科学的思维方法在电子拓扑研究中的应用及创新1.doc

自然辩证法 科学的思维方法在电子拓扑研究中的应用及创新科学的思维方法在电子拓扑研究中的应用及创新摘 要：将一些科学的思维方式(如对偶法、类比法、叠加法、替代法等)运用到电力电子学电路拓扑的研究中。通过对一些基本的电路拓扑进行分析，结果表明利用科学的思维方法对电力电子学拓扑进行研究，可以更好地理解现有拓扑的工作原理，简化分析过程，还可以促进、加快更多新型拓扑的产生，从而对电力电子学电路拓扑的研究起到推动作用。同时对于专业研究中该如何创新，本文通过创新思维培养、综合项目开发、平台建立学习等几个方面加以说明，为形成创新性电子专业研究生培养体系打下基础。关键词：科学思维方法 电力电子 拓扑结构 思维 创新 实践1 引言 电力与电子技术经过多年的实践和发展，已从最初的电力变流渗透到所有的电力应用领域。特别是随着新的电力半导体器件的问世，先进的控制理论的出现以及微处理器的应用，使电力电子技术得到了空前的发展。与此同时，各种新颖的、有实用价值的电路拓扑也不断涌现。在这些拓扑的产生过程中，有许多是凭经验或者是突发的灵感。那么是否可以根据已有的拓扑，利用某些可遵循的规律来指导新型拓扑的产生或者对已有的拓扑工作原理作更好的分析和理解?目前，我国在诸多电力与电子专业领域尚处初步阶段，许多领域近于空白，这都迫切要求培养出适应现代电力电子技术发展需要的创新人才。 科学的思维方法是运用科学抽象的成果进行深入的认知活动，是人类以往科学认识过程和规律的总结，是人类把以往的认识经验程序化、规范化的具体表现。这些思维方法反过来指导人类思维的进程，可以提高思维的效率，缩短思维的周期。因此，将科学的思维方式应用到电力电子学电路拓扑的研究中必定可以加快一些能解决实际问题的电路拓扑的出现以及对已有的拓扑进行更好的研究。 本文通过对一些例子进行分析，探讨了如何利用科学的思维方式对这些电路拓扑进行思考，得出一些有规律的东西，用于对产生新的电路拓扑进行指导，以加快新型拓扑的出现。同时针对电工专业电力电子方向的创新型研究，将充分结合电力电子技术发展特点如何进行改革和创新，进而形成一套完整、科学、高效电力电子专业的创新人才培养体系和方法。2 电力电子学研究中如何运用科学思维方法自然界的一切事物是现象和本质的统一。从观察和实验所获得的科学事实只是科学认识的基础，还有待于对这些事实进行加工、整理，使科学认识发生质的飞跃，从经验上升到理论，形成科学概念，作出判断，进行推理，提出假说，建立科学理论，揭示客观事物的本质和规律。整理和加工科学事实是通过头脑的思维活动完成的。这种思维活动称为理论思维方法或理性方法。理论思维的基本形式是科学抽象，它是科学认识由感性阶段向理性阶段飞跃的决定性环节。科学思维则是运用科学抽象的成果进行深入的认知活动。逻辑思维、形象思维和直觉思维是科学抽象的三种基本类型，科学思维的各种方法则是这些基本思维类型的应用。在电力电子学拓扑研究中运用到的科学思维方法有很多，具体包括：对偶法、替代法、类比法、化简法、叠加法和系统法等。2.1 对偶法在电路中，对偶原理是指电路中某些元素之间的关系（方程、电路、定理、定律等）用它们的对偶元素对应地置换后得到的新关系（新方程、新电路、新定理及定律）也一定成立。对偶原理在电路理论中占有重要地位。电路元件的特性、电路方程和其解都可以通过它们的对偶元件、对偶方程的研究而获得。电路的对偶性存在于电路变量、电路元件、电路定律、电路结构和分析方法的一一对应中。利用对偶原理的分析可以获得事半功倍的效果。电路中的对偶关系包括电流与电压、电阻与电导、电感与电容、磁链与电荷、串联与并联、短路与开路、电压源与电流源等等。 在电力电子学中，利用对偶的元素替换已有的拓扑中的元素可以得到新的电路拓扑。电力电子学中的对偶元素主要包括电感与电容、串联与并联、电流与电压等。具体应用电压型开关为一个可关断功率管和一个二极管的反向并联，那么利用串联与并联的对偶原理可以得到如电流型开关是一个可关断功率管和一个二极管的同向串联。利用电感与电容和电压与电流的对偶原理可以得到如三相电压型逆变器的对偶型逆变器是三相电流型逆变器。在这个过程中，利用电流开关替代电压开关，还将于桥臂并联的电容替换为与桥臂串联的电感。同时，利用对偶关系可以得到电压型逆变器的交流电压波形和电流型逆变器的电流波形形状相同。所以，利用对偶性还可以给电路拓扑工作的分析带来方便。2.2 类比法类比法是根据两个或两类对象之间在某些方面类似或同一，推断出它们在其他方面也可能类似或同一的逻辑思维方法，逻辑学上又叫类比推理。可表示为：A有，B有则B可能有。由A到B的推理可以是“特殊特殊”，也可以是“一般一般”。类比是以比较为基础。类比推理的客观基础是事物之间存在普遍联系的本性。对象间的同一性、相似性提供了从一类对象类推到另一类对象的可能性。但类比方法毕竟是扬弃了未知的中间环节，而从此一事物径直推出彼一事物的判断，所以在逻辑上总是或然性的。类比推理是逻辑推理方法中最富有创造性的一种，是科学研究的重要方法。在电力电子中类比法是指利用某类电路拓扑具有的相似性，从而类推出同类其它拓扑的方法。如单相半桥逆变器可以推广为三相桥式逆变器，也可以推广到四相、五相甚至更多相，只要有实际的应用价值。2.3 化简法 化简法是将现有的电路拓扑，经过简化从而产生新的与原拓扑功能不同的电路。如双正激电路，可以看作是桥式变换器将所对应的功率管和二极管去掉而形成的。2.4 叠加法 叠加法是利用一些最基本的电路拓扑的相互组合，经过适当的简化，产生新的拓扑方法。这些基本的电路拓扑包括升压型、降压型、单管正激、单管反激电路等。例如，升压型变压器的输入电流是连续的，而输出电流是断续的；降压型变压器恰恰相反。 叠加法在实际应用中也起到了广泛的应用，如化简法中的双正激电路也可以看作是由两个正激电路的叠加而成的。三反激电路可以看作是由三个反激电路叠加而成。2.5 替代法 替代法是利用某些元素来替代一些拓扑中的部分而产生新的拓扑或者起到简化电路的方法。如在电力电子拓扑的原理分析中，经常将大容量的电容用恒压源代替，大电感用恒流源代替，从而简化分析，也就是突出事物的主要矛盾，而忽略次要矛盾。 当然，在电力电子学中应用到的科学思维方法并不只限于以上几种，还有联合法、系统法等，而且这些方法往往互相渗透。3 专业研究如何创新科学发现是科学创新的同义词，而创新意味着创造性思维。科学发现过程不是平缓的、渐进的，它采取跳跃的形式，其中有一个突变，这个突变就叫创新。人类社会的发展就是在人类不断的创新中实现的，创造性思维是人类创新的灵魂和核心。3.1 培养创造性思维 何为创造性思维？从广义角度理解创造性思维则是指提出新概念、新思想、新理论或创造新事物的思维过程。或者说，广义的创造性思维是指在创造过程中发挥作用的一切思维活动的总称。从狭义角度理解创造性思维，专指提出创新思想的思维活动形式，指人们在依据一定经验和知识对客观事物进行研究和思考时，不受已有经验、知识和固定的逻辑规则约束，而灵活地进行发散性和收敛性等探索以寻求对象本质的思维形式。 创造性思维具有开创性、新颖性，它的发生发展必然是没有现成答案的、探索性极强的活动过程。一般说，创造性思维的出现，要经历四个阶段：准备、孕育、明朗和验证。尤其是第三阶段明朗期，在先前孕育成熟的基础上，突然出现灵感产生顿悟，新思想脱颖而出。只有在这个阶段才摆脱了旧经验、旧观念的束缚，产生超常的新观念、新思想。所以这个阶段是思维发生质变的阶段，在整个创造过程中具有关键性的意义。当然它不是孤立起作用，与其他阶段的思维活动是紧密联系的。 专业研究中应注意创造性思维的形式。辩证思维是其主导形式，它能引导人们对客观规律进行深刻的反映，对研究者的科学创造思想过程起导航和调控作用。非逻辑思维是其核心形式，它是以想象、直觉和灵感等为主的创造性思维。它们表现在常规思维的跳跃或逻辑程序的中断，它们较之常规的逻辑思维形式而言，有较大的随机性，极富创造性。逻辑思维是其相关形式，在科学创造过程中的作用主要表现在准备和整验证等方面，在整个创造过程中是不可缺少的相关思维形式。3.2 重视学术前沿动态和案例专业研究中应强调开展科研活动所需的专业基础理论知识的学习，一要重视综合素质、创新精神，提高发现、分析、解决问题的能力。研究生应以国际学术发展前沿知识为主要内容，从课程中了解相关专业问题的理论研究方向、应将所学知识引入实际案例中，加强对科研创新的感性认识，有助于引导我们主动构建创新所用研究方向、工程研究方向、当前研究的热点和难点以及可能的创新点，并从当前研究的热点、难点寻找创新思路。二要需的知识结构并提高学习热情。 3.3 开发综合性实验项目电力电子专业均为实践性非常强的课程，很多概念和方法必须通过实践环节才能较好地领会和掌握，通过开发综合性实验项目完成参数设计、实验、口头报告构建一个完整的产品研制过程，深入地理解和掌握变换器设计、调试的完整过程。由此很好地将所学到的理论知识进一步联系实际，加深感性认识，锻炼动手能力。在专业研究中，如引入广泛应用的充电器和逆变器技术等最新技术发展和实例，都可以让我们强化创新思维能力，培养浓厚的学习兴趣。3.4 从开放式实践平台中学习为了不断提高我们的综合设计能力和研究创新能力，应主动从实践平台方面学习课程设计，如开放的实验室就是一个很好的学习条件，充分利用实验室的更新设备，综合网络课程自行设计部分电路，结合工程项目进行创新性实验，发挥自己的创造性思维空间。 以目前实验室项目为例，根据提供的变换器要求自行设计器件参数，进行焊接和电路板的安装调试，最后提交调试好的电路板，以及一份完整设计和文档报告。根据一些企业研发中心，学习产品化的生产，综合检测等全部流程，熟悉电源产品的生产、综试等所有环节，听取专业技术宣讲，紧密结合实际产品的设计调试要求。这些都是有效提高创新动手能力，有实际应用需求的