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摘要: 课程建设与改革是提高教学质量的核心，也是教学改革的重点和难点。电力电子技术作为自动化专业的核心专业基础理论课程，工程实践性很强,具有鲜明的时代特征，其相应的教法改革必须与时俱进的。本文针对国外内高校在电力电子技术方面的教育现况作较为全面的分析和比较,并提出了相关加强我国高校的电力电子技术教学改革的参考建议。
关键词:电力电子;高校教学;教学改革
0引言
学术角度上所称的电力电子学（Power Electronics）是在上世纪60年代出现的，在工程技术角度上称为“电力电子技术”。它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成。电力电子作为一项新兴技术,在生产生活的各个领域受到人们越来越多的关注。特别是随着各种新型功率电子器件的诞生,使电力电子设备的性能得到不断提高;计算机技术的飞速发展大大提高了电路设计和仿真的效率;全球性的能源危机使人们的目光开始转向环保型能源,如太阳能、风能,不同形式的能量之间的转换也必须依赖电力电子技术。这些因素都为电力电子技术的应用和发展提供了良好的契机。
目前我国高等教育部门均已意识到加强电力电子技术专业教育的重要性。为了促进我国高校电力电子技术教学的改革和发展,已在电力电子教材内容和课程内容的设置、课程体系设置、实验室建设和教学方法方面有所改进。旨在使学生具备必要的专业知识的同时，培养学生运用专业知识的能力。
1 国内外高校本科电力电子技术教材内容和课程内容的设置
国内外高校本科教育电力电子技术教材内容和课程内容设置的比较见表1 。
通过以上内容比较可以看出,国内的本科教材通常是在介绍电力电子开关器件的基础上,对各种交、直流电能变换电路的结构和工作原理进行分析,并涉及一些简单的软开关技术。国外教材则更注重介绍电力电子技术的实际应用,如:高频开关电源、小型荧光灯镇流器、感应加热、电力电子技术在电力、交通、工业企业中的应用等,这是我国教材应向国外同行学习,加以改善的方面。
明尼苏达大学在电力电子课程的授课和实验中采取了一种新的教学方法———基于Building Block的教学方法。所谓Building Block ,是一个双口开关模块( switching pole) ,如图1 所示。该模块可以作为各种不同结构、功能的变换器的基本组成部分,利用Building Block 可以构成Buck ,Boost ,Buck2Boo st ,Flyback , Forward 等变换器,三个这样的模块还可以构成用于控制三相交流电机的开关模式逆变器。该课程首先讲述Building Block ,为描述不同类型变换器的拓扑结构提供了一个共同的基础,在分析其他变换器的过程中直接利用Building Block的分析结果,简化了变换器的分析过程。
图1
Fundamental s of Power Elect ronics 教材的一大特色是从电路设计的角度入手,介绍如何根据所要实现的电路功能设计电路结构,选择功率电子器件,注重建立各种不同结构的DC - DC 变换器的内在联系,而不仅仅是对各类功率电子器件和各种电路结构的孤立分析。该教材的另一大特色在于引入了为各种结构电力电子电路建模的方法,包括直流稳态模型和交流小信号模型,并强调小信号分析和控制等系统分析与设计的概念。这种从电力电子电路设计的角度入手,将电力电子技术的基础知识有机结合起来的编写思路十分新颖,且实用性强。
2 电力电子技术课程体系设置
电力电子技术多作为工业自动化、电气自动化等专业的专业必修课,所学内容为电力电子技术的基础知识,国内外大学在这一课程设置上差别不大。在硕士和博士生教育阶段,研究生们开始系统地学习电力电子的专业知识,对电力电子技术的各研究领域单独设课,以使研究生们的专业知识更加深入,为日后的课题研究和科研做好准备。
我国浙江大学硕士生的电力电子与传动课程设置如下 :
现代电力电子电路、现代电力电子器件、电力电子系统的建模与控制、现代电力无源元件及其应用、电力电子系统的电磁兼容( EMC) 设计基础、电力电子系统CAD、电力电子电路设计、电机传动技术及其应用、计算机实时控制、数字信号处理(DSP) 理论及应用、应用电力电子。
系统和设计的思想贯穿课程设置的全过程。通过这一系列课程的学习和训练,使研究生们对电力电子的专业知识有全面、系统、深刻的把握。
在欧洲,丹麦Aalborg 大学的课程设置更加与众不同。针对电力电子专业新技术不断涌现、知识更新快的特点,该大学采用了独特的Problem2basedand Project2oriented 的学习方法 。学生从第5学期开始,每学期都要在导师的指导下,与同学合作完成一个课题(project ) ,部分课程的设置则是针对课题研究安排的,包括课堂教学、讲座、讨论等多种形式,以实现教学内容与新技术发展紧密結合的目的。
课程设置和课题举例见表2 。
每学期一课题的教学方法是Aalborg 大学的特色。每学期初,在搜集资料和讨论的基础上,学生首先对需要研究的问题进行问题分析,限定研究范围,确定课题题目,制定工作计划,然后学生通过查阅文献资料、听讲座、小组讨论、接受导师指导,实地考察、仿真和实验等各种方法解决问题,进行课题研究。课题研究结束时每个课题组需要提交一个50～200 页的课题报告。考试采用答辩的方式,每个学生作一个与课题相关的专题报告,并回答导师的提问,与反对意见展开辩论。这种课程设置方式培养了学生带着问题进行学习、通过学习解决问题的能力,同时在小组课题研究的过程中还锻炼了学生与人交流(书面、口头) 的能力、团队合作精神、项目的组织与管理能力等,直接面向企业和科研机构,培养实用型人才。
3 实验室建设
目前我国高校的电力电子实验中,需要学生在实验室中自行操作的实验多为验证性实验,允许学生自行设计的部分较少,灵活性不足,明尼苏达大学的基于Building Block 的教学和实验方法很值得我们借鉴。网络电力电子实验更是受到资金、技术等因素的制约,能提供网络实验的高校还是少数,但应将网络实验作为未来的发展方向。
4 教学方法改革
利用新的教学方法提高学生对电力电子课程的兴趣,也被视为电力电子教学改革的重要手段。迅速发展的信息技术和网络技术不仅被应用于实验室建设,同时也被广泛作为课程教学的新方法。国内外许多大学都已开发出电力电子的网上授课内容,并以多媒体的形式呈现给学生,以下挑选了国内外几所大学建立的电力电子网上授课项目作简要介绍,其中以瑞士的iPES 最为著名。各项目网址见参考文献。
5 对高校电力电子教学的几点建议
通观国内外高校电力电子教学现状,有很多值得我们学习和借鉴的新方式、新方法,在我国的电力电子教育改革中,笔者认为应注意以下几方面:
1) 建立系统的观念。在教材编写与课程内容组织的过程中,从电力电子系统的观点出发,将相关知识有机融合起来,避免将各种电力电子器件、各种结构功能的电路作孤立讲解,同时加强系统控制方面的内容。
2) 注重电力电子电路的设计,培养学生的电路设计思想和能力。从电路设计的角度出发组织电力电子技术的教学内容,也是一个很好的教学方式。
3) 课堂教学、仿真、实验并重。在课堂教学中引入各种先进的教学手段,在实验室中引入先进的仿真软件,同时下大力气建立电力电子技术实验室。通过各种实验电路搭建一个完整的电力电子系统,应是实验室的基本功能,而不仅仅是对各种功能电路的验证。
4) 在研究生教学中,为了跟上电力电子技术快速发展的步伐,仅仅讲授教材中的内容是不够的,应采取讨论、讲座、专题报告等各种形式,使学生对电力电子的前沿技术有所把握,为学生未来的科研与工作打好基础。
5) 积极开展电力电子及相关课程的网上教学,用动画、多媒体等先进手段展示电力电子的课程内容,提高学生的学习兴趣。通过交互式网页设计使学生主动参与到学习过程中来,提高教学效果。
6)加强考核方式改革，培养学生自主学习能力。考核是教育测量的工具，不仅是对学习成绩的评定，更重要的是对学习习惯的培养和学习方向的引导。考核方式改革就是培养学生主动学习的习惯。
6 结论
本文对国内外高校的电力电子技术教育现状进行了综合阐述，并结合笔者的教学经验，提出了“高校电力电子教学”课程教学的改革理念。主张从事“高校电力电子教学”者应不断跟新教学观念和教学内容，探索新的教学方法和手段，取长补短，紧跟时代步伐以提高教学质量。更好地为学习“电力电子学”的高校院校学生服务。最终达到提高学生综合素质的目的。
参考文献：
1．陈坚，赵玲编．《电力电子技术及应用》（电气工程及其自动化专业函授专升本教材）．北京：中国电力出版社，2006.1
2．曹丰文，刘振来，祁春清，编著．电力电子技术基础．北京：中国电力出版社，2007.8
3．汤建新，马皓编著．电力电子技术实验教程．北京：机械工业出版社，2007.3
作者简介：麦兆昌（1981-），男，广东顺德人，助工，本科，主要从事机电控制与电气自动化方面的研究。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:电力电子;高校教学;教学改革
0引言
学术角度上所称的电力电子学（Power Electronics）是在上世纪60年代出现的，在工程技术角度上称为“电力电子技术”。它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成。电力电子作为一项新兴技术,在生产生活的各个领域受到人们越来越多的关注。特别是随着各种新型功率电子器件的诞生,使电力电子设备的性能得到不断提高;计算机技术的飞速发展大大提高了电路设计和仿真的效率;全球性的能源危机使人们的目光开始转向环保型能源,如太阳能、风能,不同形式的能量之间的转换也必须依赖电力电子技术。这些因素都为电力电子技术的应用和发展提供了良好的契机。
目前我国高等教育部门均已意识到加强电力电子技术专业教育的重要性。为了促进我国高校电力电子技术教学的改革和发展,已在电力电子教材内容和课程内容的设置、课程体系设置、实验室建设和教学方法方面有所改进。旨在使学生具备必要的专业知识的同时，培养学生运用专业知识的能力。
1 国内外高校本科电力电子技术教材内容和课程内容的设置
国内外高校本科教育电力电子技术教材内容和课程内容设置的比较见表1 。
通过以上内容比较可以看出,国内的本科教材通常是在介绍电力电子开关器件的基础上,对各种交、直流电能变换电路的结构和工作原理进行分析,并涉及一些简单的软开关技术。国外教材则更注重介绍电力电子技术的实际应用,如:高频开关电源、小型荧光灯镇流器、感应加热、电力电子技术在电力、交通、工业企业中的应用等,这是我国教材应向国外同行学习,加以改善的方面。
明尼苏达大学在电力电子课程的授课和实验中采取了一种新的教学方法———基于Building Block的教学方法。所谓Building Block ,是一个双口开关模块( switching pole) ,如图1 所示。该模块可以作为各种不同结构、功能的变换器的基本组成部分,利用Building Block 可以构成Buck ,Boost ,Buck2Boo st ,Flyback , Forward 等变换器,三个这样的模块还可以构成用于控制三相交流电机的开关模式逆变器。该课程首先讲述Building Block ,为描述不同类型变换器的拓扑结构提供了一个共同的基础,在分析其他变换器的过程中直接利用Building Block的分析结果,简化了变换器的分析过程。
图1
Fundamental s of Power Elect ronics 教材的一大特色是从电路设计的角度入手,介绍如何根据所要实现的电路功能设计电路结构,选择功率电子器件,注重建立各种不同结构的DC - DC 变换器的内在联系,而不仅仅是对各类功率电子器件和各种电路结构的孤立分析。该教材的另一大特色在于引入了为各种结构电力电子电路建模的方法,包括直流稳态模型和交流小信号模型,并强调小信号分析和控制等系统分析与设计的概念。这种从电力电子电路设计的角度入手,将电力电子技术的基础知识有机结合起来的编写思路十分新颖,且实用性强。
2 电力电子技术课程体系设置
电力电子技术多作为工业自动化、电气自动化等专业的专业必修课,所学内容为电力电子技术的基础知识,国内外大学在这一课程设置上差别不大。在硕士和博士生教育阶段,研究生们开始系统地学习电力电子的专业知识,对电力电子技术的各研究领域单独设课,以使研究生们的专业知识更加深入,为日后的课题研究和科研做好准备。
我国浙江大学硕士生的电力电子与传动课程设置如下 :
现代电力电子电路、现代电力电子器件、电力电子系统的建模与控制、现代电力无源元件及其应用、电力电子系统的电磁兼容( EMC) 设计基础、电力电子系统CAD、电力电子电路设计、电机传动技术及其应用、计算机实时控制、数字信号处理(DSP) 理论及应用、应用电力电子。
系统和设计的思想贯穿课程设置的全过程。通过这一系列课程的学习和训练,使研究生们对电力电子的专业知识有全面、系统、深刻的把握。
在欧洲,丹麦Aalborg 大学的课程设置更加与众不同。针对电力电子专业新技术不断涌现、知识更新快的特点,该大学采用了独特的Problem2basedand Project2oriented 的学习方法 。学生从第5学期开始,每学期都要在导师的指导下,与同学合作完成一个课题(project ) ,部分课程的设置则是针对课题研究安排的,包括课堂教学、讲座、讨论等多种形式,以实现教学内容与新技术发展紧密結合的目的。
课程设置和课题举例见表2 。
每学期一课题的教学方法是Aalborg 大学的特色。每学期初,在搜集资料和讨论的基础上,学生首先对需要研究的问题进行问题分析,限定研究范围,确定课题题目,制定工作计划,然后学生通过查阅文献资料、听讲座、小组讨论、接受导师指导,实地考察、仿真和实验等各种方法解决问题,进行课题研究。课题研究结束时每个课题组需要提交一个50～200 页的课题报告。考试采用答辩的方式,每个学生作一个与课题相关的专题报告,并回答导师的提问,与反对意见展开辩论。这种课程设置方式培养了学生带着问题进行学习、通过学习解决问题的能力,同时在小组课题研究的过程中还锻炼了学生与人交流(书面、口头) 的能力、团队合作精神、项目的组织与管理能力等,直接面向企业和科研机构,培养实用型人才。
3 实验室建设
目前我国高校的电力电子实验中,需要学生在实验室中自行操作的实验多为验证性实验,允许学生自行设计的部分较少,灵活性不足,明尼苏达大学的基于Building Block 的教学和实验方法很值得我们借鉴。网络电力电子实验更是受到资金、技术等因素的制约,能提供网络实验的高校还是少数,但应将网络实验作为未来的发展方向。
4 教学方法改革
利用新的教学方法提高学生对电力电子课程的兴趣,也被视为电力电子教学改革的重要手段。迅速发展的信息技术和网络技术不仅被应用于实验室建设,同时也被广泛作为课程教学的新方法。国内外许多大学都已开发出电力电子的网上授课内容,并以多媒体的形式呈现给学生,以下挑选了国内外几所大学建立的电力电子网上授课项目作简要介绍,其中以瑞士的iPES 最为著名。各项目网址见参考文献。
5 对高校电力电子教学的几点建议
通观国内外高校电力电子教学现状,有很多值得我们学习和借鉴的新方式、新方法,在我国的电力电子教育改革中,笔者认为应注意以下几方面:
1) 建立系统的观念。在教材编写与课程内容组织的过程中,从电力电子系统的观点出发,将相关知识有机融合起来,避免将各种电力电子器件、各种结构功能的电路作孤立讲解,同时加强系统控制方面的内容。
2) 注重电力电子电路的设计,培养学生的电路设计思想和能力。从电路设计的角度出发组织电力电子技术的教学内容,也是一个很好的教学方式。
3) 课堂教学、仿真、实验并重。在课堂教学中引入各种先进的教学手段,在实验室中引入先进的仿真软件,同时下大力气建立电力电子技术实验室。通过各种实验电路搭建一个完整的电力电子系统,应是实验室的基本功能,而不仅仅是对各种功能电路的验证。
4) 在研究生教学中,为了跟上电力电子技术快速发展的步伐,仅仅讲授教材中的内容是不够的,应采取讨论、讲座、专题报告等各种形式,使学生对电力电子的前沿技术有所把握,为学生未来的科研与工作打好基础。
5) 积极开展电力电子及相关课程的网上教学,用动画、多媒体等先进手段展示电力电子的课程内容,提高学生的学习兴趣。通过交互式网页设计使学生主动参与到学习过程中来,提高教学效果。
6)加强考核方式改革，培养学生自主学习能力。考核是教育测量的工具，不仅是对学习成绩的评定，更重要的是对学习习惯的培养和学习方向的引导。考核方式改革就是培养学生主动学习的习惯。
6 结论
本文对国内外高校的电力电子技术教育现状进行了综合阐述，并结合笔者的教学经验，提出了“高校电力电子教学”课程教学的改革理念。主张从事“高校电力电子教学”者应不断跟新教学观念和教学内容，探索新的教学方法和手段，取长补短，紧跟时代步伐以提高教学质量。更好地为学习“电力电子学”的高校院校学生服务。最终达到提高学生综合素质的目的。
参考文献：
1．陈坚，赵玲编．《电力电子技术及应用》（电气工程及其自动化专业函授专升本教材）．北京：中国电力出版社，2006.1
2．曹丰文，刘振来，祁春清，编著．电力电子技术基础．北京：中国电力出版社，2007.8
3．汤建新，马皓编著．电力电子技术实验教程．北京：机械工业出版社，2007.3
作者简介：麦兆昌（1981-），男，广东顺德人，助工，本科，主要从事机电控制与电气自动化方面的研究。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。