电子实验教学实践效果

本文作者：李旭春 王春凤 单位：清华大学自动化系

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是一门迅速发展的新兴交叉学科。“电力电子技术基础”课程是高等院校电类自动化、电气工程及其自动化和工业电气自动化等专业的重要的基础课。目前，在全国高校中，普遍存在着该课程的课时较少、实验教学环节薄弱等问题，以清华大学自动化系为例，课内学时仅为32学时，实验教学6个学时。在有限的学时内，合理安排课堂教学和实验教学内容、改进教学方法、配备良好实验教学环境，对提高学生学习的兴趣及掌握电力电子技术的基本内容、培养学生的理论联系实际以及创新能力，提高教学效果都有着重要意义［1－4］。

1课堂教学的主要内容和方法

1．1课程特点和课堂教学的主要内容电力电子技术和信息技术发展迅猛，全控型器件及其脉宽调制（PWM）技术以其优越特性，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。目前，在电力电子器件方面，国内的高等院校中，大多数采用以全控型器件为主要内容的课堂教学［5－8］。主要的教学内容有：电力MOSFET、IGBT、GTR、晶闸管和功率集成电路等电力电子半导体器件及相关器件或电路的特性、工作原理和使用方法；电路中强弱电接口、驱动和保护等措施；各种电能变换基本电路的工作原理、应用条件和分析方法；PWM技术、软开关技术等控制方法。另外，增加了应用实例及分析，以及对实际工程方法和相关知识的介绍，因为后续的整流电路多以晶闸管整流电路为实例，其他教学内容中也不同程度地涉及到晶闸管，所以，关于半控型晶闸管器件的内容，我们安排了一定的学时。为提高教学效果和有利于学生学习，除主教材外，我们还编写了“补充讲义”，向学生提供了教学内容和要求、课程的知识单元与知识点、教学课件的使用说明、与教学内容有关的参考文献和附录等内容。课件的组织和编排尽量保证课程教学内容的完整性，根据教学内容给出了200多道课堂讨论和思考题，根据以全控型器件及应用为主的教学特点，编写了200多道作业练习题。其中，部分内容是为了扩充学生的知识面、便于自学和实际应用，给学有余力和有兴趣的学生提供参考和实际应用的具体指导。

1．2结合自动化专业特点，探索新的教学方法（1）承上启下，注重系统分析。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术，从这两个关键点出发，课程的基本目标是使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法，掌握各种电能变换基本电路的基本原理以及设计方法。为了突出自动化专业的特点、更加侧重学以致用和理论结合实际，同时针对培养研究型人才的要求，我们引导、启发学生从系统控制的角度考虑各种电力电子器件和电力电子电路的结构、工作原理、控制方法和参数计算方法等，这样，既培养了学生将所学的“电路原理”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“自动控制原理”等课程的知识融会贯通的能力，又提高了学生学习新知识的积极性，而且，为“电力拖动与运动控制”和“自动控制系统”等后续课程打好基础。（2）培养学生实际工程的意识。课堂教学中，选取一些实际工程中典型的实例来分析，让学生熟悉各种电力电子器件和变换电路的实际工程分析方法、应用范围及技术经济指标。因此，扩展了学生的视野，使学生了解电力电子领域的最新成就和技术动态，力求做到在有限的学时内，使学生尽可能多地了解电力电子技术的概况，多掌握一些基础知识和基本技能，提高学习和钻研的兴趣。（3）以专题讨论等方式鼓励学生与教师互动。在课件里，根据教学内容给出了200多道课堂讨论和思考题。为了更好地调动学生学习的积极性，让学生积极参与到教学的各个环节中，我们安排了课堂的专题讨论，让学生提前在课外时间通过网上和图书馆查阅资料，自主设计方案，然后在课堂上由教师引导，就典型方案展开讨论。学生的学习由被动变为主动，提高了综合分析问题和创新的能力，学生普遍反映：“提高了我们查阅资料、利用学习资源的能力，也很大地提升了我们的自主学习性，这对我们以后的学习和研究的帮助都将是巨大的”，“激发了自己对于科研的兴趣”，是“较全面检验自己所学基础知识的机会，更让自己对于今后的学习有了总体的认识”。

2实验教学体系的创新

2．1实验教学平台的建设“电力电子技术基础”是一门应用性很强的技术基础课。清华大学自动化系历来重视实验教学，明确了实践教学是创新人才培养过程中贯穿始终、不可缺少的重要组成部分，是培养学生理论联系实际、提高专业业务水平的重要途径［9－10］。根据学科发展的要求以及课程的实验教学特点，我们研究了国内外同类实验教学平台的特点，对原有已较先进和实用的功能模块进行了升级改造，或按照我们的教学理念重新进行了设计，建设了新型电力电子实验教学平台［11］。整套实验平台由实验台和不同的功能模块组成。模块按照功能可划分为5个部分：电源部分、控制部分、功率部分、测量部分和负载部分。模块化和集成化的设计，实现了“电力电子技术基础”课程所需的从电路原理、控制器及被控对象到系统的多层次、多内容的实验体系。整个实验平台结构紧凑，易于扩展，使用方便灵活，便于维护。主要特点如下：（1）覆盖面广。①满足“电力电子技术基础”、“电力拖动与运动控制”课程的基本教学实验和“控制系列专题实验”课程的部分实验；②为自动化专业以及有关专业的本科生、研究生等学生提供一个综合性实验平台；③同时也可为相关的科研项目提供实验环境。（2）主要控制电路采用先进的主流技术。自主设计的驱动及控制单元以DSP为核心，设计了多种控制模式，具有多功能、全数字化的特点。该单元集调压、调频、斩波和正弦脉宽调制输出等多种控制功能于一体，可以进行直流斩波、正弦逆变、倍频逆变、开关电源和电机调速等多项实验。（3）安全性、易观测性和易操作性得到提高。充分注意强电实验的特点，对绝缘和保护做了细致考虑；合理地配置了观测点和测量仪器，以便于实验中各物理量的安全和准确提取，方便了实验验证。

2．2实验内容结合“电力电子技术基础”课程的课堂教学内容以及课程特点，实验教学内容应该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。从实验类型来分，既有培养学生的基本实验技能和巩固及加强课堂教学内容的验证型实验，又有旨在培养学生的综合能力、设计能力和实现能力的设计型、研究型实验。实验难易程度也是从低到高，学生的能力培养也体现了逐步、稳步提高的过程。作为实验技能训练的基本要求，实验内容中充实了基础实验即验证型实验———直流斩波电路实验。基本要求是对典型斩波电路功能的验证。同时增加研究型实验的环节，要求学生通过改变电路参数、改变开关频率以及改变负载的大小等方式观测和分析电路工作性能和参数的变化，改变了以往验证型实验中有些学生机械性地照搬实验步骤的现象，调动了学生自主学习的积极性。例如，波形失真、谐波分析和高频噪声等内容，在理论上比较难于理解，而通过实验可以很直观地对这些概念加深感性认识，收到了很好的效果。研究型实验包括正弦波逆变电路实验和开关电源实验等。正弦波逆变电路实验融合了逆变电路和PWM控制技术的核心内容。而开关电源采用交—直—交—直变换技术，是一种组合变流电路，包含整流、高频逆变、隔离变压和滤波等电路，体现出了电力电子技术及其课程教学的主要内容，对学生提炼电力电子技术课程教学的关键知识点有很大的帮助，这些研究型实验对学生深入学习与理解电力电子技术有很大的作用。在实践教学中融入数字控制技术和计算机控制技术，提高了系统的可扩展性［12］。对学有余力和有兴趣的学生可以选作设计型实验，如有源功率因数校正实验和斩控式交流调压电路实验等。在原有实验的基础上增加了多项学生自主设计和动手的环节，充分满足了学生自主实验时的要求，鼓励学生充分利用实验室的条件，进行创造性的研究工作。

3结束语

本文就“电力电子技术基础”课程的教学进行了探讨。重点讨论了电力电子技术教学内容的选材，以及课堂教学中结合自动化专业的特点和实际工程应用例的教学方法；讨论了实验教学中的体会；介绍了新的实验教学平台。希望在培养自动化专业学生对电力电子技术的学习兴趣、引导学生正确掌握专业基础课程学习方法，进而夯实专业基础知识、强化学生的创新意识和实践观点、提高实践能力等方面都起到很好的作用。