(xué)生通過此過程直觀認(rèn)識(shí)現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用過程，提升學(xué)習(xí)興趣和成就感。

課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括五個(gè)方面：（1）新能源電力電子功率變換電路的理論分析；（2）電力電子拓?fù)溥x擇、依據(jù)性能要求進(jìn)行器件參數(shù)的計(jì)算；（3）變換器控制算法的選擇，控制參數(shù)的計(jì)算，小信號(hào)建模與穩(wěn)定性分析；（4）基于Simulink的系統(tǒng)搭建，系統(tǒng)時(shí)域和頻率性能的軟件分析；（5）驗(yàn)證設(shè)計(jì)目標(biāo)，形成完整的設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告。

以上五方面內(nèi)容對(duì)應(yīng)工程碩士的考查重點(diǎn)分別是：（1）理論分析用來檢驗(yàn)學(xué)生理論知識(shí)的掌握情況；（2）參數(shù)計(jì)算用來考查學(xué)生能否進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)；（3）算法選擇用來設(shè)計(jì)控制/調(diào)制算法是否合適；（4）軟件使用是課程的一個(gè)重點(diǎn)，主要考查學(xué)生能否熟練應(yīng)用軟件，包括分析軟件和仿真軟件；（5）設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的是設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，主要考慮電壓/電流等指標(biāo)是否能夠達(dá)到，并且形成報(bào)告等材料，提升總結(jié)技術(shù)問題的能力。

通過以上幾方面工作可以發(fā)現(xiàn)，在線上課程基礎(chǔ)上，線下課程更多是引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行思考和實(shí)踐，并推動(dòng)學(xué)生用動(dòng)手實(shí)踐來驗(yàn)證理論分析。

（四）反饋與答疑

線下課程還需考查學(xué)生的反饋情況。本課程組織學(xué)生以3～4人小組形式進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并準(zhǔn)備匯報(bào)PPT。每個(gè)小組匯報(bào)5～8分鐘，教師現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)評(píng)。匯報(bào)中，一方面可以培養(yǎng)學(xué)生研究式學(xué)習(xí)的能力，了解資料和文獻(xiàn)的收集情況；另一方面，可以考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用情況，例如DC-DC變換器小信號(hào)模型的分析和穩(wěn)定性驗(yàn)證。此外，小組匯報(bào)還能夠培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力和表達(dá)的科學(xué)性、邏輯性。根據(jù)學(xué)生反饋，對(duì)小組仿真和匯報(bào)內(nèi)容的理解和掌握是本課程的主要收獲。

網(wǎng)絡(luò)的便捷性使得教師答疑解惑不再受時(shí)間、地域限制。在線學(xué)習(xí)平臺(tái)網(wǎng)站實(shí)際上也是一個(gè)線上社區(qū)，學(xué)生通過發(fā)帖的方式，隨時(shí)提出問題，問題不僅可以被相關(guān)教師回答，還可以被其他同學(xué)回答。有統(tǒng)計(jì)表明，在互動(dòng)平臺(tái)上的回答時(shí)間中間值只有22分鐘，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)課堂對(duì)學(xué)生的答疑要好得多。當(dāng)然，教師如能在社區(qū)交流中進(jìn)行引導(dǎo)，學(xué)生將能取得更好的學(xué)習(xí)效果。

通過以上幾方面工作，筆者對(duì)“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”線上線下課程混合式教學(xué)進(jìn)行了實(shí)踐性的探索。雖然線上線下混合式教學(xué)具有靈活、精確性高、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，但是不可否認(rèn)的是其也有不少局限性。這種模式對(duì)學(xué)生的要求更多，要取得很好的教學(xué)效果，需要學(xué)生在課前進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，課后進(jìn)行回顧與實(shí)踐。同時(shí)對(duì)教師的要求也更高，需要教師對(duì)課程安排更加精細(xì)?？偟膩碚f，線上教學(xué)以“教”為主，而線下教師則是提供一種學(xué)習(xí)的環(huán)境，重點(diǎn)在“育”。教師不僅是知識(shí)的傳播者，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的助手和朋友。

結(jié)語

“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”在線課程是一門具有較強(qiáng)工程性和實(shí)踐性的工程碩士研究生課程。通過在線授課形象化知識(shí)點(diǎn)，借課程設(shè)計(jì)提出目標(biāo)，學(xué)生在目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，輔以社區(qū)式的交流答疑，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性，提升教學(xué)效果。目前，該課程線上部分已在MOOC網(wǎng)站“學(xué)堂在線”上線，累計(jì)報(bào)名學(xué)習(xí)人數(shù)4 000余人。課程的線下部分每學(xué)年開課一次，累計(jì)學(xué)生達(dá)數(shù)百人，課程效果良好。

參考文獻(xiàn)

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［3］趙益波.“電力電子技術(shù)”創(chuàng)新型課程設(shè)計(jì)探討［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（5）：111-112.

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