案例教學(xué)法的電力電子改革綜述

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本文作者：王曉剛王清劉華工作單位：廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院

案例教學(xué)法的可行性

案例教學(xué)法是一種先進(jìn)的教學(xué)方式，教師根據(jù)工程生產(chǎn)實(shí)際給出若干案例，學(xué)生分成若干研究小組，在教師地引導(dǎo)下組織文獻(xiàn)查閱、研究和討論，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成案例的設(shè)計(jì)后，通過報(bào)告的形式匯報(bào)研究成果，匯報(bào)完成后由教師和學(xué)生共同進(jìn)行對(duì)相關(guān)問題的討論。在這種教學(xué)方式下，學(xué)生由被動(dòng)的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的發(fā)掘者，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生間的互動(dòng)。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，案例教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)十分突出，大大改善了教學(xué)效果，因此已經(jīng)在我國(guó)高校的課堂教學(xué)中得到應(yīng)用。[6，7]電力電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民生活中應(yīng)用廣泛，同時(shí)也綜合了電子技術(shù)、電路、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科，因此具有很強(qiáng)的工程性和綜合性。同時(shí)，“電力電子技術(shù)”強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，因此必須重視實(shí)踐性教學(xué)。在“電力電子技術(shù)”的教學(xué)中引入案例教學(xué)法，對(duì)于達(dá)到課程的實(shí)踐性和綜合性要求，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性和主動(dòng)性，提高學(xué)生自學(xué)能力和實(shí)踐能力，改善教學(xué)效果，大有裨益。

案例教學(xué)法的實(shí)施過程

新型教學(xué)法的實(shí)施步驟為：1.提出課題（案例）將全班學(xué)生分為5個(gè)課題小組，小組可由教師劃定，學(xué)生也可以自由組合。根據(jù)“電力電子技術(shù)”教學(xué)大綱和教學(xué)目標(biāo)要求，選取實(shí)踐性較強(qiáng)的5個(gè)案例，分配給5個(gè)課題小組，每個(gè)小組負(fù)責(zé)1個(gè)課題，課題的選擇由各組自行協(xié)商。由于學(xué)生剛剛接觸“電力電子技術(shù)”，因此教師在選擇案例時(shí)需注意案例的難度，案例不能過于簡(jiǎn)單，需具有挑戰(zhàn)性，但也不能難度過大，占用學(xué)生過多的時(shí)間，甚至令學(xué)生失去興趣。經(jīng)過實(shí)踐，筆者給出的第一批5個(gè)案例為：級(jí)聯(lián)式晶閘管整流器的設(shè)計(jì)、高功率因數(shù)PWM整流器的設(shè)計(jì)、SPWM逆變電源的設(shè)計(jì)、矩形波交流電源的設(shè)計(jì)、高頻高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，案例的選擇并不是一成不變的，為了防止部分學(xué)生向上一屆學(xué)生索要案例設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)考慮到電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，每一屆教學(xué)中都將對(duì)案例進(jìn)行修改或更換.2.研究學(xué)習(xí)各課題小組根據(jù)案例的要求，進(jìn)行分工合作，首先要充分理解教材，判斷案例涉及教材中的哪部分章節(jié)的內(nèi)容，深入閱讀教材，然后根據(jù)教師提供的文獻(xiàn)資料及學(xué)習(xí)方法，通過圖書館、期刊網(wǎng)等文獻(xiàn)檢索工具的幫助，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)課題進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)。由于課題涉及的電路、自動(dòng)控制等方面的理論較多，需要學(xué)生閱讀較多的文獻(xiàn)。小組成員之間需要經(jīng)常溝通和討論，并進(jìn)行材料的整合并為報(bào)告做準(zhǔn)備。3.仿真研究由于學(xué)時(shí)以及實(shí)驗(yàn)條件所限，學(xué)生無法對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)出的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，可采用仿真驗(yàn)證的方法。目前，有多種仿真軟件可以仿真電力電子電路，其中最常用的是Matlab/Simulink和PSIM。這兩種軟件已被許多教師用于課堂教學(xué)中，但學(xué)生動(dòng)手使用的并不多，實(shí)際上，這兩種軟件易學(xué)易用，學(xué)生無需在學(xué)習(xí)軟件的使用方法上花費(fèi)太多的時(shí)間。在案例設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生可以隨時(shí)用設(shè)計(jì)的仿真程序驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性；設(shè)計(jì)完成后，要給出不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同控制策略、不同電路參數(shù)和控制參數(shù)下的主要波形，并由此確定最佳拓?fù)浜蛥?shù)。在第二和第三階段，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)與教師交流。4.報(bào)告討論報(bào)告和討論是案例教學(xué)法的重要環(huán)節(jié)，一般安排在課程結(jié)尾階段進(jìn)行。由于學(xué)時(shí)的限制，為每個(gè)案例分配的時(shí)間為20分鐘～30分鐘。課題組推舉一位報(bào)告人，報(bào)告人應(yīng)在報(bào)告前做好PowerPoint講稿，報(bào)告時(shí)用5分鐘的時(shí)間介紹案例的要求和設(shè)計(jì)結(jié)果。余下時(shí)間由全體學(xué)生討論設(shè)計(jì)的合理性，學(xué)生也可以提出各種問題，由報(bào)告人進(jìn)行解答，報(bào)告人解答不了的，由該課題組的其他成員解答。教師在此過程中應(yīng)對(duì)討論的深度和廣度加以把握，最后對(duì)案例設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并記錄學(xué)生在報(bào)告和討論過程中的表現(xiàn)，作為考核的依據(jù)。5.撰寫小論文通過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，每個(gè)學(xué)生提交一份與案例相關(guān)的研究性小論文，教師應(yīng)要求每個(gè)課題組內(nèi)各成員間的小論文內(nèi)容有區(qū)別，即應(yīng)側(cè)重于自己所研究的那一部分。6.期末考核期末考核的成績(jī)由三部分組成：報(bào)告和討論過程中的表現(xiàn)以及小論文的質(zhì)量。為了保證考核的公平性，教師在布置任務(wù)時(shí)要為課題組的每個(gè)成員分配不同的工作。以“SPWM逆變電源的設(shè)計(jì)”為例，可將案例拆分為若干子課題，如：?jiǎn)蜗嗄孀冸娫吹脑O(shè)計(jì)、三相逆變電源的設(shè)計(jì)、常規(guī)SPWM調(diào)制方法研究、梯形波SPWM調(diào)制方法研究、鞍形波SPWM調(diào)制方法研究等幾個(gè)子課題。在小組成員較多的情況下，可令其中一部分同學(xué)用Matlab/Simulink仿真，其余同學(xué)用PSIM仿真，這樣不僅使每個(gè)學(xué)生都有相互獨(dú)立的任務(wù)，還可將不同仿真軟件得到的結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證。

案例舉例

本節(jié)以“矩形波交流電源的設(shè)計(jì)”為例來說明案例的實(shí)施效果。教師給出的案例為：矩形波交流電源在原油脫水等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用較為廣泛。本案例中矩形波電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：輸入為三相380V/50Hz交流電；輸出為單相矩形波，幅值5kV～20kV可調(diào)，頻率0.1kHz～20kHz連續(xù)可調(diào)。要求學(xué)生設(shè)計(jì)出系統(tǒng)框圖、主電路、驅(qū)動(dòng)控制電路，并對(duì)原理進(jìn)行仿真，給出仿真波形。經(jīng)過研究、討論以及教師指導(dǎo)，學(xué)生給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。其中系統(tǒng)框圖如圖1所示。此外，學(xué)生畫出了主電路，并選擇IGBT作為降壓變換器和全橋逆變電路的開關(guān)器件，選擇SG3525作為控制芯片，選擇EXB841作為驅(qū)動(dòng)芯片，畫出了控制和驅(qū)動(dòng)電路。學(xué)生的設(shè)計(jì)方案得到教師的肯定。但是在仿真中，學(xué)生遇到困難，不知如何調(diào)節(jié)輸出矩形波的幅值，這是因?yàn)榻滩闹须娐吩碇v得較多，而與控制有關(guān)的內(nèi)容有限。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)的論壇提出這一問題后，教師及時(shí)給出了建議，即將采樣得到的矩形波幅值除以變壓器變比后得到全橋逆變器輸出電壓的幅值，此幅值與降壓變換器的輸出相同，與給定電壓比較后得到誤差，再用PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生占空比信號(hào)。學(xué)生獲得建議后并經(jīng)過小組的進(jìn)一步討論，最終得出了仿真結(jié)果。此案例將電力電子技術(shù)教材中不同章節(jié)的內(nèi)容，以及自動(dòng)控制技術(shù)的內(nèi)容聯(lián)系起來，學(xué)生在完成此案例后，對(duì)電力電子技術(shù)的原理和應(yīng)用有了更深入地了解和體會(huì)。

與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，案例教學(xué)法在提高學(xué)生工程實(shí)踐能力、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐表明，這種方法的教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)法，與“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的理念相符合，值得進(jìn)一步研究和推廣。當(dāng)然，這種方法也存在著一定的不足，如對(duì)教師和學(xué)生的要求較高，部分學(xué)生積極性不高，教學(xué)法的實(shí)施與有限的學(xué)時(shí)存在矛盾等，筆者將這些問題的解決方法在今后的實(shí)踐中進(jìn)行更深入的探索。