本站原创摘 要 ：“电力电子技术”是一门理论和实践紧密相关的课程,对学生动手能力要求很高.分析了“电力电子技术”课程实验教学中存在的一些问题,提出了相应的改进方法,达到了良好的教学效果.
关 键 词 ：电力电子技术；实验教学；本科创新型人才
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0194-02
“电力电子技术”是大学本科电气工程专业的一门很重要的专业基础课程,主要研究各种电力电子器件（如晶闸管,GTO,IGBT,MOET等）的原理,以及用这些电子器件所构成的对电能变换和控制的电路.总之,电力电子技术是强弱电相结合的新兴学科.[1]与此同时,“电力电子技术”课程又与众多先修课程,如“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”等存在着内容上的交叠关系,因此对学生的理论储备要求较高,同时更要求学生具备一定的动手和分析能力.为了能够尽快引导学生入门,南京工程学院电力工程学院从课程内容体系安排和教学方式等方面进行了一定的探索和研究.
培养本科创新型人才是近年来高校教学改革的一个重点方向,创新型本科不是低层次的高等教育,其培养目标是面对现代社会的高新技术产业,在工业、工程领域的生产建设、管理、怎么写作等第一线岗位直接从事解决实际问题、维持工作正常运行的高等技术型人才.本科创新型人才的最大特点是具有较强的技术思维能力,擅长技术的应用,具备较高的理论知识和实际动手能力,能够解决生产实际中的具体技术问题.[2]以此为目标,在本科实验教学中,采用开放的思维方法,让学生独立思考、大胆探索,拓展学生的创新思维和能力.
一、实验前预习的督促与检查
1.检查学生实验报告书写
在平时的实验教学过程中,一些学生对理论课上讲授的知识较为熟悉,但对实验室中纷繁复杂的实验设备不甚了解.因此,在实验进行前查阅理论课知识,编写实验预习报告是一项必不可少的步骤.在实际教学实施过程中,在课堂上利用几分钟抽取几名同学回答预习报告中的问题,借此提醒学生,要对实验的理论基础、设备以及步骤有一个大致了解,避免盲目的上实验台操作,从而杜绝实验室安全事故的发生.
2.抽查学生操作设备仪器
电力电子实验的类型既有验证性实验,也有设计性实验,这一系列的验证和探索的过程都离不开各种装置和测量仪器,如示波器,万用表,交流、直流电流表,电压表以及各种接线端子等.学生在实验前应该利用课余时间到实验室去熟悉这些实验装置和测量仪器的构造、性能,这对后续实验课的进行很有必要.为了检查学生对该部分内容的预习情况,每节课开始也会安排一定的时间来考察学生对这些设备仪器的使用情况.
南京工程学院电力工程学院实验室使用的是台湾固纬公司生产的GDS-2062型数字双踪示波器.该双踪示波器有两个探头,可以同时测量两个信号.如何合理地使用和调节双踪示波器去跟踪复杂信号是一个非常重要的技巧,很多学生经常抱怨很难掌握该技巧.因此将此作为考察学生预习情况的内容.使用信号发生仪产生一些特殊信号,让学生自己把信号调节出来,通常有以下几种方法：
（1）如果看不到信号,应先检查表笔的倍数是否放在X10档位,如果放在X1档位上会导致幅值较大的信号量程超过示波器的显示范围；随后调整垂直Y通道量程按钮,先粗调节,再细调节,让幅值增大,还需要调节Y通道的位移按钮,即移动信号的X轴,以便最终显示完整的信号.
（2）如果看到的是抖动的信号,则需要增加示波器的扫描时间,以便跟踪上该周期较小的信号.
（3）如果看到的是一条稳定的斜线或者近似于一条直线,则需要减少示波器的扫描时间,以便显示该周期较大的信号.学生经过以上指导,逐渐掌握了上述一些调整方法.
在电力电子实验中,经常要精确地调节晶闸管的控制角、PWM信号的占空比等,很多学生只是初略估算这些数值,导致实验结果和理论计算结果大相径庭.因此还要考察学生熟练使用示波器的游标（CURSOR）功能,通过度量游标之间时标的根据双脉冲与A相交流电的位置关系,波形1中双脉冲触发晶闸管的控制角应该是60°,波形2中PWM信号的占空比为70%.将这些示波器操作的内容贯穿在课堂教学中,让学生意识到使用这些设备和仪器拥有很多技巧,督促他们多思考、勤动手,而不是简单的会用即可.
二、课堂实验前的讲授环节
在以往的实验教学实践中,很多实验室教师不重视讲授环节,针对这种情况,在实验课讲授中,不能生搬硬套理论课的内容,而是要有所侧重.南京工程学院电力工程学院在每个实验的课堂授课时都按照原理讲授、示范接线、结果展示、问答环节四个步骤进行.以三相桥式全控整流电路为例来说明南京工程学院电力工程学院的教学实施过程,该实验原理如图2所示.
1.原理讲授
鉴于学生在理论课上已经学过相关知识,所以无需再长篇累牍的讲解原理,而只是强调实验中最重要的地方.对于本实验,什么是共阴极、共阳极电位点；双脉冲触发电路的原理；控制角α的确定；什么叫自然换相点等内容,都会对学生进行讲授.另外,在课堂上要充分利用板书,将原理展示给学生,让学生在听讲的同时可以通过板书上的内容回忆原理,理解试验中对应的电路接线图,起到提纲挈领的作用.
2.示范接线
示范接线是实验室课堂教学中的一个很重要的环节.在该环节中,由教师在实验台上给学生一步步演示接线的步骤,同时也需要辅以一定的讲解,遇到重要的接线,更是要反复强调多遍,让学生明白接错的后果.在本实验中,其电路核心是三个共阴极和三个共阳极的晶闸管连接,接错不仅会导致整流电路无输出,或者输出有效值偏低,甚至会造成晶闸管烧毁的事故；晶闸管门极触发电路接线也十分重要,在实验中一般要求学生先调试触发回路,用示波器观察到有双脉冲输出后,再接入门极,并且晶闸管的触发顺序不能弄错,一定要符合VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的导通顺序. 为了让学生养成良好的习惯,一律采用标准化接线方法,即：电流应该使用Φ等于2.1mm2的标准试验接线,电压用Φ等于1.6 mm2的标准试验接线,弱电和数字电路接线采用Φ等于1.2mm2的标准试验接线.A、B、C、N各相应该按照电气行业的标准使用、绿色、红色接线,标准电气实验接线如表1所示.
3.结果展示
在实验结果的展示阶段,由教师演示一个典型性的实验结果,如本实验中,控制角α等于60°时的负载电压Ud,电流波形Id,以及一个晶闸管上的Uvt波形.而剩余的实验环节,应让学生自己去完成.
4.问答环节
作为实验教学,其课程的信息量并不比理论课少.演示完毕后,部分学生会存在这样那样的疑惑,因此应留给学生提问的时间,可以让教师进一步了解学生的掌握情况,同时打消学生对实验的畏难心理,这也为将来改进授课方式提供了参考.
三、指导学生完成基本实验内容
经过以上各教学环节的铺垫,学生在实验中的疑问大大减少,但学生在实际操作过程中难免会发现各种故障问题,此时,教师不应该直接替学生解决问题,而应采用引导的方法,让学生自己去分析,从而找到问题、解决问题.
例如在三相桥式整流电路实验中,经常有学生发现负载电压输出量Ud偏小,达不到预定的数值,同时用示波器观察会发现输出波形与期望波形存在较大的差别,如图3所示.此时,教师应该告知学生输出偏小的原因在于存在晶闸管没有导通的情况,让学生去分析晶闸管未工作的原因.经过学生课堂上的讨论和总结,认为导致晶闸管不导通的原因包括以下几个方面：一是晶闸管烧坏；二是门极端无触发脉冲；三是晶闸管阳极与阴极间无正向电压；四是负载开路；五是该晶闸管这条支路无回路.首先教师指导学生先检查触发电路的工作情况,检查每个晶闸管上是否有正确的双窄触发脉冲输出；其次使用示波器检查晶闸管两端的Uvt波形是否正确；最后检查三相交流电的输入是否正确.最终学生发现故障的所在是由VT2晶闸管的门极接线不牢固,导致该晶闸管没有导通,使得这个电路电压输出量Ud偏小.在以上例子中,学生发现问题,转而小组讨论根据所学理论分析故障原因,然后去逐步排除,最终找到接线错误的地方.经过该流程,可以提高他们分析问题和处理问题的能力.
四、指导学有余力的学生进行实验创新探索
在实验中要培养学生的创新思维,就不能拘泥于实验报告,应指导学生进行实验创新探索.例如在单相交流调压电路实验中,要求学生去计算负载的阻抗角φ,进而验证控制角α和φ的关系.有的学生提出采用直流伏安法测电抗内阻,用交流法测定电感量,然后利用公式计算负载阻抗角的方法；[4]有的学生经过思考后发现,除了以上方法外,还可以让单相交流调压电路带上电阻电感负载后,使用示波器的CURSOR功能去测量第一个尖峰所占的时间△的差值,折算成角度后,即可以很简单的求出φ角,如图4所示.
通过以上实践让学生了解到实验结果并不是唯一的目的,通过思考用不同的方法验证实验结果才是一个探索和创新的过程.
五、结论
采用原理讲授、示范接线、结果展示、问答环节四个步骤进行实验教学,可以提高学生综合应用理论知识的能力,从而杜绝了以往实验课的三种不良现象,即：实验前不预习、实验时不认真、实验后不总结.实验教学方法的探索还有很长的路要走,只有不断修订和完善,才能培养出合格的本科创新型人才.