基于CDIO工程教育理念的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革與實踐創(chuàng)新

鄒夢麗 李建軍 王憲磊 羅繼東 侯寶華

摘要：隨著高校教育的不斷深化改革，為培養(yǎng)復(fù)合型工程技術(shù)人才，文章在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下，對電力電子技術(shù)課程的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實踐過程等方面進行了創(chuàng)新型改革與探索，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：CDIO模式;電力電子技術(shù);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0076-03

在高校電氣工程專業(yè)中，“電力電子技術(shù)”是一門非常重要的專業(yè)必修基礎(chǔ)課，主要研究電源的控制，指的是利用電力電子器件對電能進行變換和控制，橫跨電力、電子和控制三個領(lǐng)域[1]，其內(nèi)容變化之大、發(fā)展之快、應(yīng)用之廣以及新技術(shù)和知識點之多是該課程的主要特點。這門課程掌握得好壞程度，會決定后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的好壞，直接影響到學(xué)生動手創(chuàng)新能力的運用。因此進行該課程的教學(xué)改革，是十分必要且有實際意義的。

CDIO（Conceiving—Designing—Implementing—Operation）是國際工程教育與人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，該模式強調(diào)綜合創(chuàng)新能力、個體與社會協(xié)調(diào)能力的培育，更加關(guān)注工程實踐能力的提升[2]。近年來逐漸被國內(nèi)教育認可并廣泛采用，為本課程的教學(xué)改革起到積極性的指導(dǎo)作用。

一、教學(xué)改革的主題思路

（一）目前課程教學(xué)存在的問題

電力電子技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容較多，很難在有限的學(xué)時內(nèi)講完。變流技術(shù)中基本電路按照電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和基本公式計算及應(yīng)用進行講解。其中工作原理不易理解，電路分析過程抽象，尤其是波形的動態(tài)變化過程，沒有動態(tài)圖輔助，學(xué)生很難整理清楚思路。此外，知識體系緊密，公式計算多且煩瑣，有時計算復(fù)雜的內(nèi)容需要借助高級的計算機運算，這要求學(xué)生的數(shù)學(xué)功底十分夯實。該課程在工程實際中有大量的應(yīng)用，多數(shù)的知識重點內(nèi)容與難點內(nèi)容需要具體的工程實例講解，學(xué)生才能聽懂并明白其重要性。針對課堂存在的問題，采用當(dāng)下流行的CDIO國際工程教育理念，可有效培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際及工程創(chuàng)新的能力[3]。

（二）教學(xué)目標定位

電力電子技術(shù)是一門研究電源變換的課程，隨著科技的發(fā)展，其技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力、制造、機械等領(lǐng)域。教學(xué)過程中應(yīng)積極探索本課程縱深向多門課程貫通的發(fā)展，力求基礎(chǔ)和前沿并重發(fā)展，優(yōu)化、精簡課程內(nèi)容，突出重點、難點，制定合適的教學(xué)目標，以培養(yǎng)出知識面較全面、創(chuàng)新能力和實踐能力強的技術(shù)人才。

（三）教學(xué)方法及教學(xué)手段改革

教學(xué)方法要多樣化，例如引入活動探究法、直觀演示法、知識遷移對比法、案例教學(xué)法、討論分析法、系統(tǒng)教學(xué)法等。把這些教學(xué)方法按照“提出問題—分析問題—解決問題—總結(jié)問題—遷移應(yīng)用”的思路最后歸納出“認知、學(xué)習(xí)、應(yīng)用、總結(jié)、提高”五層次教學(xué)模式：在“認知”模塊中，難于理解的知識點盡量利用多種方式進行生動化的展示，如圖表形式、動畫形式、視頻形式等，充分激發(fā)學(xué)生興趣，營造積極向上的學(xué)習(xí)氛圍;在“學(xué)習(xí)”模塊中，通過多媒體課件傳統(tǒng)講解，配合多種方式的教學(xué)方法，結(jié)合仿真軟件觀測電壓電流波形的變化，使學(xué)生掌握電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識;在“應(yīng)用”模塊中，通過組織學(xué)生討論實際案例，對實際問題進行分析，培養(yǎng)學(xué)生自行解決討論問題的能力;在“總結(jié)”模塊中，運用系統(tǒng)歸納法，將知識點進行串接，使得學(xué)生能夠全面、系統(tǒng)地建立知識架構(gòu);在“提高”模塊中，利用問題導(dǎo)向法，將理論和實踐完全結(jié)合，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[4]。

二、創(chuàng)新型教學(xué)改革實踐

（一）優(yōu)化整合課程內(nèi)容，提高課程的綜合化程度

把電力電子技術(shù)看成是一項系統(tǒng)工程，就課程本身進行全面、系統(tǒng)、科學(xué)的研究。該課程的主要內(nèi)容應(yīng)以電力電子器件為核心，以四種變流技術(shù)和兩種控制方法為基礎(chǔ)，以四類變換器的應(yīng)用為目標，兼顧當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展[4]，同時考慮課程學(xué)時、數(shù)目的限制，通過與往屆畢業(yè)生交流溝通，咨詢調(diào)查行業(yè)職能的實際要求，認真聽取建設(shè)性意見，結(jié)合應(yīng)用實際精選教學(xué)課程內(nèi)容，進而優(yōu)化、整合課程內(nèi)容，突出重難點，詳略得當(dāng)，使得課程內(nèi)容具有科學(xué)性和新穎性，充分體現(xiàn)先進的教學(xué)理念，兼顧知識與能力的培養(yǎng)，切實提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

（二）借鑒其他高校的教學(xué)模式

通過外出調(diào)研的機會，與疆外其他高校教電力電子技術(shù)課程的教師溝通交流教學(xué)經(jīng)驗，對比分析自身缺陷，對該課程進行教學(xué)改革。調(diào)研分析，大部分高校的電力電子技術(shù)課時數(shù)目相近，少的安排有48學(xué)時，多的達到56學(xué)時。普遍反映都是課時少、內(nèi)容多。任課老師需要精選備課，認真選取教學(xué)案例及素材，使課程教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)相結(jié)合，合理安排課程及主要教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)該課程的價值。各高校在該課程的教學(xué)中，多數(shù)都采用案例式教學(xué)，針對電力電子技術(shù)涉及的相關(guān)其他課程的應(yīng)用列舉大量的工程實例，重視每種變換電路的應(yīng)用，尤其是在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹。具體章節(jié)上普遍認為第二章電力電子器件關(guān)于動態(tài)特性可不必占用過多的課堂時間，會應(yīng)用電氣電子器件，能夠掌握基本特性即可。第二章電力電子技術(shù)課與第九章電力電子器件的驅(qū)動保護等內(nèi)容合并講解，重點掌握晶閘管、MOSFET、IGBT。第三章至第六章的課程核心內(nèi)容的四大變換電路中重點掌握整流電路和逆變電路，控制方法。第七章PWM控制技術(shù)重點與逆變電路結(jié)合講解。第十章電力電子技術(shù)的應(yīng)用，個別學(xué)校有組織學(xué)生自學(xué)，或開展討論課程等形式，多數(shù)教師是自己插編入相應(yīng)變換電路中進行實例講解。實驗方面，各高校都配有實驗室，完成相關(guān)基礎(chǔ)驗證實驗。個別高校將實驗分為基礎(chǔ)、創(chuàng)新和探究型。局域?qū)嵺`課時安排，部分實驗設(shè)為學(xué)生自主、自愿選擇。

（三）與相關(guān)企業(yè)聯(lián)系，搜集教學(xué)素材

結(jié)合往屆電氣專業(yè)畢業(yè)生的去處，到學(xué)校所處的新疆區(qū)域中相關(guān)生產(chǎn)一線的發(fā)電企業(yè)及地方的國家電網(wǎng)等單位進行調(diào)研，了解社會對電力電子技術(shù)課程的要求，搜集經(jīng)典案例，注重教學(xué)內(nèi)容與其他課程的交叉性，調(diào)整授課結(jié)構(gòu)，整理上課的主線脈絡(luò)。調(diào)研結(jié)果反映，電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、光伏電站等，因此學(xué)生在學(xué)校期間應(yīng)夯實基本的理論，具備靈活的實踐能力，以為學(xué)生從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。當(dāng)前，隨著電力電子器件的不斷更新，技術(shù)的先進發(fā)展，呈現(xiàn)出自動化、集成化、綠色化和智能化的發(fā)展趨勢。因此，器件設(shè)備的控制技術(shù)不易掌握。目前除個別核心技術(shù)被壟斷、出故障需廠家維修外，要求工作人員具備查錯、糾錯的能力。通過到相關(guān)企業(yè)單位調(diào)研，可以搜集實際應(yīng)用案例，收集拍攝相關(guān)的素材，后期通過整理形成先進的教學(xué)材料運用到教學(xué)中[5]。這樣學(xué)生就能明白如何將課堂的知識點應(yīng)用于實際系統(tǒng)中，有利于學(xué)生加深對理論的理解，真正地掌握課本知識，增加學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）對畢業(yè)設(shè)計中涉及電力電子技術(shù)的選題進行問卷調(diào)查

電力電子技術(shù)課程開設(shè)在學(xué)生的第5學(xué)期，專門以本院電氣化專業(yè)學(xué)生為例，選取近兩年涉及電力電子技術(shù)的畢業(yè)設(shè)計選題進行問卷調(diào)查與實證分析，對學(xué)生對該課程的評價及畢設(shè)中所體現(xiàn)的課程發(fā)展趨勢與思路進行對比與總結(jié)，最后結(jié)果顯示，總體上逐年提高了這兩年電力電子技術(shù)課程所選的畢業(yè)設(shè)計課題的典型性、綜合性和可行性，逐步提升了工作量和難易度，綜合反映了學(xué)生的專業(yè)綜合素養(yǎng)有了一定的提高。

（五）將科研競賽成果引入教學(xué)中

大部分教師都主持或承擔(dān)了與課程相關(guān)的科研項目，或多或少地運用到了電力電子技術(shù)中的電源變換內(nèi)容。此外，電氣專業(yè)的學(xué)生在參加全國大學(xué)生電子設(shè)計電源類競賽、“挑戰(zhàn)杯”、全國大學(xué)生智能汽車競賽、全國大學(xué)生機器人大賽、全國節(jié)能減排大賽等比賽中都要涉及變流技術(shù)的基本理論。因此在教學(xué)中，可以結(jié)合科研項目以及學(xué)生大賽的優(yōu)秀作品案例，給學(xué)生介紹具體的案例及應(yīng)用，現(xiàn)身說法，引起學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們向榜樣學(xué)習(xí)的欲望，促使學(xué)生本身愿意去學(xué)。

三、基于CDIO工程教育理念的《電力電子技術(shù)》課程的實踐創(chuàng)新

在CDIO（構(gòu)思—設(shè)計—實施—運行）工程教育理念的指導(dǎo)思想，對電力電子技術(shù)進行課程實踐的創(chuàng)新改革，以期強化并培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計、實踐和創(chuàng)新等綜合應(yīng)用能力[6]。為拾級而上、循序漸進、漸次提升學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新意識，將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入大學(xué)教育的每個環(huán)節(jié)、每個項目中，因此需要全力打造創(chuàng)新實踐教學(xué)平臺建設(shè)。創(chuàng)新實踐教學(xué)平臺建設(shè)包括校內(nèi)平臺建設(shè)和校外平臺建設(shè)兩部分。校外實踐教學(xué)將充分依托阿拉爾光伏發(fā)電站，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)平臺。在本課程學(xué)習(xí)末期，帶領(lǐng)學(xué)生參觀阿拉爾光伏電站，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的實物實際情況，把從發(fā)電、輸送電到最后給用戶供電的相關(guān)電力系統(tǒng)知識對學(xué)生進行系統(tǒng)梳理，加強專業(yè)綜合能力的培養(yǎng)。

校內(nèi)平臺計劃采用“專業(yè)驗證實驗+綜合實驗+虛擬實驗”的建設(shè)模式。其中專業(yè)實驗結(jié)合我校電氣化專業(yè)的電力電子實驗室對課程基礎(chǔ)實驗進行驗證，并觀測波形，讓學(xué)生比對通過實驗實際元件得到的波形與課本理論波形，從而使其有一個更為清楚的認識，以便于打好學(xué)生的理論基礎(chǔ)[7]。綜合實驗屬于多知識點融合的能力訓(xùn)練，以知識、能力、素質(zhì)為教學(xué)目標，根據(jù)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)目標與職業(yè)資格標準要求，將教學(xué)的重點知識穿插到電力四大變換器的項目中進行實戰(zhàn)演練，如精選的調(diào)光燈電路、晶閘管-電機調(diào)速系統(tǒng)等典型項目。調(diào)光燈電路實驗項目是基于單結(jié)晶體管的觸發(fā)電路，采用雙向晶閘管調(diào)控，綜合應(yīng)用電力變換中的AC-DC和AC-AC;開關(guān)穩(wěn)壓電源實驗項目是把電源流出的交流電經(jīng)整流變成直流，濾波后經(jīng)穩(wěn)壓供給用戶，在生活中應(yīng)用廣泛;晶閘管電機調(diào)速，在單閉環(huán)的基礎(chǔ)上逐步升級為雙閉環(huán)，保證了調(diào)速的可靠性……實驗項目的設(shè)立是為了引導(dǎo)學(xué)生主動探索電力電子技術(shù)相關(guān)知識和技能，全面鍛煉學(xué)生能力;虛擬實驗是基于MATLAB仿真軟件，可完成典型電力電子電路的虛擬設(shè)計、虛擬試驗以及波形觀測[7]。通常虛擬實驗是結(jié)合著綜合實驗一起進行的，在設(shè)計電路仿真通過的前提下進行綜合實驗，能夠有效提高實驗成功率。此外，校內(nèi)平臺的搭建還為學(xué)科研究做了鋪墊，對于有能力的學(xué)生，可以自己設(shè)計主電路的拓撲結(jié)構(gòu)、計算電路參數(shù)，選擇電子元件，仿真軟件驗證，最后焊接調(diào)試[8]。這樣學(xué)生有機地將學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)與實踐相結(jié)合，不僅加深了對理論的理解，還鍛煉了實際的工程應(yīng)用能力，一舉多得;這也為學(xué)生提供了良好的鍛煉平臺，有效地提高了學(xué)習(xí)效率，更能為相關(guān)的學(xué)科競賽做好扎實的準備。

四、結(jié)束語

通過基于CDIO工程教育理念的《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革與實踐創(chuàng)新，積極探索將理論與實踐相結(jié)合，實現(xiàn)該課程與專業(yè)的有機結(jié)合，擴展學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促使其將知識不斷內(nèi)化成能力，不斷提高工程應(yīng)用能力，以期培養(yǎng)成符合社會需求的復(fù)合型人才。

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