刘晓红，于 艳

（青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109）

“电力电子技术”课程是青岛农业大学机电工程学院电自化、电气化、测控专业的必修课、学科基础课，课程组成员多年来一直在教学、科研过程中不断探寻课程教学改革和实践。期间历经教学评估、专业认证、新冠疫情、互联网等对课程建设带了的冲击和挑战，顺应时代需求进行了多次教学改革和实践研究，取得了一定的教学成果，本文将从教学体系构建和教学方法探索等方面介绍青岛农业大学课程教学改革的现状。

原有的教学模式中，仅设置了“电力电子技术”40学时的理论课程和16学时的实验课程。后面陆续加入了“开关电源技术”和“变频调速技术”2门选修课程。整个课程体系中，实践环节尤为重要，课题组根据实际需要，在原有的实验平台基础上，开发了斩控式交流调压、开关电源等模块，大大丰富了学生实验内容，同时也启发学生从各个角度或层面去发掘实验台问题并去加以完善和升级。随着课程内容的不断深入、后续课程竞赛设计等需求的增加以及多届毕业学生的反馈信息，课程组人员一致认为应该扩展电力电子实践环节应用面，让更多学生参与进来，都能对该课程体系有一个完整的了解和认识，因此构建了现在的课程体系。

在整个“电力电子技术”教学过程中，坚持以学生为根本，因材施教，根据学生掌握情况进行个性、多样化教学方式。首先给学生介绍“电力电子技术”在本专业的地位以及今后可能的工作、考研方向，让学生对该课程有最直接的认识，激发其学习积极性。其次树立一个课程体系框架，让学生了解相关课程之间的关系，先开课程能为该课程提供知识支撑，本课程内容重点及其侧重点能引导后续课程。以点带面，掌握最近的理论实践本领，并在此基础上能够根据工程实际需求，迅速切入研究点，找到解决方法。青岛农业大学“电力电子技术”课程群如图1所示，其中电机拖动为先开课程，课程中的变压器、交直流电机工作原理、启动、制动和调速等为“电力电子技术”课程的先修知识点。通过该课程的学习，首先应该认识到电机在工程应用中的重要作用，其次是电机在应用中通过何种方式来实现它的作用，最后要知道电机本身存在问题及如何提升等等。从实际应用出发，针对某一特定应用，需要机电传动，根据要求，匹配电机，电机的启动、调速、制动以及保护，控制需求，引出电力电子控制技术，激发学生的学习动力，学以致用，学起来才会更有激情[1]。

图1 “电力电子技术”课程群

电力电子技术是应用于电力领域，使用电力电子器件，对电能进行变换和控制的技术[2]。应用领域为电力领域，注意强电、弱电、隔离等概念和运用。大部分同学在学校所接触的电路和设计基本局限于某一部分，学生对整体概念理解不够。局限于某次成功，而不是长时间运行，对抗干扰、散热等概念的运用不够深入。此处引入对比实验，通过运行效果，让学生直观感受细节的重要性。“电力电子技术”理论课程教学分为六大模块进行，如图2所示。电力电子器件为应用基础，理解原理，重点学会选用。例如二极管派生器件的讲述，引入普通硅整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管的对比应用电路，详细说明电路设计要点、重要参数的选取等，学以致用，活学活用。从半导体特性入手，了解如何提高导电能力、耐压能力以及器件的发展历程，启迪学生结合时政探索器件在国家战略发展的重要作用，完成课程小论文。在课程教学的同时完成必要的思政教育，了解目前国内外发展状况，国家目前处境，我们应该怎么做、可以怎么做[3]。同时，学会小论文的撰写、文献的查询和整理工作。

图2 “电力电子技术”理论知识模块

AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC四大基本变换电路[4]，重点掌握基本拓扑电路工作原理，学会分析方法，绘制波形，理解波形在电路运行和故障分析的作用。开关电源技术是DC-DC基本电路的应用，变频调速技术是AC-AC基本电路的应用，均为专业选修课程，感兴趣的同学可以在此方向进一步学习。课程中的两大控制技术分别为PWM和软开关控制技术，重点为PWM的应用，抛砖引玉，提出思路，发展趋势，引导学生自主探究。“电力电子技术”是一门实践性很强的课程，课程设置目的是培养学生运用理论知识分析和解决实际问题的能力。因此，一个完善的知识体系很重要，经过多年的探索和研究，目前青岛农业大学机电工程学院“电力电子技术”课程体系如图3所示。

图3 “电力电子技术”课程体系

“电力电子技术”理论课程着重给学生建立一个完备的课程框架和最基础的理论知识，此部分设置40学时。实验课程共设置16学时、8个实验，有基本的验证型实验和综合设计型实验，学生可以根据自己理论知识掌握情况选做合适的实验。这2个模块的教学仅仅是引导学生入门，对电力电子技术有初步的了解和认识，为了让学生有足够的分析和设计能力，在教学改革中逐渐引入后面几个环节，并将“电力电子技术”理论课程和实验课程合二为一，使得理论和实践环节联接更加紧密。理论先导，实验探索，理论实践结合，提升学习效果，最终的综合测试更能检测学生学习情况。有效避免了部分同学重理论轻实践的思想，实践中出真知，改变传统的学习和思维方式，不断从实践中探索，提升理论知识的掌握。实践环节注重学生的动手能力和实际调试思维能力。一个实验项目就作为一个完整的实践对象，从电路模块选择、电路搭建、调试到波形测试和故障排除，多个实验项目的不断强化，再到后面毕业设计，学生将会有足够的能力参与电力电子电路的设计和调试工作[5]。

仿真环节要求学生能够掌握Matlab和Pspice等几种仿真软件的基本用法、原理，能够根据实际需求进行建模、仿真及结果分析。从仿真角度思考修改器件等参数对仿真结果的影响和公式的验证。课程设计要求学生能够针对某一特定的应用确定基本拓扑电路、器件和控制方式（模拟、单片机、PLC），要求学生有较高的分析和综合设计能力。课程设计时间为两周，首先根据要求做方案，仿真验证方案可行性，搭建焊接、调试，最后完成答辩。希望进一步探索电力电子技术的学生可以选修后续的专业选修课程“开关电源设计”和“变频调速设计”[6]。

电力电子技术涉及强、弱电，应用极其广泛，技术更新和发展速度都非常快，是电气类专业学生必备的专业知识。为了提高教学效果，课程组对教学方式方法进行了不断的探索。

2.1 线上线下混合式教学

为全面了解学生课前、课中、课后的具体学习情况，根据课程教学目标，结合课程及授课对象的特点，引入“雨课堂”或“学习通”等智慧教学工具开展线上线下混合式教学。对于基础概念和简单常识性知识点，学生可以跟随线上视频反复学习，通过线上习题，不断查缺补漏。难点和重点则在线下由学生和教师一起探索和挖掘。

2.2 仿真软件的引入

电力电子技术电路应用于电力领域，高压环境使实验环节存在一定的安全隐患，不能实时实地为学生解惑，仿真软件的引入可以很好地解决这个问题。在基础理论知识和实验环节后，引入仿真环节，可以使学生能够更好地理解仿真跟实际电路的关系，熟悉哪些环节可以仿真模拟，哪些环节还需实际电路进一步验证，为学生今后的学习和工作都能打下坚实的基础。

实验和课程设计是工科实践教学的一个重要的环节，尤其是对于“电力电子技术”这门偏应用的基础课程来说。近年来，各大高校都增加了此部分的投入。“电力电子技术”课程是青岛农业大学机电工程学院农业机械化学科群中电自化、电气化、测控专业的必修课、学科基础课，学生有了基本的理论知识后，更愿意去实践、去应用[7]。

电力电子技术实验室升级改造，建设“开放型数字电力电子”实验室，是学院当前实验设备技术水平的一次大幅度的提升，使得教学过程中开设的实验实训项目更加贴近当前电力电子及电气传动的现场技术环境，能够大大提高青岛农业大学实验教学水平，同时探索开设“电力电子技术”课程设计，能够极大提高实验比例、增加学生理论向实践转换的机会和能力，使青岛农业大学的应用型本科人才培养直接与当前企业对技术人员的需求形成无缝对接，符合中国当前卓越工程师的方针政策。本次实验平台的升级改造包含了开放的基础实验平台建设、半实物仿真实验平台建设和高级实验平台建设，以满足不同阶段的实践要求。

为了给学生提供更好的实践环境，电力电子技术实验室为学生提供了模块化实验和半实物仿真实验平台。学生可以选用简单的模块搭建拓扑电路，驱动电路，接入基于单片机或PLC的控制电路，即可完成电力电子应用电路的测试。亦可以在半实物仿真平台构建负责控制系统，验证控制思路

3.1 开放的基础实验平台建设

基础实验环节共设置22个可选实验，涵盖了电力电子器件特性测试、电力电子器件触发电路测试、整流电路、逆变电路、直流斩波、交流调压等方面。教师可以根据学生的具体学习情况，选适合的实验以巩固学习效果。此部分平台建设的第一个原则是模块化，更便于教师管理、实验准备和后期维护。第二个原则是“透明”，以前的实验电路封闭在壳子里，学生只能从外壳绘制的电路去体会、感知，学生的印象不深，跟着指导书做，人云亦云。升级后的实验设备在学生面前是透明的，学生可以清楚看到实验各个环节的具体电路、器件，实验过程也具有启发性，启发学生探索，同一个实验效果会有不同的实现途径。学生沉浸式的学习，可以把各科所学知识融会贯通，学生更愿意去学、去探索、去实现。标准接口使得实验设备更具有开放性，可以服务于更高、更复杂的实验过程。第三个原则是开放性，每个模块都有标准的接口，各个模块都可以分别被半实物仿真或高级实验平台调用，用以完成不同的实验效果。

3.2 半实物仿真实验平台建设

复杂的电力电子电路和系统需要更多的逻辑关系和算法支持，基础实验已不能满足。为满足电力电子与电力传动方向的学生学习要求，构建了半实物仿真平台。该平台结合了基于FPGA的实时仿真技术和通用可靠的NI硬件，学生可以根据所学知识，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，仿真研究各信号和器件之间的关系，对仿真结果进行分析、修正。在半实物仿真平台上将已经验证过的仿真模型拆分为硬件电路和软件电路，分别编译下载到对应的FPGA模块中，即可通过示波器观测实际波形，进一步分析实验结果。此处的实验结果更贴近于实际，可以让学生更能体会实际的系统工作过程和设计流程，同时也可以为教师科研提供一种手段，并能大大缩减研究周期。

3.3 高级实验平台建设

完整的电力电子实验项目对提高学生认识和动手能力都是十分必要的，因此构建了高级实验平台。该实验平台提供了Matlab控制仿真和DSP代码转换，省去了复杂的DSP系统设计和编程，拉近了学生和DSP应用的距离。DSP系统运行后，通过USB接口把系统运行的实时参数上传到监控软件，监控软件用LabWIEW编写。该系统已应用于本科生的毕业设计和教师的科研工作，为不同的对象提供了设计思路。

文章介绍了青岛农业大学近年来对“电力电子技术”教学的研究和探索，建立了适合学校实际情况的电力电子课程体系，给学生构建完备的课程框架，夯实理论基础知识，提供开放的实践环境，引入多种教学方式。虽然取得了一定的教学成果，但仍需要长期的坚持和不断的完善。

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