电力电子技术的实验教学创新及运用

随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展速度，改变着我国工业的整体面貌。电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件（如晶闸管、GTO、IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。[1]电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及电路。[2]

利用这些电路，根据应用对象的不同组成各种用途的整机称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。由此，“电力电子技术”课程对于电子信息工程专业以弱电为主要学习对象的学生来说具有一定的难度，该专业的学生学习“电力电子技术”实验课程总觉得索然无味，一堂课学下来迷茫如初。笔者针对这一问题进行了多年的“电力电子技术”实验课程教学探讨与改革，对其教学方法和内容进行了研究和实验。

一、“电力电子技术”实验教学中存在的问题

“电力电子技术”课程是一门基础课程，也是实验性很强的一门课程，其实验环节占据十分重要的地位，但是目前的实验教学存在很多问题。

1.教学内容模式化，综合性、设计性实验缺乏

目前，“电力电子技术”所开实验都为验证理论课程中的一些原理电路，例如：单相桥式全控整流电路的验证；三相桥式全控整流电路的验证。[3]即80%的实验都为验证性实验，是为验证理论书中的某个原理电路图而开设，不能激发学生的创新、设计的欲望，只为实验而实验，从而使学生的学习主动性极低，没有达到综合运用知识的目的，导致毕业生“原始创新活动少，模仿性创新不多，高水平的创新成果更少”。[4]

2.综合性实验平台缺乏

“电力电子技术”实验室一般采用的实验设备比较陈旧，目前所使用的元件大部分为半控型器件晶闸管，很少用到全控型器件，同时缺乏综合性实验平台，这就导致教学工作与工程实践脱节，很多学生走向工作岗位后感觉课堂上学的内容不能服务于工作。基于以上分析，实验教学过程中学生只为实验而实验，没有充分调动他们学习的主动性、创新性，不利于他们的就业。因此，为了提高“电力电子技术”实验课程的学习效率，该课程的改革势在必行。

二、“电力电子技术”实验教学改革的基本思路

结合电力电子技术基础的课堂教学内容以及“电力电子技术”课程特点，实验教学内容必须包括电力电子器件工作原理、基本电力电子电路原理、典型电力电子系统应用等，在每个实验内容选择、设计以及实验指导等环节上，必须坚持以培养学生的实践能力、理论与实践相结合为宗旨的实验教学理念，使学生既动手又动脑，能充分调动学生综合运用所学课程知识的积极性，同时丰富工程实践知识，并且能够培养学生的创新能力和综合能力，提高他们应用理论知识解决实际问题的能力。

1“.电力电子技术”实验教学平台的改革

由于电力电子技术是一门弱电控制强电的技术，对于初次接触该门实验课程的学生来说操作起来具有很大难度，操作不当对元器件的影响也是可想而知的，特别是弱电和强电的接口部分。现在大部分的电力电子实验室设备基本能够满足验证性实验的需要，但是综合性设计性实验就有待提高了。所以为了培养学生的实践技能、动手能力和分析问题解决问题的能力，在实验室中不仅可以做基本原理实验，同时也能开设综合、设计性实验，在电力电子实验台中可以配置电脑，对于综合性、设计性实验可以利用MATLAB/Simulink仿真软件对电力电子技术实验进行仿真。MATLAB是矩阵（Matrix）和实验室（Laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的要求，现已成为大学教学和科研中最常用且必不可少的工具。[5]目前MATLAB已推出了MATLAB6.5及以上版本。MATLAB提供的动态仿真工具Simulink可以有效地对系统进行建模，由于仿真过程是交互式的，可以灵活改变仿真参数，并且可以立即得到修改参数后的仿真结果。[6]在电力电子领域通常利用Simulink建立电力电子装置的简化模型并连接成系统，即可直接进行控制器的设计和仿真，这样可以弥补模拟实验设备的不足，同时又能在基础实验台中开设综合性、创新性实验，降低了实验成本，减少实验室的投入，同时又提高了学生综合运用知识的能力。

2.在“电力电子技术”实验中开展研究性教学

自1916年美国教育家杜威在《民主主义与教育》一书中创立了“问题教学法”之后，他的学生克伯屈依据其“从做中学”的教育思想创建了“设计教学法”，研究性教学法遂成为欧美国家综合性实践类课程的主要教学方法。在我国，为落实《2003～2007年教育振兴行动计划》，实施高等学校教学质量与教学改革工程，教育部于2005年在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中提出，要“积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”，[4]要求高等学校在验证性实验的基础上为提高学生综合运用所学知识的能力增加综合性与创新性实验，积极推进讨论式教学、案例教学等教学方法和合作式学习方式，提高学生自主学习和独立研究的能力。[7]研究性教学以来自实践的真实问题为基础，让学生在接近真实的情境中学习。研究性教学旨在培养学生的学习能力、解决问题的能力、团队合作能力和创新能力，通过这些能力的培养能增强学生对未来工作的适应能力。其核心问题是如何充分发挥学生在学习过程中的主动性、积极性和创造性，变被动学习为主动学习，但其着力点却是变革教师的教学思想、观念、策略和方法，使教师由普通意义上的传授者、灌输者转变为促使学生主动学习的组织者、指导者、帮助者和促进者。因此，可以说研究性大学开展研究性教学对创新型人才的培养具有重要的意义。在“电力电子技术”实验中为了突破以验证性实验为主的实验教学模式，可以将实验划分为由易到难的三个层次：基本实验、课程设计、创新研究课题。学生在理解和实践基本实验的同时参与课程设计、创新研究课题，在设计和创新中发现问题，促使学生需要自学一些内容才能理解和自主设计课题的方案，对于培养学生自主学习和独立设计的能力、分析问题和解决问题的能力具有重要意义。同时在某一个课题中可能跨一门课内容或多门课的相关内容，使学生将所学课程有机整合起来，使他们的知识结构更加系统化，这样有利于学生工程实践能力和综合能力的提高。

3“.电力电子技术”实验实行开放性教学

由于“电力电子技术”传统实验内容确定，方法单一，实验过程程序化，在某种程度上学生只能机械地按图索骥，这样的实验教学模式不利于学生形成良好的学习习惯，也阻碍了学生创新思维的形成。[8]而开放性教学可以让学生自己拟订实验方案、制订实验步骤，独立地通过实验的观察和分析去探索研究。但是由于“电力电子技术”实验课程的特点，电力电子技术实验室开放存在很多困难，因为学生的基本实验技能有限，如果任何一个实验都作为开放实验放手让他们操作，仪器、元件故障发生率会比较频繁，同时由于学生仪表操作不规范，仪器、元件设备烧损也不可避免，这使得实验正常开放困难重重，同时对实验经费提出了更高的要求，这些问题对开放实验是不利的。[9]同时开放实验主要是为有探索要求的学生而开设，所以实验室为了避免在开放实验中上述问题的发生，实验可以采取由易到难的模式：首先是每个学生都必须参与的传统实验模式，其次是对有兴趣想做设计性、探索性实验的学生提供模拟实验环境，最后是对有极强实践要求的学生，在其通过MATLAB/Simulink仿真软件仿真实验成功之后提供实验室，在实验台上完成他们仿真成功的设计方案。[10]这样一套循序渐进三级模式实验可以满足不同需求学生的学习需要，对“电力电子技术”实验室开放也提供了可行性方案，在提高实验室实验台利用率的同时也能提高实验室的教学效率。

三、结束语

本文针对目本文针对目前大学本科阶段“电力电子技术”实验教学的特点和存在的问题进行了分析，提出了“电力电子技术”实验教学改革的方向，即改革教学平台，开展研究性教学，同时对主动积极学习的学生提供实验开放教学。这些行之有效的方法必将对“电力电子技术”实验教学改革产生深远的影响，有助于本专业学生人才素质的提高。