侯恩广 梁雪双
山东交通学院 山东济南 250357
1 概述
电力电子技术综合了电力技术、电子技术和控制技术等多学科知识,是采用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,被广泛地应用于很多领域,例如交通领域、电力领域、能源领域等。为了满足社会和经济发展对电力电子技术应用型人才的需求,同时为了适应目前自动化专业及电气工程及其自动化专业的专业基础课程教学要求,笔者对电力电子技术课程进行了教学改革,探索总结出了多种教学手段和方法,不仅提高了学生的学习兴趣,而且也提高了电力电子技术课程的教学质量,为培养高职技术技能人才提供了保障。
2 “电力电子技术”课程现状分析
“电力电子技术”课程自开设以来,进行的相关教学改革研究虽然取得了一定的成绩,但同时也存在许多问题。
2.1 教学方式单一,不能激发学习积极性
“电力电子技术”课程当前主要存在着课程知识点多且杂、内容抽象、授课学时相对不足等教学现状。面对繁多复杂的知识点和有限的授课学时,为了全部传授给学生,大部分授课教师往往采用“填鸭式”的教学方式,即教师在课堂上以讲授知识点为教学的主要方式,学生们被动地接受内容,在知识点的讲解、分析、应用与实践等方面,难以对学生进行有效的引导,导致学生缺乏学习兴趣,因此参与课堂教学过程的积极性较低[1]。
2.2 课程内容落后,缺少科技前沿的技术内容
“电力电子技术”课程的授课内容往往是以所选用教材的知识点为主,容易忽略科技前沿的技术知识。在国家“碳达峰,碳中和”建设发展战略下,风、光、电、储等新能源飞速发展,作为新能源核心技术的电力电子技术已经上升到国家战略的高度,无论在技术材料,还是控制策略及方法,都取得了显着的成果。然而,目前大部分教材中相应的内容并没有及时更新和扩展,很少涉及最新的科技前沿技术知识和成果,所以,以目前教材所列知识点为教学大纲的授课方式,无法紧跟并匹配日新月异的科学技术[2]。
2.3 课程重点内容衔接不流畅
“电力电子技术”课程的教学重点内容主要是包括电力电子器件的结构原理、电力电子变换器拓扑电路结构和电力电子技术控制方法三个方面,且这三方面的内容构成了一个由简到繁、逐层递进的有机整体。
“电力电子技术”为专业必修课,学生们需要掌握扎实的基础课程,例如数字电子技术、模拟电子技术等,但是,实际的情况是基础理论知识的掌握水平参差不齐,在教学过程中,导师部分学生无法跟上教师的课堂授课节奏,难以与教师进行课堂互动,更难以实现“碳达峰,碳中和”背景下创新人才培养目标。
2.4 教学内容与实际应用结合度低
随着新型电力电子技术的快速发展,其在轨道中也在不断地推广应用。虽然电力电子器件都经历过从半控型器件晶闸管、全控型器件晶闸管及绝缘栅双极型器件晶体管的发展过程,但是,由于绝缘栅双极型器件晶体管(IGBT)属电压驱动的全控型器件,具有高开关频率,较低损耗,且自保护能力强,因此目前世界上无论是高铁、动车还是城市轨道电动车辆的电气系统中均采用了IGBT的功率模块。并且碳化硅、氮化镓等新材料开始了进一步的应用,这就要求教师及时补充轨道电气领域的新知识[3-6]。
2.5 教学过程中缺少思政元素
“电力电子技术”课程在教学过程中虽然注重了知识的讲授与传递,没有充分重视“课程思政”,没有深度挖掘专业课程在思政教育上的作用,缺乏针对“思政元素”的教学目标准备的教学内容、设计的教学环节、研究的教学方法,没有与“思政课程”形成同向同行的协同效应。
3 电力电子技术课程改革措施
本文针对“电力电子技术”目前存在的教学问题,开展“五位一体”电力电子技术教学改革,在理论教学的基础上,进一步提升实践应用。
五位一体教学改革图
3.1 课堂讲授法
对传统的讲授法进行优化,主要措施包括:
3.1.1 进一步完善教材内容
结合电力电子在轨道交通的发展新趋势,丰富教材元素,加入介绍前沿科技的相关内容。大学生是国家的未来,学生们的知识体系应该是最前沿的,学生们接触到的应该是最前沿的科学技术。
3.1.2 进一步优化仿真实践环节
在掌握理论知识的基础上,采用仿真软件,讲解仿真器件的选择,仿真模型的搭建,进行仿真实验,进一步加深对理论知识的理解。同时,通过仿真实验环节,培养学生求真严谨务实的学风,激发学生的学习兴趣。因此,在课程培养方案的制订上,应该进一步增加仿真实验的教学课时,并进一步加长仿真实验的时间,提高仿真实验的比重;在教学实践环节的设计上,教师应通过多种激励方式和方法,激发学生的求知欲和好奇心;在课程考核方式的制定上,细化完善考核的标准,建立健全课程考核的制度。
3.1.3 进一步完善作业布置和讲解环节
作业的布置需要考查不同侧重点,让学生们学以致用。教师在讲解作业时,仅仅依据电力电子技术内容是远远不够的,还应和前沿技术结合起来,通过作业以点带面,全面铺开,扩展学生的知识面。通过上述多种举措,不断完善“电力电子技术”课程的授课体系。
3.2 阶段性测试
阶段性测试是教师掌握学生学习情况的一个重要方法,阶段性测试的目的主要是检验学生对当前阶段所学知识的掌握情况,评估学生是否达到进行下一阶段学习的要求。同时发现学生在学习过程中存在的问题,找到解决这些问题的方法。
3.2.1 激发学习积极性的命题方式
简单易做、答案不易出错的基础试题可以增强学习困难的学生继续学好的信心,较难易错的题目可以提醒学习较好的学生仍需认真学习,仍有需要不断发展和完善的地方。通过这种命题方式,保障学生的考试成绩维持在相对合理或者较高的状态,有利于激励学生的求知兴趣,保持较高的积极性。
3.2.2 促进教学顺利进行
阶段性测试是为课程教学服务的,同时课程教学也反过来促进提升学生的测试成绩,只有将阶段性测试和课程教学有机结合起来,才能激发一加一大于二的化学效果。阶段性测试命题与课程教学内容的有机结合,阶段性测试为课程教学服务,使阶段性测试成为学生学习的指挥棒;课程教学为阶段性测试服务,进一步提升学生的学习积极性。
3.3 非固定答案(论文作业)
小论文作业对于学生来说,具有非常重要的意义,表现在以下方面:
(1)有利于学生学习方式的改革。本科教学虽说脱离了高中教学,但是在形式上还留有很重的痕迹。对于研究生来说,小论文的写作已经成为必修课程。我们在本科阶段一定程度地布置小论文作业,能够加速学生向研究生阶段的转变。
(2)有利于学生掌握基本知识,提高思想认识和培养综合能力。当学生对于某一些知识点不了解时,会主动地查阅文献资料,寻求答案,在寻求答案的过程中得到锻炼。
(3)有利于培养学生求真严谨务实的学风。在论文写作过程中,所用到的论据,必须经过严格的论证,要求学生必须实事求是,这对于培养学生求真严谨务实的学风有着十分重要的作用。
3.4 仿真操作
MATLAB软件中的SIMULINK工具包,提供了丰富的电力电子器件模块,具有强大的仿真计算能力,学生可以直接搭建仿真模型。新建SIMULINK仿真文件后,学生可以直接从相应的模块库里进行拖拽添加操作,根据电路原理结构进行连接即可搭建仿真模型。仿真模型的建立过程,一方面可以进一步加深学生对电力电子的器件及电路的理解;另一方面,电力电子技术的电路原理结构和输入输出波形的直观呈现,使学生的参与度得到进一步提升,积极性和主动性也得到进一步提高。同时,既降低了实验操作安全风险,也突破了实验场地的限制[7]。
引入MATLAB/SIMULINK虚拟仿真技术的实验,与传统的电力电子技术课程实验相比,通过仿真软件搭建的模型,可以非常直接地观测电压电流等波形,进一步提高了学生们的参与度,激发学生们的学习热情,更能提高电力电子技术的教学效果。学生在教师的引导下,根据理论知识,基于MATLAB/SIMULINK软件,亲手搭建仿真模型,修改调试模型结构,完善设计更综合的电力电子电路,对提高学生的创新能力非常有益。学生的参与度提高了,调试遇到的问题也增多了,在解决调试问题的过程中,学生发现问题、分析问题和解决问题的能力自然也有会所进一步提升。
3.5 代码生成及实物调试
为进一步培养学生的实践能力,采购了PTS-5000系列电力电子开发设计与实训系统,开展代码生成和实物调试,该系统以电路分析、设计、仿真、实验等过程进行问题导向学习,根据转换器规格进行量化设计其电力电路与控制器,并由PSIM仿真验证和SimCoder撰写程序过程,让使用者更深入地了解电力电子的相关技术。使用者可以通过PSIM软件,由仿真控制管道学习电力转换器的原理、分析及设计,还可以通过实训系统的SimCoder软件工具将模拟电路转换为数字电路,然后,将DSP的电路再做一次软件仿真验证,最后,将仿真通过的程序代码烧录于DSP芯片中,进一步验证所设计电路及控制系统的正确性。
3.6 融入思政元素
本文主要将工匠精神、爱国精神、责任担当、家国情怀、法治意识等思政元素融入“电力电子技术”教学中,在教学内容中加入高新技术产业的相关知识,从学生熟知的中国领先技术入手,使学生认识到电力电子技术在新能源、智能电网、智慧城市乃至其他社会应用中的重要性,了解中国电力电子装备技术的自主研发实力及取得的成就,激发学生的爱国情怀和文化自信,帮助学生树立科学的发展观,激发学生的家国情怀和奋斗精神[8]。
结语
本文通过研究分析“电力电子技术”课程的目前教学现状,针对教学过程中的问题,提出了“五位一体”的电力电子技术课程改革措施,并在每个环节融入思政元素,帮助学生们树立科学发展观,激发学生的家国情怀和奋斗精神,进而提高学生的积极性,提高学生的专业素质、综合应用能力和创新能力,帮助学生更好地了解行业需求,使其能够达到就业单位对本科生的要求。
