基于CDIO工程教育理念的“电力电子技术”课程教学改革与实践创新

摘要：随着高校教育的不断深化改革，为培养复合型工程技术人才，文章在CDIO工程教育理念的指导下，对电力电子技术课程的教学目标、教学内容、教学方法、教学手段、实践过程等方面进行了创新型改革与探索，提高了学生的学习兴趣，有利于培养学生的工程意识和创新能力。

关键词：CDIO模式;电力电子技术;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）40-0076-03

在高校电气工程专业中，“电力电子技术”是一门非常重要的专业必修基础课，主要研究电源的控制，指的是利用电力电子器件对电能进行变换和控制，横跨电力、电子和控制三个领域[1]，其内容变化之大、发展之快、应用之广以及新技术和知识点之多是该课程的主要特点。这门课程掌握得好坏程度，会决定后续相關专业课程学习的好坏，直接影响到学生动手创新能力的运用。因此进行该课程的教学改革，是十分必要且有实际意义的。

CDIO（Conceiving—Designing—Implementing—Operation）是国际工程教育与人才培养的创新模式，该模式强调综合创新能力、个体与社会协调能力的培育，更加关注工程实践能力的提升[2]。近年来逐渐被国内教育认可并广泛采用，为本课程的教学改革起到积极性的指导作用。

一、教学改革的主题思路

（一）目前课程教学存在的问题

电力电子技术课程的教学内容较多，很难在有限的学时内讲完。变流技术中基本电路按照电路结构、工作原理、波形分析和基本公式计算及应用进行讲解。其中工作原理不易理解，电路分析过程抽象，尤其是波形的动态变化过程，没有动态图辅助，学生很难整理清楚思路。此外，知识体系紧密，公式计算多且烦琐，有时计算复杂的内容需要借助高级的计算机运算，这要求学生的数学功底十分夯实。该课程在工程实际中有大量的应用，多数的知识重点内容与难点内容需要具体的工程实例讲解，学生才能听懂并明白其重要性。针对课堂存在的问题，采用当下流行的CDIO国际工程教育理念，可有效培养学生理论联系实际及工程创新的能力[3]。

（二）教学目标定位

电力电子技术是一门研究电源变换的课程，随着科技的发展，其技术广泛应用于电力、制造、机械等领域。教学过程中应积极探索本课程纵深向多门课程贯通的发展，力求基础和前沿并重发展，优化、精简课程内容，突出重点、难点，制定合适的教学目标，以培养出知识面较全面、创新能力和实践能力强的技术人才。

（三）教学方法及教学手段改革

教学方法要多样化，例如引入活动探究法、直观演示法、知识迁移对比法、案例教学法、讨论分析法、系统教学法等。把这些教学方法按照“提出问题—分析问题—解决问题—总结问题—迁移应用”的思路最后归纳出“认知、学习、应用、总结、提高”五层次教学模式：在“认知”模块中，难于理解的知识点尽量利用多种方式进行生动化的展示，如图表形式、动画形式、视频形式等，充分激发学生兴趣，营造积极向上的学习氛围;在“学习”模块中，通过多媒体课件传统讲解，配合多种方式的教学方法，结合仿真软件观测电压电流波形的变化，使学生掌握电力电子技术的基础理论知识;在“应用”模块中，通过组织学生讨论实际案例，对实际问题进行分析，培养学生自行解决讨论问题的能力;在“总结”模块中，运用系统归纳法，将知识点进行串接，使得学生能够全面、系统地建立知识架构;在“提高”模块中，利用问题导向法，将理论和实践完全结合，提高学生的综合素质[4]。

二、创新型教学改革实践

（一）优化整合课程内容，提高课程的综合化程度

把电力电子技术看成是一项系统工程，就课程本身进行全面、系统、科学的研究。该课程的主要内容应以电力电子器件为核心，以四种变流技术和两种控制方法为基础，以四类变换器的应用为目标，兼顾当前电力电子技术的发展[4]，同时考虑课程学时、数目的限制，通过与往届毕业生交流沟通，咨询调查行业职能的实际要求，认真听取建设性意见，结合应用实际精选教学课程内容，进而优化、整合课程内容，突出重难点，详略得当，使得课程内容具有科学性和新颖性，充分体现先进的教学理念，兼顾知识与能力的培养，切实提高该课程的教学质量。

（二）借鉴其他高校的教学模式

通过外出调研的机会，与疆外其他高校教电力电子技术课程的教师沟通交流教学经验，对比分析自身缺陷，对该课程进行教学改革。调研分析，大部分高校的电力电子技术课时数目相近，少的安排有48学时，多的达到56学时。普遍反映都是课时少、内容多。任课老师需要精选备课，认真选取教学案例及素材，使课程教学内容与专业相结合，合理安排课程及主要教学内容，体现该课程的价值。各高校在该课程的教学中，多数都采用案例式教学，针对电力电子技术涉及的相关其他课程的应用列举大量的工程实例，重视每种变换电路的应用，尤其是在电力系统中的应用介绍。具体章节上普遍认为第二章电力电子器件关于动态特性可不必占用过多的课堂时间，会应用电气电子器件，能够掌握基本特性即可。第二章电力电子技术课与第九章电力电子器件的驱动保护等内容合并讲解，重点掌握晶闸管、MOSFET、IGBT。第三章至第六章的课程核心内容的四大变换电路中重点掌握整流电路和逆变电路，控制方法。第七章PWM控制技术重点与逆变电路结合讲解。第十章电力电子技术的应用，个别学校有组织学生自学，或开展讨论课程等形式，多数教师是自己插编入相应变换电路中进行实例讲解。实验方面，各高校都配有实验室，完成相关基础验证实验。个别高校将实验分为基础、创新和探究型。局域实践课时安排，部分实验设为学生自主、自愿选择。

（三）与相关企业联系，搜集教学素材

结合往届电气专业毕业生的去处，到学校所处的新疆区域中相关生产一线的发电企业及地方的国家电网等单位进行调研，了解社会对电力电子技术课程的要求，搜集经典案例，注重教学内容与其他课程的交叉性，调整授课结构，整理上课的主线脉络。调研结果反映，电力电子技术广泛应用于电力系统、光伏电站等，因此学生在学校期间应夯实基本的理论，具备灵活的实践能力，以为学生从事相关工作打下基础。当前，随着电力电子器件的不断更新，技术的先进发展，呈现出自动化、集成化、绿色化和智能化的发展趋势。因此，器件设备的控制技术不易掌握。目前除个别核心技术被垄断、出故障需厂家维修外，要求工作人员具备查错、纠错的能力。通过到相关企业单位调研，可以搜集实际应用案例，收集拍摄相关的素材，后期通过整理形成先进的教学材料运用到教学中[5]。这样学生就能明白如何将课堂的知识点应用于实际系统中，有利于学生加深对理论的理解，真正地掌握课本知识，增加学习兴趣，提高学习效率。

（四）对毕业设计中涉及电力电子技术的选题进行问卷调查

电力电子技术课程开设在学生的第5学期，专门以本院电气化专业学生为例，选取近两年涉及电力电子技术的毕业设计选题进行问卷调查与实证分析，对学生对该课程的评价及毕设中所体现的课程发展趋势与思路进行对比与总结，最后结果显示，总体上逐年提高了这两年电力电子技术课程所选的毕业设计课题的典型性、综合性和可行性，逐步提升了工作量和难易度，综合反映了学生的专业综合素养有了一定的提高。

（五）将科研竞赛成果引入教学中

大部分教师都主持或承担了与课程相关的科研项目，或多或少地运用到了电力电子技术中的电源变换内容。此外，电气专业的学生在参加全国大学生电子设计电源类竞赛、“挑战杯”、全国大学生智能汽车竞赛、全国大学生机器人大赛、全国节能减排大赛等比赛中都要涉及变流技术的基本理论。因此在教学中，可以结合科研项目以及学生大赛的优秀作品案例，给学生介绍具体的案例及应用，现身说法，引起学生对该课程的学习兴趣，激发他们向榜样学习的欲望，促使学生本身愿意去学。

三、基于CDIO工程教育理念的《电力电子技术》课程的实践创新

在CDIO（构思—设计—实施—运行）工程教育理念的指导思想，对电力电子技术进行课程实践的创新改革，以期强化并培养学生的工程设计、实践和创新等综合应用能力[6]。为拾级而上、循序渐进、渐次提升学生的实践技能和创新意识，将创新能力的培养融入大学教育的每个环节、每个项目中，因此需要全力打造创新实践教学平台建设。创新实践教学平台建设包括校内平台建设和校外平台建设两部分。校外实践教学将充分依托阿拉尔光伏发电站，为学生提供学习平台。在本课程学习末期，带领学生参观阿拉尔光伏电站，结合光伏发电系统的实物实际情况，把从发电、输送电到最后给用户供电的相关电力系统知识对学生进行系统梳理，加强专业综合能力的培养。

校内平台计划采用“专业验证实验+综合实验+虚拟实验”的建设模式。其中专业实验结合我校电气化专业的电力电子实验室对课程基础实验进行验证，并观测波形，让学生比对通过实验实际元件得到的波形与课本理论波形，从而使其有一个更为清楚的认识，以便于打好学生的理论基础[7]。综合实验属于多知识点融合的能力训练，以知识、能力、素质为教学目标，根据专业技术人才培养目标与职业资格标准要求，将教学的重点知识穿插到电力四大变换器的项目中进行实战演练，如精选的调光灯电路、晶闸管-电机调速系统等典型项目。调光灯电路实验项目是基于单结晶体管的触发电路，采用双向晶闸管调控，综合应用电力变换中的AC-DC和AC-AC;开关稳压电源实验项目是把电源流出的交流电经整流变成直流，滤波后经稳压供给用户，在生活中应用广泛;晶闸管电机调速，在单闭环的基础上逐步升级为双闭环，保证了调速的可靠性……实验项目的设立是为了引导学生主动探索电力电子技术相关知识和技能，全面锻炼学生能力;虚拟实验是基于MATLAB仿真软件，可完成典型电力电子电路的虚拟设计、虚拟试验以及波形观测[7]。通常虚拟实验是结合着综合实验一起进行的，在设计电路仿真通过的前提下进行综合实验，能够有效提高实验成功率。此外，校内平台的搭建还为学科研究做了铺垫，对于有能力的学生，可以自己设计主电路的拓扑结构、计算电路参数，选择电子元件，仿真软件验证，最后焊接调试[8]。这样学生有机地将学习的理论基础与实践相结合，不仅加深了对理论的理解，还锻炼了实际的工程应用能力，一举多得;这也为学生提供了良好的锻炼平台，有效地提高了学习效率，更能为相关的学科竞赛做好扎实的准备。

四、结束语

通过基于CDIO工程教育理念的《电力电子技术》课程教学改革与实践创新，积极探索将理论与实践相结合，实现该课程与专业的有机结合，扩展学生视野，激发学习兴趣，促使其将知识不断内化成能力，不断提高工程应用能力，以期培养成符合社会需求的复合型人才。

参考文献：

[1]邓娜.基于工作过程的《电力电子技术》课程建设探索[J].开封大学学报，2011，25（01）：81-83.

[2]胡志刚，任胜兵，陈志刚等.SE-CDIO工程教育模式的探索与实践[J].高等工程教育研究，2010，6：20-28.

[3]谢清明.论CDIO培养模式的教育理论基础[J].教育与职业，2010，（26）：184-185.

[4]任亚军.“电力电子技术”课程教学改革的设计与创新[J].电大理工，2011（03）：63-64.

[5]王宪磊，王伟，裴玖玲，张洪洲，刘润泽，范修文.机械类专业自动控制原理创新型教学改革与实践[J].高教学刊，2016，（07）：132-133.

[6]陈立芳，王维民，张娅，段成红.基于装备发展新趋势的工程实践能力培养[J].化工高等教育，2018，35（01）：62-66.

[7]刘丽萱，钱步仁，张萍，魏学良.《电力电子技术》课堂教学及实验教学模式改革探索[J].教育教学论坛，2014，（15）：34-36.

[8]焦竹青，何宝祥，彭翠云.“电力電子技术”课程差别化教学模式探索与分析[J].中国电力教育，2012，（09）：55-56.

推荐访问:教学改革 电子技术 教育理念 实践 电力