韓 濤，肖 波，詹習(xí)生，涂 建

(湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

電力電子技術(shù)是高等院校電氣類專業(yè)的核心課程之一，集電力、電子、控制技術(shù)為一體，它是一門跨學(xué)科的利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，包括對電壓、電流、頻率和相位的變換[1]。該課程的突出特征是理論教學(xué)和實踐教學(xué)并重，要求理論必須和操作密切結(jié)合，強調(diào)技術(shù)應(yīng)用。電力電子技術(shù)實驗作為學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的一個重要實踐環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生更好地理解和掌握課程所學(xué)知識，較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的實驗技術(shù)和方法，進(jìn)一步熟悉它們在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。但目前地方性應(yīng)用型本科院校的實驗經(jīng)費有限、實驗設(shè)備難以滿足實驗教學(xué)的需求。同時電力電子技術(shù)實驗教學(xué)大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)模式，即課前實驗預(yù)習(xí)-教師講解實驗原理-教師演示實驗-學(xué)生完成實驗-學(xué)生交實驗報告。學(xué)生基本上是處于被動接受知識和實驗結(jié)果的學(xué)習(xí)狀態(tài)，缺乏主動性和創(chuàng)新性。這不利于新型應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)，也不利于應(yīng)對工程教育專業(yè)認(rèn)證的考驗。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已成為輔助教學(xué)的熱點。因此，對電力電子實驗教學(xué)進(jìn)行改革顯得十分有必要。

1 實驗存在的問題

結(jié)合本校的電力電子實驗教學(xué)現(xiàn)狀，目前實驗教學(xué)存在的問題主要包括以下幾個方面：1)實驗設(shè)備使用年限長，實驗設(shè)備破舊老化嚴(yán)重，實驗設(shè)備昂貴，受實驗教學(xué)經(jīng)費的影響，實驗設(shè)備更新很慢；2)學(xué)生良莠不齊，存在誤操作，導(dǎo)致電力電子器件的損耗性比較大；3)學(xué)生在做實驗的時候由于設(shè)備有限，基本上是幾個人一組，有些惰性比較強的學(xué)生，基本上是處于玩手機(jī)、混實驗課的狀態(tài)，積極性不高；4)由于實驗設(shè)備老化、實驗器件損壞，學(xué)生要花很長時間在實驗故障排除上，學(xué)生的實驗效率和成功率比較低，教學(xué)效果不好； 5) 現(xiàn)有實驗掛箱是模塊化、封閉的掛箱，在實驗過程中只能按照電路圖進(jìn)行接線，用示波器驗證實驗結(jié)果，學(xué)生對于實驗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電力電子器件了解較少，缺乏創(chuàng)新性；6)電力電子實驗過程中既有強電，也有弱電，實驗具有一定的危險性，加上學(xué)生的安全意識不強、對實驗原理理解不夠深入，存在安全隱患；7)電力電子實驗只能在固定的實驗室進(jìn)行，實驗課時有限，對于想進(jìn)一步提高電力電子實踐能力的學(xué)生無法滿足其要求。

2 教學(xué)模式改革

2.1 基于線上線下的混合式教學(xué)

電力電子技術(shù)是一門理論性和實踐性都很強的課程，任何實踐都需要理論進(jìn)行指導(dǎo)，電力電子的實踐教學(xué)也是這樣。因此，要開展好實踐教學(xué)，首先要重視理論教學(xué)，以理論教學(xué)為基礎(chǔ)[2]。對于地方應(yīng)用型本科院校，學(xué)生的基礎(chǔ)知識比較薄弱，學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定的困難。僅僅依靠課堂上的教學(xué)形式，學(xué)習(xí)效果不是很好。在現(xiàn)有多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，豐富理論教學(xué)形式，如基于線上線下的混合式教學(xué)。線上線下教學(xué)相結(jié)合，以線下教學(xué)為主，線上教學(xué)作為線下教學(xué)的有利補充。目前我校已經(jīng)開發(fā)了電力電子技術(shù)在線課程，該課程由學(xué)院電力電子技術(shù)課程教學(xué)團(tuán)隊參與建設(shè)錄制，目前已經(jīng)在智慧樹上開課3學(xué)期，選課人數(shù)累計2 766人，累計學(xué)校17所，累計互動2 493次。在線學(xué)習(xí)可以很好地與學(xué)生進(jìn)行在線互動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的主動性。該在線課程設(shè)有作業(yè)測試、章節(jié)測試，期末考試等環(huán)節(jié)，可以在線統(tǒng)計學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，優(yōu)化考核體系，并及時做好反饋。

根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教師在開展理論課的過程中，借助于在線課程平臺，中間穿插章節(jié)實驗，在線進(jìn)行案例演示，把電力電子技術(shù)課程中需要動手的部分，通過實驗的方式，引導(dǎo)學(xué)生開展實驗。綜合考慮學(xué)生理論和實驗學(xué)習(xí)實際情況以及學(xué)生的差異性，教師在原有實驗基礎(chǔ)上優(yōu)化實驗內(nèi)容，保留一些基礎(chǔ)性實驗，適當(dāng)增加一些開放性和綜合性的實驗。學(xué)生可以根據(jù)教師提供的題目自由選擇，有基礎(chǔ)的還可以根據(jù)實際情況進(jìn)行自主設(shè)計。

2.2 引入啟發(fā)創(chuàng)新性模式—電子仿真

電子仿真具有運行成本低，操作可控性高，實驗重復(fù)性好和整體實驗效果高等特點。針對實驗教學(xué)建設(shè)經(jīng)費有限、實驗場地不足，電力電子實驗裝置價格昂貴，實驗設(shè)備老化更新跟不上等問題，學(xué)生實驗效果不好的問題，可以引入啟發(fā)創(chuàng)新性教學(xué)模式，教師引導(dǎo)學(xué)生利用專業(yè)仿真軟件對電力電子技術(shù)實驗進(jìn)行仿真[3]。根據(jù)我院電氣專業(yè)人才培養(yǎng)計劃和課程教學(xué)大綱，教師可以通過案例教學(xué)的方式，啟發(fā)學(xué)生獨立完成相關(guān)實驗的設(shè)計和仿真，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力。實驗教學(xué)案例可以線下進(jìn)行，也可以借助于已運行的在線課程平臺智慧樹開展，這樣可以與理論課進(jìn)行有效銜接。借助專業(yè)仿真軟件的強大功能，教師營造一種“虛擬現(xiàn)實”的實驗環(huán)境，為學(xué)生能夠驗證設(shè)計方案的可行性和進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案提供便利。

當(dāng)前能被用于電力電子技術(shù)的仿真軟件很多，如PSPICE、ALTIUM DESIGNER、PROTEUS、POWERSIM、MATLAB/SIMULINK、MULTISIM等[4]。MATLAB/SIMULINK仿真軟件有著極其豐富的電力電子器件模塊以及強大的仿真能力，不用搭建專門的仿真平臺，可以直接在該軟件上方便地搭建仿真模型。新建仿真文件后，可以直接從對應(yīng)模塊庫里拖拽相應(yīng)模塊，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接即可搭建仿真模型。結(jié)合我校教學(xué)實際，電氣專業(yè)課程體系中設(shè)置有MATLAB課程，學(xué)生具備一定的MATLAB軟件操作基礎(chǔ)，這樣上手起來也比較容易。模型的建立過程可以加深學(xué)生對電力電子器件和電路的理解。學(xué)生通過仿真可以直觀地、形象地看到電路結(jié)構(gòu)和波形，其參與度得到提升、積極性和主動性也自然得到提高。除此之外，實驗操作風(fēng)險也大大降低，而且實驗過程不受實驗場地的限制。

2.3 翻轉(zhuǎn)課堂、教學(xué)過程延伸

針對學(xué)生主動性和參與度不高的問題，在開展教學(xué)的過程中，教師可以選擇班級人數(shù)少的班級進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂，以學(xué)生為中心開展教學(xué)，將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生，調(diào)動學(xué)生的積極性。安排部分學(xué)生進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂，他們的實驗操作可以采取翻轉(zhuǎn)講授。電力電子技術(shù)的實踐環(huán)節(jié)還可以進(jìn)一步延伸，教師鼓勵學(xué)生積極參加電子設(shè)計競賽、虛擬仿真大賽、挑戰(zhàn)杯系列競賽等，延伸電力電子實踐環(huán)節(jié)。通過參加各類競賽，可以更好地提升學(xué)生分析問題、解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐應(yīng)用能力，從而更好地提高學(xué)生的實踐動手能力。不定期開放學(xué)院的新能源實驗室、多機(jī)器人協(xié)同實驗室、智能創(chuàng)新實驗室等，讓學(xué)生在課外時間多走進(jìn)實驗室，在教師的指導(dǎo)下開展一些實驗，培養(yǎng)學(xué)生刻苦鉆研的能力。除了利用學(xué)校已有資源，還可以和地方企業(yè)展開校企合作，如網(wǎng)安科技、湖北(華電)西塞山發(fā)電有限公司、湖北三豐智能輸送裝備股份有限公司等。通過設(shè)立校外實訓(xùn)基地，“把車間建在學(xué)校，把課堂設(shè)到車間”，不斷促進(jìn)教學(xué)模式改革，切實提高人才培養(yǎng)的實效性。一方面，讓學(xué)生提前進(jìn)入這些企業(yè)實習(xí)，提前適應(yīng)社會，培養(yǎng)學(xué)生良好的職業(yè)意識；另一方面，聘請企業(yè)技術(shù)專家、高技能人才和能工巧匠到學(xué)校兼職，直接參與到教學(xué)、教研工作中去，進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的實際工作能力。

2.4 加強師資隊伍建設(shè)

重視師資隊伍建設(shè)，加強理論業(yè)務(wù)知識學(xué)習(xí)。組織年輕教師多參加電力電子技術(shù)課程論壇的培訓(xùn)，參觀其他兄弟院校的實驗室，加強與其他兄弟院校的交流和合作。在交流中學(xué)習(xí)借鑒其他兄弟院校的良好經(jīng)驗。選派教師定期進(jìn)企業(yè)掛職鍛煉和參與實踐，以實現(xiàn)教師的知識更新和技能提升，不斷提高教師的能力水平。此外，發(fā)揮骨干教師的作用，實現(xiàn)傳-幫-帶，讓年輕教師更快地成長。

3 教學(xué)應(yīng)用案例

將MATLAB/SIMULINK仿真軟件應(yīng)用到電力電子技術(shù)實驗的教學(xué)中，通過搭建仿真模型，演示仿真波形，引導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB/SIMULINK對電力電子技術(shù)實驗進(jìn)行自主設(shè)計和驗證。本文以單相交流調(diào)壓電路為例，介紹如何將電子仿真融入到實驗教學(xué)當(dāng)中。

交流調(diào)壓電路是把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路[5]。單相交流調(diào)壓電路原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由電壓源、晶閘管、同步脈沖發(fā)生器和電阻電感負(fù)載等部分組成，其原理圖如圖1所示。

圖1 單相交流調(diào)壓電路原理圖

根據(jù)單相交流調(diào)壓電路的原理圖，在MATLAB(R2014b)軟件環(huán)境下，首先引導(dǎo)學(xué)生建立單相交流調(diào)壓阻感性負(fù)載電路的仿真模型，如圖2所示。搭建好仿真模型，然后設(shè)置電路各元件的參數(shù)，晶閘管的參數(shù)；電源設(shè)置峰值電壓為100V，頻率為50Hz；脈沖信號Pulse Generator，Pulse Generator1脈沖高度為15V、周期設(shè)置為0.02s，占空比為25%；負(fù)載電阻為10Ω，電感為8mH；觸發(fā)延遲角α可以調(diào)節(jié)。設(shè)置好各電路元件的參數(shù)之后就可以啟動SIMULINK進(jìn)行仿真，最后通過示波器模塊可以觀測仿真結(jié)果。

圖2 單相交流調(diào)壓電路仿真模型

當(dāng)α=30°，可以得到如圖3所示仿真結(jié)果，圖3顯示了兩個脈沖信號，電源電壓信號、負(fù)載電壓、電流、晶閘管電流波形。其中波形從上到下，依次為脈沖信號、電源信號、負(fù)載電壓、負(fù)載電流，晶閘管電流和脈沖信號1的波形。

圖3 α=30°單相交流調(diào)壓電路仿真波形

同理，我們還可以得到α=45°，α=60°，α=90°等情形下單相交流調(diào)壓電路仿真波形，從仿真波形可以看出，負(fù)載為阻感負(fù)載時，輸出電壓和電流波形不同，負(fù)載電流不能突變，負(fù)載電流滯后于負(fù)載電壓波形；在電源電壓過零時，由于電感具有反電勢作用，當(dāng)感應(yīng)電勢大于電源電壓時，晶閘管仍然維持導(dǎo)通條件，所以還能繼續(xù)維持一段時間導(dǎo)通，輸出電壓正半周過零時出現(xiàn)一段負(fù)電壓，負(fù)半周過零時出現(xiàn)一段正電壓，與純電阻負(fù)載不同，具有續(xù)流作用。仿真結(jié)果與教材理論分析結(jié)果一致。通過晶閘管觸發(fā)延遲角α的控制，可以控制輸出電壓的有效值。

通過在電路中添加示波器，可以將電路中任意節(jié)點的電壓電流信號波形顯示出來，更加直觀、方便。

在這個模型中如果考慮負(fù)載為阻性負(fù)載，只需要在負(fù)載電阻模塊SimPower System/Elements/Series RLC Branch中，將電路所帶的負(fù)載改成電阻負(fù)載即可，非常方便直觀，同時也可以加深學(xué)生對單相交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)的理解。

將MATLAB虛擬仿真技術(shù)引入到電力電子技術(shù)實驗中，通過搭建虛擬仿真模型，可直接觀測仿真波形。這樣比單純的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)直觀得多，同時可以提高學(xué)生的參與度、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而可以提高教學(xué)效果。通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論知識，可以自己動手搭建相關(guān)仿真模型，修改模型結(jié)構(gòu)或者設(shè)計更綜合的電力電子電路，這對于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力也有很大幫助。學(xué)生的參與度越高，遇到的問題可能更多，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力自然也有所提升。

4 結(jié)論

理論和實踐是相輔相成的，要想提高電力電子技術(shù)實驗的教學(xué)質(zhì)量，離不開理論的指導(dǎo)，只有把理論基礎(chǔ)知識打牢，才能更好地進(jìn)行實踐。通過線上線下的混合教學(xué)方式，將MATLAB虛擬仿真技術(shù)引入到電力電子技術(shù)實驗教學(xué)中，同時通過翻轉(zhuǎn)課堂，各類競賽、校企合作等教學(xué)過程延伸，可以更好地增強學(xué)生對電力電子電路的認(rèn)識和理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；有效彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，有效解決實驗經(jīng)費場地受限，實驗效果不理想的問題。