项目驱动的电力电子实验教学研究与探索.pdf
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1、 第卷 第期 年月:项 目 驱 动 的 电 力 电 子 实 验 教 学 研 究 与 探 索冯 学 玲,姚 鸿 泰,张蓉,夏 冬 辉,王 学 华,尹仕(华 中 科 技 大 学电 气 与 电 子 工 程 学 院,强 电 磁 工 程 与 新 技 术 国 家 重 点 实 验 室,武 汉)摘要:设 计 了 基 于 项 目 驱 动 的 电 力 电 子 实 验 教 学 模 式,学 生 设 计 并 研 制 一 台 具 有实 际 工 程 意 义 的 高 性 能 指 标 要 求 的 电 力 电 子 变 换 电 源。课 程 从 主 电 路 拓 扑 的 原 理分 析、参 数 设 计,到 辅 助 电 路 和 控 制 电
2、 路“模 块 化、积 木 式”的 调 试,引 导 学 生 以 团 队合 作 的 形 式 完 成 电 源 产 品 的 全 周 期 研 发,包 括 设 计、调 试、分 析 优 化 等。该 模 式 将学 生 学 习 的 重 难 点 分 解 到 各 个 阶 段 的 任 务 中,培 养 学 生 系 统 整 合、学 以 致 用 以 及 解决 实 际 工 程 问 题 的 能 力。关 键 词:电 力 电 子 电 路;项 目 驱 动;模 块 化 设 计;积 木 式 调 试中 图 分 类 号:文 献 标 志 码:文 章 编 号:(),(,):,“,”,:;收 稿 日 期:基 金 项 目:国 家 自 然 科 学 基
3、 金 面 上 项 目();教 育 部 实 验室 管 理 研 究 重 点 项 目();教 育 部 第 二 批 新 工 科 研 究 与 实 践项 目()作 者 简 介:冯 学 玲(),女,土 家 族,湖 北 恩 施 人,硕 士,工 程师,主 要 从 事 电 力 电 子、信 号 与 控 制 方 面 的 技 术 研 究 及 教 学 实 践。:通 信 作 者:夏 冬 辉(),男,湖 北 洪 湖 人,博 士,副 教 授,主 要 从事 电 气 工 程 相 关 技 术 研 究。:引言年 起,我 校 电 气 与 电 子 工 程 学 院 以“电 气化”的 学 科 交 叉 融 合 创 新 发 展 战 略 为 指 导
4、,借 鉴 世界 一 流 大 学 工 程 教 育 理 念 基 础,提 出“科 学 主 导、实 践驱 动”的 工 程 教 育 理 念 及 实 施 路 径,旨 在 培 养 面 向 未来 的 学 术 拔 尖 人 才 和 业 界 领 军 人 才。因 此 实 践 教学 不 再 是 理 论 教 学 的 附 属 品,转 而 成 为 教 学 改 革 的 主要 驱 动 力,通 过“做 中 学”不 断 提 升 学 生 的 自 主 学 习 能力,使 学 生 学 习 过 程 从“外 驱”变 为“内 驱”,最 大 程 度激 发 学 生 的 学 习 兴 趣 和 创 造 能 力。电 力 电 子 学 电 力 电 子 变 换 和
5、 控 制 技 术,是 高等 工 科 院 校 电 气 信 息 类 电 气 工 程 及 其 自 动 化 等 专 业 学生 必 修 的 一 门 专 业 基 础 课 程,是 电 气 工 程 专 业 其 他课 程 的 综 合 应 用,亦 是 一 门 实 践 性 很 强 的 技 术 基 础 课第期冯 学 玲,等:项 目 驱 动 的 电 力 电 子 实 验 教 学 研 究 与 探 索程。电 力 电 子 技 术 横 跨 电 力、电 子 和 控 制个 领 域,几 乎 所 有 与 电 力、电 子 有 关 的 高 科 技 领 域 都 涉 及 电 力电 子 变 换 和 控 制 技 术,是 专 业 人 员 从 事 相
6、关 工 作 必 须掌 握 的 基 础 知 识。电 力 电 子 变 换 技 术 通 过 控 制 半 导 体 电 力 开 关 器 件的 通 断 状 态 实 现 电 源 功 率 和 能 量 转 换,在 电 力 系 统、电能 质 量 控 制、智 能 电 网 以 及 电 力 碳 中 和 领 域 得 到 了 广泛 的 应 用 和 发 展。在“科 学 主 导、实 践 驱 动”的 工 程 教育 理 念 下,我 校 开 设 了学 时 的 信 号 与 控 制 综 合 实 验课 程,聚 焦 电 力 电 子 系 统 建 模、控 制、研 发 的 全 周 期。摒 弃 传 统 以 实 验 挂 箱 接、拆 线 实 验 的 模
7、 式,以 实 际工 程 为 背 景,基 于 项 目 驱 动 教 学 方 式 设 计 了 面 向“电气 化”、新 能 源 以 及 碳 中 和 目 标 的 电 力 电 子 变 换 项目:光 伏 发 电 系 统 中 的 能 量 变 换 与 控 制 研 究、电 动 汽 车车 载 电 源 系 统 综 合 设 计 与 研 究。两 个 项 目 将 电 流 电 压信 号 实 时 检 测、处 理 分 析 以 及 闭 环 控 制 等 融 入 电 力 电子 变 换 器 的 设 计 和 研 发 过 程 中,贯 穿 整 个 课 程 教 学;引导 学 生 基 于 实 际 工 程 项 目 开 展 电 力 电 子 电 路 设
8、 计、仿真 分 析、制 作 与 调 试 等 任 务,使 学 生 能 够 完 成 从 电 路 原理 认 知 到 设 计 调 试 等 一 整 套 电 力 电 子 开 发 学 习 过 程,进 一 步 提 升 学 生 知 识 建 构、认 知 能 力 和 意 识 养 成 等 工程 实 践 能 力。项 目 驱 动 式 教 学 设 计 思 路 项 目 驱 动 教 学项 目 驱 动 式 教 学,首 先 应 用 于 德、英 等 国 大 学 教 育并 取 得 了 显 著 教 学 效 果,是 一 种 以 建 构 主 义 教 学 理 论为 基 础、以 工 程 项 目 作 为 课 程 引 擎,教 师 引 导 学 生 主
9、 动完 成 项 目 的 教 学。项 目 驱 动 式 教 学 法 的 主 要 特 点是“以 项 目 为 主 线、教 师 为 主 导、学 生 为 主 体”,改 变 了以 往“教 师 讲,学 生 听”被 动 的 教 学 模 式,教 学 目 标明 确,教 学 过 程 中 学 生 的 参 与 度 显 著 提 高,从 而 能 够 最大 程 度 地 激 发 学 生 主 动 探 索 和 学 习 的 动 力。课 程 组 提 供 光 伏 发 电 系 统 中 的 能 量 变 换 与 控 制 研究、电 动 汽 车 车 载 电 源 系 统 综 合 设 计 与 研 究 两 个 综 合实 验 项 目,前 者 偏 向 于 新
10、 能 源 发 电 并 网;后 者 偏 向 于 终端 装 备 研 制。学 生 可 根 据 个 人 未 来 职 业 规 划 自 主 选 择并 重 新 编 班,以 便 课 程 组 教 学 实 施。教 学 设 计 思 路“信 号 与 控 制 综 合 实 验”课 程 采 用 综 合 设 计 模型。该 模 式 基 于 课 程 情 境 因 素,制 定 有 意 义 的 学习 目 标、设 计 教 育 型 评 估 与 反 馈、实 施 主 动 式 教 学 活动,并 将 三 者(下 称 三 要 素)的 一 致 性 进 行 综 合 和 调整,为 学 生 创 造 丰 富 的 学 习 经 历,如 图所 示。因 此,课 程
11、组 将 通 过 设 计 基 于“知 识、能 力、素 养”的类 有 意 义 的 学 习 分 类 目 标,并 采 用 基 于 真 实 性 任务 完 成 情 况 的 前 瞻 性 评 估(真 实 性 任 务 评 估)和 高 质图基 于 项 目 驱 动 式 教 学 的 课 程 设 计 思 路量 的 反 馈 来 调 动 学 生 学 习 的 积 极 性 与 主 动 性;采 用 新途 径 来 帮 助 学 生 更 好 地 获 取 信 息 和 观 点;基 于 综 合 的、有 挑 战 性 的、背 景 丰 富 的 项 目 驱 动 形 式 来 丰 富 学 生 实践 经 历,进 而 产 生 更 多 智 力 上 的 兴 奋
12、 和 动 机;引 导 学 生对 学 习 过 程 进 行 深 度 反 思 性 写 作,以 上 均 能 最 大 限 度地 丰 富 学 生 经 历 而 产 生 意 义。教 学 设 计 与 实 施 教 学 目 标具 体 而 言,课 程 通 过 基 于 项 目 的 科 学 实 践 探 究 过程(建 模分 析设 计研 究)将 有 意 义 学 习 目 标与 工程 教 育“知 识、技 能 和 素 养 三 位 一 体 ”的 人 才 培 养目 标 紧 密 结 合。在 课 程 结 束 后,学 生 能 达 成 如 下目 标:()基 础 知 识 目 标(建 模 分 析)。能 描 述 和 表达 实 际 电 力 电 子 电
13、 路 系 统 的 数 学 模 型,如 开 关 模 型 的线 性 化、电 压 数 字 反 馈、调 制 器 模 型 等,并 能 验 证 模 型的 有 效 性。()学 以 致 用 目 标(分 析 设 计)。能 运 用 软 件工 具 设 计 控 制 指 标 和 频 域 闭 环 控 制 器,能 运 用 仿 真 工具 证 明 并 思 考 设 计 的 合 理 性、有 效 性 和 实 践 意 义。()触 类 旁 通 目 标(设 计 研 究)。能 结 合 不 同项 目 的 要 求,联 系 和 整 合 出 一 套 完 整 的 电 力 电 子 电 路开 发 流 程,能 综 合 运 用 信 号 与 系 统、检 测 与
14、 控 制 方 面 的理 论 知 识 解 决 实 际 生 活 工 程 问 题。()人 性 维 度 目 标。在 团 队 合 作 中 能 根 据 个 人 所长 进 行 分 工 合 作、管 理 和 协 调 资 源,反 思 自 己 和 他 人 学习 的 进 步,如 系 统 知 识 的 梳 理、焊 接 技 术、软 硬 件 调 试技 能 以 及 工 程 沟 通 能 力 等。()人 文 关 爱 目 标。对 高 频 开 关 电 源 模 块 化、高效 化、数 字 化、绿 色 化等 产 生 认 知 和 兴 趣,促 进 个 人定 位 和 职 业 规 划 发 展。()学 会 学 习。建 立 电 力 电 子 学 实 践
15、探 究 认 知 框架,总 结 方 法 技 巧,成 为 自 主 学 习 者;明 确 该 不 该 做、可不 可 做、值 不 值 做、以 及 会 不 会 做。第卷 教 学 结 构基 于 项 目 驱 动 式 的 电 力 电 子 实 验 教 学 课 程,采 用如 图所 示 的 课 程 教 学 结 构,含 课 前 准 备、课 中 实 践、课 后 反 思个 阶 段,并 融 入 了 工 程 项 目 开 发 全 周 期 的构 思、设 计、实 施、运 作(,)工 程 教 育 理 念。图基 于 项 目 驱 动 式 的 电 力 电 子 实 验 教 学 结 构()课 前(构 思 设 计)。课 程 组 教 师 构 思 课
16、 程和 项 目 并 研 究 项 目 可 行 性,然 后 设 计 并 发 放 问 卷,通 过问 卷,一 方 面 可 以 了 解 学 情;另 一 方 面 可 以 有 针 对 性 地遴 选 出 一 批 优 秀 的 学 生 作 为 课 程 助 教。老 师 和 助 教 共同 开 发 样 机、搭 建 脚 手 架、整 合 课 程 资 源(如 配 备 材料、撰 写 项 目 开 发 文 档、编 写 实 验 指 导 书)并 引 导 学 生预 习。()课 中(设 计 实 施 运 作)。教 师 介 绍 课 程导 言,明 确 课 程 目 标 和 评 价 标 准,并 分 解 项 目 任 务 和 进行 重 难 点 讲 解;
17、学 生 以 小 组 合 作 模 式 自 主 设 计、探 究 实施 进 程、展 示 并 进 行 多 任 务 多 进 程 循 环 运 作;教 师 和 学生 助 教 进 行 有 效 及 时 的 答 疑 和 反 馈。()课 后(反 思 再 设 计 再 构 思)。学 生 提 交课 程 报 告,包 括 电 路 设 计 和 参 数 选 型、模 型 建 构 和 闭 环控 制、模 块 测 试 和 系 统 调 试、问 题 假 设 与 解 决、团 队 合作 与 分 工、个 人 深 度 反 思 与 总 结(倘 若 重 新 再 做 一 次,该 如 何 避 坑、如 何 提 升)等;教 师 做 出 课 程 评 价,分 析教
18、 学 目 标 达 成 度,并 对 课 程 和 项 目 进 行 再 构 思 再 设 计,完 成 迭 代。任 务 分 解 与 课 堂 教 学信 号 与 控 制 综 合 实 验 课 程 为学 时,共节 课,前节 课 为 直 流 电 源 系 统,后节 课 为 交 流 电 源 系 统探 究。本 文 以 实 验 项 目“电 动 汽 车 车 载 电 源 系 统 综 合设 计 实 验”为 例,对 任 务 分 解 情 况 进 行 介 绍。该 电 源系 统 采 用移 相 全 桥 电 路 拓 扑,电 路 结 构 如 图所 示。该 电 源 系 统 可 分 解 为 主 电 路 设 计 选 型、辅 助 电 路焊 接 调
19、试、系 统 搭 建、开 环 调 试、建 模、闭 环 控 制 调 试、项 目 指 标 测 试、项 目 验 收 答 辩个 任 务 环 节。根 据 项目 实 施 进 程,课 程 除 设 置 基 本 任 务 外,还 设 置 了 进 阶 和高 阶 任 务,以 满 足 不 同 学 生 的 学 习 需 求。具 体 任 务 信息 如 表所 示。()基 本 任 务。要 求 学 生 完 成 率,为 保 证学 生 都 能 达 到 基 本 任 务,课 程 组 从方 面 教 学 引 导。图“电 动 汽 车 车 载 电 源 系 统”电 路 原 理 示 意表电 动 汽 车 车 载 电 源 系 统 项 目 任 务 一 览 表
20、任 务 类 别任 务 描 述预 计达 标 率 验 收分 数基 本 任 务系 统 能 在 额 定 工 况 运 行额 定 工 况 下 效 率额 定 工 况 下 纹 波 进 阶 任 务负 载 调 整 率电 压 调 整 率 高 阶 任 务效 率 提 升 个 点 其 他实 时 显 示 电 流电 压功 率软 硬 件 保 护按 键 切 换 等 整 理 丰 富 的 项 目 参 考 资 料 和 文 献、制 作 环 节 的 微 视频 等,作 为 课 前 预 习、课 后 自 主 学 习 的 线 上 资 源,同 时将 重 要 文 献 和 资 料 装 订 成 册 以 便 课 堂 随 时 查 阅;引导 学 生 制 作 项
21、 目 进 度 自 查 表 和 团 队 画 布,帮 助 学 生 自主 规 划 项 目 进 度 和 节 点;在 关 键 节 点 予 以 检 查、验收、提 出 建 议 等,以 敦 促 学 生 把 控 进 度,不 掉 队、不摆 烂。在 整 个 基 本 任 务 实 施 期 间,教 师 的 教 学 原 则 是:不教 授 具 体 操 作 步 骤,全 局 引 导 和 把 控,允 许 学 生 在 恰 当范 围 内 设 计 的 多 样 性,给 予 学 生 充 分 的 试 错 空 间,引 导学 生 发 现 和 解 决 问 题 并 设 计 优 化。为 保 证 学 生 能 够 顺利 地 完 成 基 本 任 务,在 重
22、点 环 节 给 予 适 当 的 引 导 和 提醒。比 如,在 设 计 参 数 时,引 导 学 生 重 点 考 虑 占 空 比 丢失对 开 关 频 率、高 频 变 压 器 匝 比、谐 振 电 感 的 影 响;第期冯 学 玲,等:项 目 驱 动 的 电 力 电 子 实 验 教 学 研 究 与 探 索在 设 计 绕 制 谐 振 电 感 和 变 压 器 时,引 导 学 生 查 阅 文献获 取 磁 芯 验 算 原 则 并 自 主 设 计;在 模 型 仿 真 时,引 导 学 生 根 据 文 献所 述 软 件 特 点 和 适 用 性 结 合 自己 经 验 或 偏 好 来 选 择 软 件 工 具;而 焊 接
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- 关 键 词:
- 项目 驱动 电力 电子 实验 教学研究 探索
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