“电力电子”课程教学改革与实践
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摘要：指出了碳化硅器件是电力电子领域的重要发展方向，提出在电力电子技术课程内容中增加碳化硅电力电子器件的介绍，同时，讲授以碳化硅为功率器件的电力电子装置的设计与优化；然后提出在课堂教学中引入讨论式教学方法，并通过研究型教学和加强实践环节的方式提高学生的学习积极性，培养学生自主创新的综合能力。
作者简介：于晶荣（1981-），女，辽宁丹东人，中南大学信息科学与工程学院，讲师；吴伟标（1988-），男，江西抚州人，中南大学信息科学与工程学院硕士研究生。（湖南长沙410083）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）14-0061-02
“电力电子技术”是一门跨电子、电力和控制三个领域的新型工程技术学科。它的典型特点是强电与弱电相结合，用弱电控制强电，以实现电能的转换、控制、分配和应用。“电力电子技术”课程是自动化、电气工程及其自动化等电类专业重要的必修课程。如何在有限的课时内获得最好的教学效果，使学生较好地掌握课程内容，并培养学生的工程实践能力和创新精神，是亟待解决的问题。为此必须从教学内容、教学方法及实际应用等方面对该课程进行改革，开创出一种培养应用型人才的教学模式。
一、结合工程实际，优化教学内容
电力电子技术的特点是实践性强，要求学生既掌握基础理论又有较强的实践能力；应用技术更新较快；应用领域宽。因此该课程应以素质教育和技术应用能力培养为主线，在基础理论学习和教学实践的基础上，实时更新学生对电力电子技术应用的知识面。在教学中，应根据工程实际应用进行适当地更新、补充和删减。例如，众所周知，硅半导体电力电子器件可满足电力电子装置在功率大、工作速度快、通态电阻小、驱动功率低等方面的应用要求。然而，以硅为代表的传统半导体电力电子器件已逼近了因寄生二极管制约而能达到的材料极限。基于碳化硅等宽禁带半导体材料的电力电子器件被认为是从根本上解决高击穿电压、高工作温度等方面要求的新一代器件，我国“十二五”计划已经把碳化硅等新型电力电子器件的研制和生产作为重要发展方向。因此，教学中应增加对碳化硅等新型电力电子器件的介绍，比较硅和碳化硅材料电力电子器件在击穿电场强度、稳定性和开关速度等方面的区别，讲授以碳化硅器件为功率开关的电力电子装置设计与优化。
目前高校对碳化硅这一新型器件的讲解研究不多，本文就此说明一下讲解的过程。在PPT刚开始时引入Si材料的介绍，比如IGBT、MOSFET、GCT等，从而提出本节课的重点讲解内容是碳化硅器件，然后采用图表对比及实物结合的方法讲述。
表1是SiC JFET和SiC SBD对应的基本性能比较，这里仅仅列出其最基本的知识点，然而最为关键的是在讲解过程要注重实践，尽可能地让学生有一定的感性认识，图2为对应的实物图。通过理论与实物相结合的方式来教学，同时提出如何测试该器件是否完整的问题，从而激发学生兴趣。也可提出针对该器件如何去设计电力电子装置及优化的问题，该问题在研究生教学中已体现出来，从而拓宽学生的视野，便于和不断发展的电力电子技术接轨，以适应今后科研工作的需要。
二、讨论式教学，提高学习积极性
在目前的教学课堂中，多数是采取以教师为主体的讲授式教育模式。对于大学教育来说，讲授法比其他教学方法信息量大而且快，便于学生对基础知识的掌握。但是，在大多数高等院校的教学实施过程中，普遍存在两个问题：课堂上大多数学生处于被动接受状态，注意力经常分散，很难在45分钟内都全神贯注；学生听课过程中常会碰到听不懂的地方，这种情况下只有少数学生会把问题记录下来，待下课问老师，大部分同学都会放弃，不做记录也不对问题进行讨论。这样下去，前面不懂的问题会进一步影响后续课程的学习，进而形成恶性循环，最终会导致部分学生放弃听课。
讨论式教学法是通过教师组织和引导，为实现一定的教学目标，启发学生就特定问题发表自己的见解，并通过学生之间、师生之间的相互交流讨论，来培养学生的独立思考能力和创新精神。
由于教学时间的限制，完全采用讨论式教学法并不可行，这里将采用讲授法与讨论法结合的“半讨论式教学方法”。具体实践如下：以中南大学2009级电气工程及其自动化二班为实验对象，在上下一次课之前，教师布置以下几个问题：什么是电力电子学，它的起源及应用领域是什么？电力电子学和其他课程之间的联系是什么？线性电源和开关电源的区别在哪里？课前预习使同学们对该次讨论课的主题有一个初步认识，在下次上课时，老师先拿出课堂大约15分钟的时间，给同学们互相讨论、交流课前布置的问题，进而了解各小组对问题的掌握程度。
通过上述实验，电气工程及其自动化二班成绩优秀率为76.52%。采用讨论式教学方法，大大提高了学生的学习主动性，课堂气氛宽松，师生互动效果良好。
三、引入研究型教学，培养学生自主创新能力
随着大学教育课程改革的实施和研究型教学方法的应用，大学教学目标转为提升学生自主学习能力、独立研究能力和分析问题、解决问题的能力。研究型学习是创造一种类似于科学研究的情景和途径，让学生通过自主地探索、发现和体验，学会对大量信息的收集、分析和判断，从而培养他们积极探索未知世界的科学态度、科学精神，进而增进其思考能力和创新能力。要培养学生的研究和创新能力，首先要给学生独立思考的机会，要注意培养学生对任何事物都问为什么的质疑探究精神。其次要给学生一个自己探索、研究的机会。为此教师可以在课堂上组织模拟电子课程设计，使学生对一些问题独立学习、自主研究，在动脑、动手、动口的实践基础上进行探索和尝试，不断进行创造性思维活动，然后由老师和学生一起对其结果加以分析，减少依赖性，增强独立性。
下面以模拟电子课程设计中“信号发生器”为例，教师首先对该理论进行讲解，比如要求产生方波、三角波两种信号；再讲述该课题的设计要求，例如，要求有实事求是的科学态度，在做实物焊接时注意烙铁放的位置，以免烫伤等。
图2所示为模拟电子课程教学流程图，设计基本要求上述已经谈到，针对“信号发生器”的方案选择问题，目前主要有三种方法。如下表2所示，根据设计要求及各方案的优缺点不难发现，采用集成的方法结构简单、集成化程度高、外接元件少、价格便宜，故选择方案三。
确定好方案后，接下来进行Proteous设计仿真，其设计原理图如图3所示，根据图画出Proteous仿真情况，同时对设计参数进行修改，以达到较好的效果。如果出现效果不是很好的情况，可以对设计参数进行微调。紧接着便是硬件设计，可以在面包板上进行焊接，用示波器进行观察即可，直到调试成功，最后是整理成文档。
四、加强实践环节，注重综合能力培养
表3所示的是电力电子教学与实践比较，文章第一部分提到的教学方法要结合具体实物来讲，而在实践方面同样如此。
电力电子技术有很强的实践性，而实验和课程设计是培养理论联系实际、动手能力的两种重要手段。在实验方面，应精选最基本的且有较高实用价值的实验项目。例如选择在计算机、通讯设备及家用电器等广泛应用的开关电源作为实验项目，介绍典型的开关电源的线路，比较开关电源和线性电源的性能，使学生对开关电源有深刻的印象。由于电力电子电路具有强、弱电结合的特点，要特别强调实验操作认真、规范，保证实验顺利进行，避免事故发生。实验前，要求学生根据实验名称及预习要求进行预习，从而在观察现象和发现问题等方面充分发挥主观能动性。在实验过程中：注意考察每个学生的实际动手能力，有针对性地提出线路连接和实验现象方面的问题，让学生边做边答；注意介绍新仪表、新仪器的使用，例如数字式示波器的使用，这样学生会直接感受到科技发展带来的巨大方便。
课程结束前进行课程设计，即在此课程开始时即下达课程设计书，使学生边学边思考，并且有充足的时间来进行课程设计。此外，课程设计的内容应具有一定的系统性、新颖性，避免历年课程设计题目雷同。在课程设计中，教师要发挥适当的指导监督作用，逐步培养学生的独立工作能力、设计技能，重视学生的创新性的见解。
五、教学实践效果
“电力电子技术”课程改革后经过两届学生的教学实践，教学效果较未改革之前有很大的提升。要搞好这项改革工作，既需要学校的投入，也需要教师和同学的共同努力。把大学生培养成为基础扎实、知识面广、适应性强的高素质人才，高校教师任重而道远。
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