“双碳”目标下《电力电子技术》课程教学改革的探索与实践

石荣亮 陆东平 张烈平 李海侠

“双碳”目标下《电力电子技术》课程教学改革的探索与实践

石荣亮1陆东平2张烈平1李海侠1

（1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林 541006；2.桂林理工大学图书馆，广西 桂林 541004）

2030年碳达峰与2060年碳中和的“双碳”建设目标将推动经济社会往绿色低碳方向发展，有利于促进电力电子技术的革新与规模化应用。针对“双碳”背景下《电力电子技术》课程的教学现状以及所存在的问题，文章结合桂林理工大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，围绕课程教学内容与授课特点，重点从教学目标、教学内容和教学方法等三个方面探索并实践了课程教学改革的举措，以期提高课程教学水平并改善课堂教学效果，从而满足培养“双碳”科技创新人才的新需求。

“双碳”；建设目标；电力电子技术；教学改革

引言

2020年9月，第75届联合国大会一般性辩论上明确提出，中国力争于2030年之前实现二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年之前实现碳中和的“双碳”建设宏伟目标，以缓解全球的能源危机与温室效应问题[1]。“双碳”建设目标的提出将极大地推动我国经济社会发展向绿色低碳方向转型，同时将我国的绿色发展之路提升到了历史新高度，更指明了中国未来40年的绿色发展战略，有助于促进电力电子技术的革新与规模化应用。全社会处于“双碳”建设目标的发展起步阶段，需要践行低碳环保理念和强化“双碳”建设意识。高等院校作为科技创新发源地与基础研究主力阵营，应主动将“双碳”建设理念与课程教学改革有机结合，为“双碳”国家发展战略的早日实现提供人才储备与技术支撑[2]。国家教育部于2021年7月印发了《高等学校碳中和科技创新行动计划》，明确地指出了高等院校应充分挖掘自身在基础研究、学科建设、人才培养等方面的优势地位，加快构建高校“双碳”人才培养体系与科技创新架构，着力提高创新人才培养水平与科技创新能力[3]。同时，要求高等院校建设一批国家级“双碳”建设相关的一流本科专业，并鼓励开设一些与“双碳”建设相关的通识课程，将“双碳”建设的理念和实践有效地融入到高校人才培养体系中。

风能和太阳能均是分布广泛、可高效应用的可再生绿色能源，大力开发并利用风能和太阳能是实现“双碳”国家战略目标的重要途径。风力发电系统与光伏发电系统均是利用电力电子变换器作为自身与电网之间交互的端口，并将相关电力电子技术应用至变换器控制中，以实现风电与光电在电网中的规模化应用。近年来，我国的风电产业与光伏产业的发展均十分迅速并在国际市场占据主导地位，以电力电子技术（特别是DC/DC与DC/AC电力变换技术）为控制核心的风电产业与光伏产业已成为我国极具科技含量以及竞争优势的高新产业，坚信未来在“双碳”建设目标的推动下，将发挥越来越重要的作用并成为能源绿色低碳转型的中流砥柱。

目前，国内高等院校诸多教师在“双碳”建设目标与课程教学改革相互结合方面开展了颇具意义的探索与实践。张凯和周琳[4]以高校《计算机网络》课程为例，提出了建设“4＋3＋2＋1＋微”课程平台，建立多学科专业的不同课程教学目标，以提升课程教学质量并解决当前教学实践难以满足当前“双碳”类课程内涵要义的问题。张大全等[5]以《大气污染控制工程》课程应用为例，对课程的教学体系进行重构，纳入与节能减排、碳中和的相关教学内容，以满足“双碳”目标对课程教学所提出的新要求。王强等[6]在“双碳”建设的大背景下，总结了绿色工程教育的内涵并探索了化工学科的绿色工程教育途径，为“双碳”背景下化工专业学生的绿色工程能力培养提供支撑和理论支持。黄珍等[7]聚焦于企业低碳管理中的碳减排激励、碳责任确认、碳抵消管理、碳效果激励和碳信息披露五个关键科学问题，主要从课程体系、实践平台、招生选拔和师资队伍等多个维度构建了人才培养体系，为高校在“双碳”目标下的新文科专业建设与人才培养提供参考。刘丽娜等[8]提出了将“双碳”理念与新工科融入《生物质能源转化与利用技术》课程理论体系的教学方法与教学模式，旨在挖掘学生潜力、激发学生兴趣，培养具有创新和实践能力的新能源、新材料和节能环保多技术领域交叉型高素质人才。

以上文献虽然对“双碳”建设目标与各类课程教学体系革新、不同专业人才培养模式的融合进行了有价值的探索，但是均未涉及“双碳”目标下《电力电子技术》课程教学改革的研究与实践。鉴于此，本文在分析“双碳”背景下《电力电子技术》课程的教学现状以及所存在问题的基础上，结合桂林理工大学自动化本科专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，重点围绕课程教学内容以及授课特点，主要从课程的教学目标、教学内容与教学方法等三个方面探索并实践了课程教学改革的举措，以期提高课程教学水平并改善课堂教学效果，从而满足培养“双碳”科技创新人才的新需求。

1　课程的教学现状及其存在的问题

《电力电子技术》课程是一门理论紧密联系实践的自动化、电气工程等本科专业的交叉性与综合性强的课程，其教学内容涵盖了电力、电子、控制与计算机等多个学科领域。该课程通常开设在大二下或大三上学期，学生通过先修《电路分析基础》《模拟电子技术》《电机学》等专业基础类课程的学习，已经对《电力电子技术》课程的电力电子器件特性分析、各类变换器拓扑工作原理与驱动信号产生机理等相关理论知识有所积累，能够为电力电子技术控制理论的应用与实践提供行之有效的理论分析基础和知识储备支撑。然而，《电力电子技术》课程的教学实践过程仍存在一些不足，无法与“双碳”目标下对科技创新人才的新需求相匹配。

第一，教学方式单一和学生参与积极性低。《电力电子技术》存在着课程内容多且杂、知识点抽象而课程的授课学时又是非常有限的教学现状。为了能在有限的授课学时内将繁多的知识点全部传授给学生，部分授课教师往往采用以课堂教学为主而学生被动接受的单向式、单一式教学方式。具体而言，一此教师在课堂上通常以讲授知识点为教学主线，学生成为了“填鸭式”与被动式接受理论知识的对象，导致教师在重要知识点的讲解、分析与应用等方面缺乏针对性的引导，导致学生难以提高学习兴趣，参与课堂教学过程的积极性低。

第二，授课内容陈旧，没有紧跟快速发展的科技前沿。《电力电子技术》课程的授课内容往往是以所选用教材所包含的知识点为主，而易忽略新兴技术知识的补充。正如周孝信院士在《新一代电力系统与能源互联网》学术报告中提到的在“双碳”建设国家发展战略下，以新能源为主体的电力电子化新型电力系统正蓬勃发展，电力电子技术已上升为国家战略所需的核心技术。然而，课程教材的版本更新及其相应知识点的扩展是相对缓慢的，故以教材所列知识点为教学大纲的授课方式将无法紧跟并匹配日新月异的科学技术。

第三，学生的基础理论知识不牢固，与课程重要知识点没有构成完整衔接。《电力电子技术》课程的重点教学内容主要是围绕电力电子器件、电力电子变换器拓扑和电力电子技术控制应用三个维度逐步深入展开，且三个教学维度的授课内容构成一个相互衔接、逐层推进与紧密关联的有机整体。学生需要具备扎实的先修课程所包含的与《电力电子技术》课程相关的基础理论知识，才能容易掌握课程三个维度的教学内容。然而，授课教师在教学实践过程中发现学生掌握基础理论知识的水平参差不齐，造成学生无法跟上教师的课堂授课节奏，更难以与教师形成良好的课堂教学互动，使得教学效果与“双碳”背景下创新人才培养目标之间存在差距。

2　《电力电子技术》教学改革的举措

为了解决“双碳”目标下《电力电子技术》课程的教学现状及其存在问题，本文结合桂林理工大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，重点围绕课程教学内容及其授课特点，下面主要从教学目标、教学内容以及教学方法三个方面探索并实践了课程教学改革的各类有效举措，以助于实现“双碳”背景下对科技创新专业人才的培养目标。

第一，将“双碳”建设理念融入课程教学目标中，构建大学生课程思想政治教育体系。“双碳”建设目标是与美丽中国的建设目标高度统一，这不仅是中国解决能源危机与缓解气候升温的“两步走”，更明确了中国未来40年的国家重大发展战略。授课教师应将“双碳”建设理念与《电力电子技术》课程教学目标有机融合，对于构建适应当代大学生的课程思政教育理论体系具有重要的意义，有利于引导学生养成可持续发展的理念并践行低碳环保生活，同时有助于当代大学生树立正确的价值观与合乎科学的发展观。

例如，桂林理工大学自动化专业任课教师在课程的绪论授课部分，通过引入《新时代的中国能源发展》白皮书，全面介绍中国贯彻“四个革命、一个合作”的能源安全新战略、能源发展取得的历史性成就、能源生产与利用方式发生重大变革，中国积极参与全球能源治理并携手应对全球气候变化，推动构建人类命运共同体的理念与行动。同时，让学生树立能源危机意识，了解化石能源的大量消耗会产生全球气候变暖与环境污染等问题，也给我国能源生产安全和“双碳”建设目标带来严峻挑战。从科学技术发展与应用的角度出发，让学生充分认识到以电力电子技术为控制核心的风力发电与光伏发电等可再生能源的规模化应用是实现中国能源结构从化石能源向绿色能源转型的重要举措，以培养学生的爱国情怀。此外，还可将中国如何实现“双碳”建设目标的举措融入至教学过程中，提高学生思考问题的积极性和学习课程的兴趣。

第二，合理更新并构建课程教学内容，紧跟“双碳”建设的前沿科技。电力电子技术是一门与科学技术前沿紧密结合的交叉型、应用型专业技术。《电力电子技术》课程的教学内容不仅覆盖经典的基础理论知识，而且需要紧跟科学技术发展前沿，了解各种电力电子技术的应用场景与发展现状。对于课程基础理论知识内容的学习，可通过订购一本经典的课程教材辅以一两本同类教材得以完成。本课程选择张兴与黄海宏主编的《电力电子技术（第二版）》作为基础教材，同时推荐学生选订王兆安与刘进军主编的《电力电子技术（第五版）》作为辅助教材，学习有关电力电子功率半导体器件、各种典型的电力电子变换器、以及各类电力电子变换器工作原理及其典型应用等基础知识内容。考虑到学生掌握学科基础理论知识的水平参差不齐，难以将先学有关理论知识顺利地迁移至本课程学习过程中，以及教材所列教学内容无法涵盖“双碳”背景下快速更迭的电力电子技术等问题，授课教师应适当地调整与优化了课程的教学内容，以保证学生能够完整地掌握经典的和全新的电力电子技术相关知识。

《电力电子技术》课程内容中的电力电子功率半导体器件发展非常迅速，授课教师在准备课程内容的时候需要结合当前的研究热点与科技前沿相关技术。例如，桂林理工大学自动化专业任课教师在准备电力电子器件这一部分教学PPT的过程中，不仅将教材中所列出的基础器件部分所涉及的电力电子器件及其应用内容加入该部分教学PPT中，而且将所选用的教材并未涉及新兴出现的高性能第三代新型宽襟带半导体器件——SiC、GaN等的基础知识内容也加入到教学PPT中，最终在课程教学过程中给学生呈现出一份完整的电力电子器件教学材料。同时，对于SiC、GaN所构成的电力电子变换器及其控制应用技术需要调研科研论文，授课教师下载并研读最新发表的高水平学术论文并作为教学参考资料，更新并补充至教学内容中。此外，目前基于SiC、GaN的电力电子变换器已在部分工业领域得到应用，但是在更为广泛的商业应用领域还存在运行稳定性与电磁干扰等问题。在教学过程中，授课教师也会关注这一类前沿的技术领域，以技术专题或课外兴趣咨询等形式进行介绍与讨论，保证学生能够积极地参与到课程内容教学过程中，以提高学生的学习兴趣和学习积极性，有利于培养学生的创新思维和科学探索能力。

第三，采用“双碳”建设理念融入课程授课的教学方法，培养“双碳”型科技创新人才。在《电力电子技术》课程教学过程中，授课教师需始终贯彻理论紧密联系实践的教学理念，学生通过学习理论基础知识与实践专业知识应用，培养自身发现问题、分析问题与解决问题的实践能力。在知识层面上，教师要让学生能够掌握电力电子变换器及其控制变换技术的基础理论知识，了解电力电子功率半导体器件的基本工作原理及其封装改造工艺，掌握DC/AC、DC/DC、AC/DC与AC/AC四类典型电力电子变换器的工作原理、控制方法和应用特征。在能力层面上，教师应该让学生熟练掌握四类典型电力电子变换器的分析、设计与控制方法，能够结合科研项目关键技术与工程实践应用问题开展应用方法研究，制定并完善研究路线。此外，在思想与素质教育层面上，教师应重点围绕“双碳”国家发展战略，将“双碳”建设理念融入课程的教学过程中，提升学生参与课程互动的积极性与课堂教学效果，培养具有“双碳”创新实践能力的专业人才。

例如，桂林理工大学自动化专业任课教师在课程授课过程中制定了相应的教学改革措施。一方面，在课程授课的绪论部分让学生掌握《电力电子技术》的定义、组成与应用等基本知识，同时给学生介绍“双碳”建设目标的概念与构建意义，引导学生树立关注并拥护国家发展战略决策的爱国情怀。另一方面，引导学生站在人类社会可持续发展的战略高度看待科技发展历程，重点围绕能源危机、全球气候变暖等对人类科技生产与日常生活带来深远影响的问题，使学生了解电力电子技术的发展是为了解决人类命运共同体所面临的重大问题，从而使得学生对“双碳”建设理念所涉及的电力电子技术产生浓厚学习兴趣，利于学生做出正确、合理的人生职业规划。

3　结束语

“双碳”建设目标有利于推动经济社会往绿色低碳方向发展，有助于促进电力电子技术的革新与规模化应用。本文在分析“双碳”背景下《电力电子技术》课程的教学现状以及所存在问题的基础上，结合桂林理工大学自动化专业的《电力电子技术》课程教学实际情况，重点围绕课程教学内容和授课特点，主要从教学目标、教学内容和教学方法三个方面对课程教学改革的举措进行了有益的探索与实践，将“双碳”建设理念有机融入至课程教学过程中，以期提高课程教学效果，同时满足培养“双碳”科技创新人才的新需求。

[1]陈斌，方艺萍. “双碳”战略背景下环境类新工科“双创”人才培养与实践探究[J]. 高教学刊，2021，7(z1): 29-33.

[2]吕石磊，王冉. “30·60”双碳目标下建环专业的教学改革与思考[J]. 高教学刊，2021，7(30): 62-65，69.

[3]曹昆，陈淑芬. “双碳”目标下《太阳能电池材料及技术》课程的教学改革探索[J]. 广东化工，2021(24): 171-172.

[4]张凯，周林. “双碳”背景下能源电力高校《计算机网络》课程探索[J]. 中国电力教育，2021(S1): 93-94.

[5]张大全，辛志玲，李瑾. “双碳”目标下《大气污染控制工程》课程建设要求[J]. 中国电力教育，2021(S1): 95-96.

[6]王强，韩凯，卢红梅. 双碳背景下化工专业学生的绿色工程教育[J]. 广东化工，2021，48(24): 261-262.

[7]黄珍，贾明，刘慧. 双碳目标下高校建设“低碳科技与管理”专业的探索[J]. 新文科教育研究，2021(4): 60-73.

[8]刘丽娜，漆新华，孙妍，等. 新工科与“双碳”背景下生物质能源转化与利用技术课程教学改革[J]. 高教学刊，2021，7(z1): 121-122，125.

Exploration and Practice of Teaching Reform ofunder the Target of "Double Carbon"

The "double carbon" construction targets of carbon peaking in 2030 and carbon neutrality in 2060 will promote the development of the economy and society in a green and low-carbon direction, which is conducive to promoting the innovation and large-scale application of power electronics. In view of the current teaching situation and existing problems of the course ofunder the background of "double carbon", based on the actual teaching situation of the coursein the automation specialty of Guilin University of Technology, this paper explores and practices the measures of the course teaching reform from three aspects of teaching objectives, teaching contents and teaching methods around the course teaching contents and characteristics, with a view to improving the course teaching level and improving the classroom teaching effect, so as to meet the new needs of cultivating "double carbon" scientific and technological innovation talents.

"double carbon"; construction target; power electronics; teaching reform

G642

A

1008-1151(2022)10-0130-03

2022-06-30

广西高等教育本科教学改革工程一般项目“基于建构主义导向的‘翻转课堂’教学法在《电力电子技术》课程教学中的应用研究与实践”（2021JGB205）；广西高等教育本科教学改革工程立项项目（2016JGA100）。

石荣亮（1987－），男，上海人，桂林理工大学机械与控制工程学院讲师，硕士生导师，博士，从事自动化专业的教学和科研工作。