工程教育专业认证背景下的“电力电子技术”课程教学改革与实践

蒋云昊 丁稳房 张杰 胡睿 伍科

摘 要 工程教育专业认证对电力电子技术课程的教学提出了更高的要求。为改进传统教学方法的不足，提高课程教学质量，在课程教学中引入CDIO教学理念。本文介绍了工程教育专业认证的核心理念和CDIO的教学模式。并对将仿真技术和CDIO教学方法融入课堂教学的教学过程进行了探讨。

关键词 工程教育专业认证 CDIO 仿真技术 不间断电源

中图分类号：G424                                 文献标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.041

Abstract Engineering education professional certification raises the higher requirement for power electronics course. In order to improve the traditional teaching method and improve the teaching quality of the power electronics course， the teaching idea of CDIO is introduced into the classroom teaching. This paper introduces the core idea of the engineering education professional certification and the teaching mode of CDIO. The teaching process of course teaching integrated by simulation technology and CDIO is discussed.

Keywords engineering education professional certification; CDIO; simulation technology; UPS

0 引言

电力电子技术课程是电气工程及其自动化专业的重要专业基础课和必修课。电力电子学科属于电力、电子和控制领域的交叉学科，涉及较为广泛的基础知识和专业知识，要求高、难度大。作为能源领域发展趋势的智能电网和能源互联网离不开电力电子技术的发展。电力电子技术的进步和突破将为电力能源领域的发展提供重要支撑。因此，电力电子技术课程在电气工程专业课程体系中的重要性不言而喻。

在新一轮高等教育改革中，工程教育专业认证受到各高校的普遍重视。工程教育专业认证是目前国际通行的工程教育质量保障制度，是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。其核心理念是产出导向、以学生为中心和持续改进。产出导向，即成果导向，要求教育教学围绕毕业生的能力和素质进行;以学生为中心要求将学生视为学校教育服务的中心;持续改进则要求建立教育过程质量监控机制、毕业生跟踪反馈机制和社会评价机制，形成持续有效的质量改进机制。工程教育专业认证的实施关键是要深化课堂教学改革。

电力电子技术课程的传统教学模式主要是课堂理论教学、课后练习与答疑以及若干基础实验。结合学时数和课程体系的实际，主要借助集成化实验平台开展以认知性为主的实验。电气工程专业认证对电力电子技术课程支撑毕业的要求主要有三点：（1）具备本专业的基础理论，包括基本概念和分析方法;（2）将工程和专业知识用于电气装备制作和电力系统运行问题的设计与优化;（3）能够根据对复杂工程问题的抽象、分解和建模结果，设计合理的总体解决方案和各个子问题的解决方案。由专业认证对课程的要求看，传统的教学模式很难满足该需求。CDIO（Conceive-构思，Design-设计，Implement-实施，Operate-运行）教学模式是MIT等著名高校经过数十年的实践和改进完善，创立的新型工程人才培养模式。该教学模式的最大特点是与工程实践紧密结合，能够激发学生的学习兴趣和主动性，提高学习效果。由于引入了项目化教学实践方式，实施得当将可以满足专业认证对课程支撑毕业的要求。

1 基础理论仿真模型构建与教学

由于电力电子技术课程内容多、时间紧，课堂主要以理论讲授为主。通用仿真软件的使用难以安排在课堂详细讲解，但由于计算机技术和信息技术的普及使用，学生具备通过自学、网络学习和相互讨论等方式进行Matlab等仿真软件学习的能力。课程开始就需要布置大家学习软件使用的任务，并紧密结合课程教学的基本拓扑电路有针对性地练习，从而提高软件使用的学习效率。

电力电子技术课程的教学内容主要围绕四大基本拓扑电路展开，由于电力电子电路属于强非线性电路，严格的数学分析十分困难，主要通过电路工作过程结合电路波形进行分析和简单计算。因此，对于一个简单的拓扑电路，分析工作就显得比较烦琐，学生对电力电子电路的分析思路和方法的学习很不适应。传统课程的讲授主要以静态展示稳态为主，无法完整展现电路的实际工作过程，学生学习中对电路工作原理的把握缺乏信心。引入仿真技术，可以对电路的完整工作过程进行动态再现，从而加深学生对理论知识的认识，使学生尽快适应电力电子电路的分析方法，同时使学生具备基本的仿真工具使用和建模分析能力。课堂讲授过程中，融入基本電力电子电路的动态工作过程仿真呈现，然后进行电路工作原理、波形分析和计算的讲解，同时预留部分基本仿真电路由学生自主完成，以提高学生的基本仿真分析能力，为项目化教学与仿真实践奠定基础。

2 基于CDIO理念的项目化教学与仿真实践

CDIO理念在培养学生对理论知识的应用和实践能力的同时，还培养学生的团队协作能力和系统工程观念等。在基本理论的仿真模型构建与教学环节，学生已经具备了基本的仿真能力，在此基础上可以进入项目化实践环节。

项目选题主要围绕电力电子四大拓扑电路及其应用电路展开。教师给出若干方向和选题，也可由学生自主选题，教师把关。选题设计的要求需结合CDIO理念，做到具体明确。每一个选题可由学生分组完成，每组学生自行确定分工，并完成以下内容：

（1）构思。进行文献检索阅读和分析，可以规定文献阅读的数量和质量，比如不少于20篇，其中EI/核心以上不少于10篇。要求了解所选电路的应用领域发展现状和趋势，通过方案的比较确定最终设计方案和设计思路。

（2）设计。根据选定的设计方案和思路，在技术参数的要求下，进行具体电路各个环节的设计和器件选型。要求设计严谨，有严格的设计依据和分析推导过程，杜绝定性化设计。

（3）实施。根据设计结果，通过仿真软件搭建仿真模型。

（4）运行。对仿真模型仿真运行，修正错误，改进电路设计，分析仿真结果。

（5）报告。最终形成设计报告，要求报告内容和格式规范，明确分组中每位同学的工作及其工作量比例。可提供统一的模板以进一步明确设计内容要求和规范设计报告。

这里给出一个UPS不间断电源的分组设计实例，先给出最终设计报告的目录，如图1所示，再对其中的主要部分做一定说明。

该设计实例对在线式UPS电源进行了设计。在构思阶段，通过文献的阅读和分析，了解到不间断电源在生产和生活中的广泛应用，与其他开关电源一样，具有集成化、模块化、高频化、数字化、绿色化等发展趋势。明确了UPS电源的国内外发展现状和选题的设计意义。研究层面的总结缺乏，但作为本科生的课程学习实践，要能真正从研究层面做出归纳总结比较困难。在文献参考的基础上给出了总体设计方案，如图2所示，并对各个环节的具体电路方案进行了比较和选择。AC-DC环节比较了单相半波不控整流、单相桥式不控整流、单相桥式相控整流和PWM整流电路，从变换器效率、功率因素以及电能质量考虑，选择了PWM整流电路。DC-AC环节，通过比较单相半桥和全桥逆变电路后选择了全桥逆变电路，控制方式上选择了简单的电压反馈。在储能变流器方面，通过比较Buck-Boost电路和双向DC-DC电路，最后选择了双向DC-DC电路。

在设计阶段，对方案中的具体电路进行了较为细致的设计，设计依据较为充分。AC-DC、DC-AC和储能变流器的设计过程，给出了电路图和原理介绍，在分析计算的基础上给出了部分器件的参数要求和选型。给出了滤波电路的分析设计，给出了保护电路的简单方案和电路设计。

实施和运行阶段，选择了Matlab作为仿真工具，介绍了其基本功能，在电力电子技术方面的使用方法。通过Matlab仿真进行了原理性的验证，并对仿真结果进行了一定程度的分析。由于传统电力电子课程中的授课内容主要集中在电力电子基本电路的原理讲解，对由其构成的实用电路，特别是控制方法的介绍不是重点，所以实践报告中的控制部分对学生来说有不小的难度。仿真中的控制环路原理性仿真也遇到很大困难和挑战。在今后的电力电子技术课程改革中，需要对教学大纲进行适当调整，增加该部分内容的讲授。这将有利于学生从主电路到控制环路对电力电子电路有一个较为完整和深入的认识，也有利于学生实践能力的培养和自主学习能力进一步的提高。

报告内容的整体格式较规范。从报告排版上，以毕业设计的排版格式要求为参照，培养学生报告撰写的规范性和严谨性。但从该次课程的学生总体报告规范性看，不太理想，特别是参考文献格式比较乱。反映出学生对规范性要求的重视程度不够，部分学生缺乏耐心。今后的课程中要提高学生对规范性要求的认识。

学生分组：学生A主要负责查阅资料，形成总体方案，并撰写引言和总体方案部分;学生B主要负责具体电路方案的比较和选择，并负责AC-DC主电路设计，撰写相应部分报告;学生C负责DC-AC、DC-DC电路设计，并撰写相应报告;学生D负责控制方法选择和仿真，并撰写相应报告。

3 电力电子装置及综合实践平台参观与实操

为提高学生对电力电子技术应用的认识，结合省重点实验室科研项目的有关电力电子装置（如APF、SVG等）和微电网等实验平台，组织学生参观讲解和适当的操作，扩展学生的课程视野，提高学生的学习兴趣。为今后的继续学习和深造打下基础。

4 结语

本文介绍了电力电子技术课程的在电气工程专业课程体系中的重要地位和特点，以及工程教育专业认证的核心理念及其对电力电子技术课程的要求。给出了CDIO项目化教学与仿真技术结合应用于电力电子技术课程教学的实例。对在电力电子技术课程中融入CDIO教育理念以达到工程教育专业认证对课程教学改革的要求进行了初步探讨，以期能进一步激发学生学习主动性和积极性，提升教学质量。

教研项目：教育部产学合作协同育人项目（201902181009）

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