摘 要 隨著新工科和一流課程建設(shè)的不斷深入，提高工程教育質(zhì)量，培養(yǎng)專業(yè)知識扎實、工程實踐經(jīng)驗豐富、創(chuàng)新思維活躍的新工科人才，對課程教學(xué)提出了新的要求。文章針對電力電子技術(shù)課程在實踐教學(xué)中存在的問題，在課程實驗的基礎(chǔ)上，增加分組調(diào)研和仿真實驗教學(xué)，持續(xù)開展課外實踐活動，實現(xiàn)全方位立體化的工程能力訓(xùn)練。實踐結(jié)果表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)能力顯著提高，工程實踐能力和創(chuàng)新能力得到提升。

關(guān)鍵詞 新工科；電力電子技術(shù)；工程能力訓(xùn)練

中圖分類號：G642 " " " " 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.01.022

Construction of Advanced Engineering Capability Training System

Based on Power Electronics Technology

YANG Lingling， TANG Xiongmin

（School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510006）

Abstract With the continuous deepening of new engineering and first-class curriculum construction， improving the quality of engineering education， cultivating new engineering talents with solid professional knowledge， rich engineering practice experience， and active innovative thinking， new requirements have been put forward for curriculum teaching. The article addresses the problems in practical teaching of power electronics technology courses. Based on course experiments， group research and simulation experiments are added， and extracurricular practical activities are continuously carried out to achieve comprehensive and three-dimensional engineering ability training. The practical results show that students' learning enthusiasm and self-learning ability have significantly improved， and their engineering practice ability and innovation ability have been enhanced.

Keywords new engineering; power electronics technology; engineering ability training

新工科建設(shè)是我國工程教育主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動[1]。新工科以立德樹人為引領(lǐng)[2]，培養(yǎng)理想信念堅定，實踐經(jīng)驗豐富的工科人才[3]。隨著新工科建設(shè)的不斷深入，更加強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜實際工程問題的實踐能力和創(chuàng)新能力[4]。

電力電子技術(shù)是自動化專業(yè)和電氣工程專業(yè)的必修課，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為工程實踐的能力是教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5]。在課程建設(shè)中，如何深化工程思維能力和實踐能力訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是課程組教師應(yīng)持續(xù)思考、不斷實踐并反復(fù)改進的方向。

1 實踐教學(xué)中存在的問題

電力電子技術(shù)由電力學(xué)、電子學(xué)、控制理論三大學(xué)科復(fù)合交叉而成，是采用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛。電力電子技術(shù)是一門理論和實踐緊密結(jié)合的課程，除了具有嚴(yán)謹?shù)睦碚撝R體系外，還具有很強的工程實用性，課程學(xué)習(xí)中需要學(xué)生投入大量的時間和精力。由于課程內(nèi)容難度較大，學(xué)生對課程內(nèi)容的理解往往不夠深入，導(dǎo)致其在實踐中仍存在諸多問題。

1.1 學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不足，學(xué)習(xí)動力不強

很多學(xué)生僅滿足于完成課程要求的實驗內(nèi)容，按照實驗指導(dǎo)書記錄的參數(shù)波形和數(shù)值完成實驗報告。學(xué)生未能全面構(gòu)建自己的知識體系，缺乏對課程實驗綜合性和工程實用性的理解。

1.2 實驗教學(xué)的作用有限

實驗教學(xué)要與理論教學(xué)相配合，所以課程實驗安排的均是經(jīng)典電力變換電路實驗，要求學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書接線，完成相關(guān)參數(shù)檢測，驗證電力電子技術(shù)理論的正確性。由于教學(xué)實驗設(shè)備的功能基本固定，新實驗和設(shè)計實驗難以拓展實施，學(xué)生也無法將新技術(shù)應(yīng)用于課程實驗，割裂了理論與實驗的密切聯(lián)系，課程的工程實用性難以體現(xiàn)。

1.3 實踐教學(xué)缺少延續(xù)性，難以形成完整的實踐能力訓(xùn)練體系

電力電子技術(shù)與前后課程的關(guān)系緊密，但由于專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的學(xué)時壓縮，相關(guān)知識點略講或不講，導(dǎo)致學(xué)生存在一定的知識“盲區(qū)”。各門課程各自為政，對重合的知識點缺少統(tǒng)一的規(guī)劃，因此知識體系間的銜接出現(xiàn)斷裂。學(xué)生在實踐中難以將相關(guān)課程內(nèi)容進行有效銜接。

1.4 實驗評價體系有待改進

課程實驗部分的評價包括實驗表現(xiàn)和實驗報告。很多學(xué)生過分追求實驗進度，不愿意花時間進行深入思考和分析。實驗報告的區(qū)分度不大，很難體現(xiàn)出學(xué)生的工作量以及對問題的分析能力。

2 進階式工程能力訓(xùn)練體系構(gòu)建

進階式工程能力訓(xùn)練體系見圖1。其中分組調(diào)研階段和虛擬仿真階段與課程同步進行；課外實踐階段與課程同步開始并持續(xù)進行；進階訓(xùn)練階段是課外實踐環(huán)節(jié)的延續(xù)，包括學(xué)科競賽、科研項目，可持續(xù)至畢業(yè)設(shè)計。

2.1 分組調(diào)研

電力電子技術(shù)是研究電能的技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在課程的緒論部分，通常會介紹電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域。因此，教師可在學(xué)期初布置調(diào)研任務(wù)，要求學(xué)生分組調(diào)研電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電、直流輸電、電動汽車、軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、高頻開關(guān)電源等領(lǐng)域中的應(yīng)用，并分析具體應(yīng)用中涉及的技術(shù)問題。

由于學(xué)生初次接觸本課程，缺少對電力電子技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的了解，需要教師指導(dǎo)學(xué)生開展調(diào)研。得益于線上教學(xué)的廣泛開展，教師和學(xué)生之間的交流渠道日益增多。課程組使用智慧樹教學(xué)平臺，建設(shè)了“電力電子技術(shù)”線上課程；課堂教學(xué)采用雨課堂，及時發(fā)布課件、作業(yè)和相關(guān)學(xué)習(xí)資料。借助各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具，師生之間的交流可以實時進行，教學(xué)指導(dǎo)更具個性化。

通過查閱、分析和總結(jié)相關(guān)文獻資料，學(xué)生可全面了解電力電子技術(shù)的需求和新進展，明確電力電子技術(shù)在國民經(jīng)濟生活中的地位，增強課程學(xué)習(xí)的意愿和自覺性。在新能源發(fā)電、直流輸電、電動汽車、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域，我國的電力電子技術(shù)處于世界領(lǐng)先行列，甚至引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。調(diào)研過程能夠充分激發(fā)學(xué)生的愛國熱情、民族自信心和自豪感。

2.2 虛擬仿真

通過課程調(diào)研，學(xué)生了解了電力電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，從理論層面分析了具體應(yīng)用中所涉及的技術(shù)問題。電力電子技術(shù)是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程，所以課程調(diào)研不能止步于理論分析，教師需要指導(dǎo)學(xué)生在課程調(diào)研的基礎(chǔ)上展開虛擬仿真實驗。

虛擬仿真由學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和實踐環(huán)節(jié)兩個環(huán)節(jié)組成。作為課程實驗的有益補充，虛擬仿真在實踐教學(xué)體系中具有重要的作用。課程組非常重視虛擬仿真實驗教學(xué)，完成了教材中典型例題和習(xí)題的仿真程序，在教學(xué)平臺中設(shè)計了虛擬仿真實驗，并配套教學(xué)視頻。

在學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生在教學(xué)視頻的指導(dǎo)下，自主學(xué)習(xí)Matlab/Simulink軟件，熟悉相關(guān)工具箱模塊和編程工具，選擇在線教學(xué)平臺中的虛擬仿真實驗進行學(xué)習(xí)。

在實踐環(huán)節(jié)，各個小組選擇調(diào)研內(nèi)容中的一個實例，分析比較各種方案的優(yōu)缺點，明確系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體的設(shè)計要求和性能指標(biāo)確定設(shè)計方案，利用Matlab設(shè)計仿真單元電路，構(gòu)建系統(tǒng)模型，完成整體電路的仿真調(diào)試。仿真實驗可搭建模型、編程、分析數(shù)據(jù)、修改參數(shù)等，為學(xué)生提供反復(fù)實驗的機會，既適應(yīng)于工程應(yīng)用又能滿足科研探索的需求，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。仿真實驗可幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)電力電子領(lǐng)域的新技術(shù)，對課程實驗進行拓展設(shè)計，是課程實驗的有益補充。

2.3 課外實踐

由于課內(nèi)學(xué)時有限，開展課外實踐活動可以提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力和工程實踐能力。學(xué)有余力的學(xué)生，可以嘗試實際電路的設(shè)計，制作PCB板，焊接組裝各種元器件、開展測試實驗，并將實物的測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，分析問題并排除故障和干擾因素。總結(jié)設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題和解決方法，提出改進方案。例如，在無人機飛行控制系統(tǒng)的實踐過程中，學(xué)生設(shè)計了基于IGBT的電機控制回路，設(shè)計過程中需要統(tǒng)籌考慮供電模塊、IGBT的電壓等級、管壓降和工作特性以及電機型號。學(xué)生需要經(jīng)過資料查找、多方論證、小組討論和反復(fù)試驗，才能最終確定控制電路設(shè)計方案。在設(shè)計過程中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)關(guān)于IGBT的相關(guān)知識，并融合電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容，達到知識融會貫通、實踐能力提升的目的。

2.4 學(xué)科競賽或畢業(yè)設(shè)計進階

在虛擬仿真和課外實踐的基礎(chǔ)上，進一步拓展小組選題的深度和廣度，聚焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和先進控制方法研究，教師持續(xù)指導(dǎo)課外實踐活動，不斷優(yōu)化選題內(nèi)容，逐步升級為學(xué)科競賽或畢業(yè)設(shè)計的研究內(nèi)容。例如，在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，有不少與電力電子技術(shù)相關(guān)的題目，如：2024年的AC―AC變換電路并聯(lián)運行，2023年的單相逆變器并聯(lián)運行系統(tǒng)，2021年的三相AC―DC變換電路和三端口DC―DC變換器等。學(xué)科競賽為學(xué)生提供了鍛煉綜合實踐能力的機會，有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維。教師通過指導(dǎo)學(xué)科競賽，把大賽的經(jīng)驗用于教學(xué)實踐，可有效提升教學(xué)能力和教學(xué)水平。

借助課外實踐活動，建立課程教學(xué)與學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計之間的連接，有了前期的工程實踐基礎(chǔ)，學(xué)生可更專注于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略的研究。

在課外實踐活動的基礎(chǔ)上，課程組教師指導(dǎo)學(xué)生完成了單相并網(wǎng)逆變器、三相逆變器并網(wǎng)控制、儲能雙向變流器、大功率直流變換器、高壓直流輸電系統(tǒng)建模、柔性直流輸電控制、風(fēng)電柔直并網(wǎng)系統(tǒng)、智能充電樁系統(tǒng)、電動汽車充電優(yōu)化管理、列車牽引系統(tǒng)接觸器故障診斷、永磁同步電機的矢量控制、雙饋風(fēng)機系統(tǒng)等畢業(yè)設(shè)計課題，實現(xiàn)了從課程教學(xué)到畢業(yè)設(shè)計的貫通，驗證了進階式工程能力訓(xùn)練體系的可行性和有效性。

2.5 考核評價體系的改革措施

在工程能力訓(xùn)練過程中，注重過程管理、強化能力考核。在課程實驗中，鼓勵學(xué)生自主思考和探索。在小組調(diào)研和項目設(shè)計過程中，增加小組成員的分工任務(wù)和貢獻率，加強區(qū)分度。教師注意做好日常指導(dǎo)記錄，加強過程評價；在小組展示和答辯環(huán)節(jié)，設(shè)計能力測試的相關(guān)問題；采取靈活的考核方式，給出合理的評價。由于課外實踐活動屬于探索性實踐，所以不能以最后的實驗結(jié)果作為唯一的評價指標(biāo)。自主查閱文獻資料、分析比較多種設(shè)計方案、實驗過程中問題的分析和解決等都應(yīng)納入評價體系，從而達到能力考核的目的。

3 結(jié)語

課程組針對電力電子技術(shù)實踐教學(xué)中存在的問題，構(gòu)建進階式工程能力訓(xùn)練體系，強化對學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。實踐證明，采用小組討論的方式調(diào)研電力電子技術(shù)的應(yīng)用，增強了學(xué)生對電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣，仿真教學(xué)實現(xiàn)了理論分析與工程實踐的有效融合，課外實踐活動加強了對學(xué)生工程思維能力和工程實踐能力的訓(xùn)練，學(xué)生參加各類競賽和創(chuàng)新項目的人數(shù)大幅增加，工程實踐能力和創(chuàng)新能力顯著提升。在畢業(yè)設(shè)計課題中，除直流交流電機控制之外，關(guān)于新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等方面的題目也大幅增加，表明進階式工程能力訓(xùn)練體系能夠幫助學(xué)生將不同課程間的知識體系進行有效銜接，強化了實踐教學(xué)的延續(xù)性。

★基金項目：教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會教育教學(xué)改革研究課題（2024047）；廣東工業(yè)大學(xué)本科教學(xué)工程項目（廣工大教字[2024]75號）。

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