“现代电力电子技术”MOOC建设与混合式教学

［摘 要］ “现代电力电子技术”是面向工程硕士教育开设的一门线上线下混合式课程。由于此课程具有多学科交叉、面向工程实际、学习对象较复杂等特点，线上线下混合式教学方法和授课形式需要有针对性地设计。针对以上课程特点，分析并提出了该课程内容选择方案，提出了适应线上线下教学的内容编排方法，探讨了线下授课的教学方法，形成了以课程设计为骨架，设计目标验证为导向，结合小组讨论汇报和答疑的混合式教学方案，提升了课程教学效果，培养了学生研究性学习的能力。

［关键词］ 现代电力电子技术；线上线下混合式课程；教学方法

［基金项目］ 2022年度武汉大学研究生研究学分课程建设项目“新型机电系统动力学建模方法”（武大研字〔2012〕72号）

［作者简介］ 黄 萌（1984—），男，湖北武汉人，博士，武汉大学电气与自动化学院副教授，主要从事电力电子技术研究；孙建军（1975—），男，江西新干人，博士，武汉大学电气与自动化学院教授，主要从事电力电子技术研究；宫金武（1981—），男，湖北随州人，博士，武汉大学电气与自动化学院副教授，主要从事电力电子技术研究。

［中图分类号］ G643.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）15-0125-04 ［收稿日期］ 2023-08-16

引言

电力电子技术是电力系统及其自动化中一个活跃的分支。它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的教学内容。

“现代电力电子技术”课程基于利用半导体器件进行电能变换和控制的电力电子技术［1］，重点关注当前广泛应用的新能源发电装置、柔性直流输电系统、无功及谐波补偿装置等内容。主要面向工程硕士研究生，让学生掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术指标。主要培养研究生从事电力电子装置与系统的分析、工程设计方面的能力及一定的科研能力。

大规模在线公开课程MOOC（Massive Open Online Course）为学习者提供了新型的知识获取渠道。茅靖峰等［2］对“现代电力电子技术”教学中面向应用型人才的教学实践进行研究；赵益波［3］探讨了课程设计对电力电子技术类课程学习的重要价值；张玲霞等［4］探讨了MOOC时代的教学特征；贺雪晨［5］提出在线授课时需要在以授课为基础的课堂模式中引入全新的教学理念及优质资源。本文从“现代电力电子技术”线上线下混合式课程的教学特点及要求出发，对课程内容建设和教学方法进行探讨。

一、课程特点

“现代电力电子技术”课程拟使电气工程硕士研究生进一步学习、探索以电力电子技术为核心的柔性装置在电力系统中的应用，解决电力系统的安全稳定经济问题，是电力电子技术与电力系统的结合。由于融入了当前应用广泛的新能源发电、柔性直流输电等内容，且需实施在线视频授课，本课程具有以下一些特点。

（一）多学科交叉，关注应用型的问题

新能源发电应用中，电力电子装置是一个主要环节，但装置的应用场景差别很大。例如，我国西部地区地域广阔，所采用的大都是大型光伏电站形式，光伏发电汇集到高压直流输电线路。而在东南部，土地资源有限，多是分布式发电形式，太阳能通过微型逆变器并入低压配网。因此，在教学时需要从地理、经济、环境多学科角度分析电力电子应用时的特点。与实际结合不仅使学生易于理解，并且能引起学生的学习兴趣。

（二）系统较复杂，软硬件结合

在传统的电力电子技术课程的教学中，对晶闸管、IGBT等器件进行了详细介绍，侧重于物理过程的分析；对拓扑结构的教学侧重于波形分析，强调物理过程。这样的方法虽然给学生打下较好基础，但是也弱化了电力电子应用中数模电反馈电路、自动控制原理、工程应用等方面的认知。学生对电力电子装置与系统缺乏整体性的印象。对于工程硕士来说，学生更感兴趣的可能是实用化的技术。

（三）线上线下混合授课带来的困难

在线课程具有受众广、自由开放等一系列不言而喻的优点，然而这种新的授课形式也带来很多挑战。首先，学生注意力容易转移，学习的兴奋点一旦失去，可能对课程迅速失去关注度。其次，也存在师生无法面对面实时沟通的问题，特别是在线课程实际上是在“放录像”，学生出现问题无法及时解答，也无法把握学生的学习状态。

二、教学方法探讨

针对以上课程特点，参考其他在线课程的优秀教学方法，笔者所在教学团队拟对“现代电力电子技术”在线课程做如下一些尝试。

（一）线上课程视频内容选择

本课程设计并录制了五个章节的短视频内容，包括：基本变换类型及稳态分析、电路建模与控制、PWM和软开关技术、多电平与多重化技术、电力系统应用。每段视频大约在5～10分钟，一共17段视频。

课程内容的选择有以下几方面考虑。一是与本科“电力电子技术”课程的承接性。本科“电力电子技术”课程主要包括了基本变换电路、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）技术、软开关等内容。因此，在工程硕士研究生课程教学中，侧重点在于电力电子电路的建模与控制。功率变换类型的内容为电路稳态分析服务，PWM技术内容为开关平均建模服务，软开关技术则面向实际谐振变换器、移相全桥变换器，更具有实用性和针对性。二是与电力系统发展相结合。随着新能源发电、直流输电、柔性输配电以及储能技术的广泛应用，电力电子功率变换得到极大的发展。电力系统应用对电压和功率等级的要求日益提高，因此，多重化和多电平技术在本课程中进行了介绍。特别地，大功率风电和柔性直流输电系统中对模块化多电平（Modular Multi-level Converter， MMC）的需求日益迫切，课程中也单独设立了一节对MMC的原理进行讲授。

（二）线上课程视频内容编排

本课程的视频大都控制在5～10分钟，重点讲述所对应小节内容的主线。以现代电力电子功率变换电路建模与控制章节为例。该章节分为四个小节，包括：开关斩波调制技术、小信号建模作用不小、“一机多能”的电力电子功率变换、电力电子系统中复杂行为。每个小节下设两到三个知识点，如“一机多能”的电力电子功率变换小节，分别讲授了电力电子系统的控制架构、反馈控制设计及以新能源发电中的最大功率跟踪技术为例展示具体分析设计流程。在内容编排上，尽量避免复杂的公式推导。线上课程时长为8～15分钟。

“现代电力电子技术”中的新能源、柔性直流输电、谐波和无功补偿等内容，更适合于用图片、动画的方式直观地向学生展示。例如，光伏发电P-U特性曲线呈现非线性特征，具有最大输出功率点。而应用较为广泛的扰动-观测法，本质上就是一个动态调整的过程。因此，可以在在线授课时以动画显示工作点调整过程。首先，在确定的辐照度S条件下，光伏变换器启动之后，工作点从原点开始沿P-U特性曲线移动，每次移动ΔU距离。当接近最大功率点时，工作点在曲线顶点来回移动。其次，当光照变化或者电池板被遮挡时，工作点发生跳变，从某条曲线跳到另一条。在风电应用中，可以结合桨距角调节的内容，已不仅仅局限于电力电子学知识。这些动态调整过程，非常适宜在在线课程中以动画形式展现。

（三）线下课程教学模式

由于“现代电力电子技术”是一门工程性、实用性较强的课程，因此制定合理的课程设计内容，是激发学生学习兴趣、提高教学质量的重要途径。线下课程由课程讲座授课和仿真实验两部分结合。教师首先由线上课程内容引出、梳理本节知识点。例如，小信号建模部分，从断续导通模式下的DC-DC变换器出发，先介绍电流峰值控制和次谐波振荡问题。然后根据开关状态平均法建立小信号模型，进而分析模型的稳定性和补偿设计。

OBE（Outcome-based Education， OBE）教育理念中一个核心内容是面向实际问题的案例教学。MatLab/Simulink仿真平台是一个适合电力电子仿真设计、验证的强大工具。教学过程中，通过仿真实例可以轻松解决波形抽象原理复杂的问题。而本课程中新能源发电、无功/谐波补偿、柔性直流输电装置等主要功能均可在此平台上实现。还是以光伏发电为例，教学时可借鉴工程设计流程，由教师定出设计指标，如表1所示。

学生根据设计指标，需要根据此应用场合计算DC-DC变换器中电感电流参数，选择开关器件并设计实现最大功率追踪算法、PI调节算法并在Simulink中实现。系统主要部分框图如图1所示。在这种DC-DC变换器中，也建议学生采用峰值电流控制，观察无斜坡补偿情况下占空比D小于0.5和大于0.5情况下的工作情况。通过时域波形观察次谐波振荡现象。通过设置合适的波形采样点，在分岔图上观察次谐波振荡对应的倍周期分岔现象，分析失稳机理。在此基础上，完成小信号建模和稳定性分析，进而设计补偿策略。

在教学过程中，可以让学生先实现某个模块功能，以此熟悉MatLab操作。进而再将整个系统作为课程设计，最终设计目标为系统以最大功率输出。课程设计的各个步骤内容对应于教师考查重点，从电路设计、仿真应用到设计目标的实现，各个层次考查学生实际应用电力电子技术的能力。诚然，此系统距离实际的光伏发电系统还有较大差距，但是可以让学生通过此过程直观认识现代电力电子技术的应用过程，提升学习兴趣和成就感。

课程设计主要内容包括五个方面：（1）新能源电力电子功率变换电路的理论分析；（2）电力电子拓扑选择、依据性能要求进行器件参数的计算；（3）变换器控制算法的选择，控制参数的计算，小信号建模与稳定性分析；（4）基于Simulink的系统搭建，系统时域和频率性能的软件分析；（5）验证设计目标，形成完整的设计技术报告。

以上五方面内容对应工程硕士的考查重点分别是：（1）理论分析用来检验学生理论知识的掌握情况；（2）参数计算用来考查学生能否进行简单的电路设计；（3）算法选择用来设计控制/调制算法是否合适；（4）软件使用是课程的一个重点，主要考查学生能否熟练应用软件，包括分析软件和仿真软件；（5）设计目标对应的是设计的验证，主要考虑电压/电流等指标是否能够达到，并且形成报告等材料，提升总结技术问题的能力。

通过以上几方面工作可以发现，在线上课程基础上，线下课程更多是引导学生结合实际场景进行思考和实践，并推动学生用动手实践来验证理论分析。

（四）反馈与答疑

线下课程还需考查学生的反馈情况。本课程组织学生以3～4人小组形式进行仿真实验并准备汇报PPT。每个小组汇报5～8分钟，教师现场点评。汇报中，一方面可以培养学生研究式学习的能力，了解资料和文献的收集情况；另一方面，可以考查学生对知识点的运用情况，例如DC-DC变换器小信号模型的分析和稳定性验证。此外，小组汇报还能够培养学生的表达能力和表达的科学性、逻辑性。根据学生反馈，对小组仿真和汇报内容的理解和掌握是本课程的主要收获。

网络的便捷性使得教师答疑解惑不再受时间、地域限制。在线学习平台网站实际上也是一个线上社区，学生通过发帖的方式，随时提出问题，问题不仅可以被相关教师回答，还可以被其他同学回答。有统计表明，在互动平台上的回答时间中间值只有22分钟，远比传统课堂对学生的答疑要好得多。当然，教师如能在社区交流中进行引导，学生将能取得更好的学习效果。

通过以上几方面工作，笔者对“现代电力电子技术”线上线下课程混合式教学进行了实践性的探索。虽然线上线下混合式教学具有灵活、精确性高、可控性强等特点，但是不可否认的是其也有不少局限性。这种模式对学生的要求更多，要取得很好的教学效果，需要学生在课前进行充分的预习，课后进行回顾与实践。同时对教师的要求也更高，需要教师对课程安排更加精细。总的来说，线上教学以“教”为主，而线下教师则是提供一种学习的环境，重点在“育”。教师不仅是知识的传播者，也是学生学习的引导者，是帮助学生学习的助手和朋友。

结语

“现代电力电子技术”在线课程是一门具有较强工程性和实践性的工程硕士研究生课程。通过在线授课形象化知识点，借课程设计提出目标，学生在目标实现过程中发现问题、解决问题，辅以社区式的交流答疑，激发学生主动性，提升教学效果。目前，该课程线上部分已在MOOC网站“学堂在线”上线，累计报名学习人数4 000余人。课程的线下部分每学年开课一次，累计学生达数百人，课程效果良好。

参考文献

［1］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.4版.北京：机械工业出版社，2010：1-9.

［2］茅靖峰，顾菊平，王亚芳.基于应用型人才培养的“现代电力电子技术”教学实践研究［J］.中国电力教育，2012（33）：32-33.

［3］赵益波.“电力电子技术”创新型课程设计探讨［J］.电气电子教学学报，2013，35（5）：111-112.

［4］张玲霞，闫允一，王辉，等.MOOC时代“电路分析”课程新教学模式探讨［J］.电气电子教学学报，2015，37（2）：19-21.

［5］贺雪晨.美国免费在线大学课程的启示［J］.中国电力教育，2014（30）：27-28+32.