電力電子技術(shù)既是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程,也是一門(mén)實(shí)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1],因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)也成為了教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一[2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅對(duì)理解和鞏固課堂講授的理論知識(shí)有重要作用,而且對(duì)加強(qiáng)學(xué)生工程技能訓(xùn)練、提高學(xué)生的動(dòng)手能力具有不可替代的作用。目前,我院在電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中采用“TKDD-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置”,如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置采用掛件式結(jié)構(gòu),可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行自由組合,其參數(shù)特性能模擬3kW左右的通用實(shí)驗(yàn)機(jī)組。

但是,隨著學(xué)生人數(shù)的增加,實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新速度明顯無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)于高職院校畢業(yè)生能力的要求,同時(shí)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇圖1TKDD-1電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置還不能完全滿(mǎn)足現(xiàn)行教學(xué)的需求,能夠開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)量少且較簡(jiǎn)單;實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常采用縮小功率的系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析,往往會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差;隨著時(shí)間的推移,實(shí)驗(yàn)設(shè)備逐漸老化,在實(shí)際操作中容易受接觸不良等因素的干擾,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析不符甚至出現(xiàn)異常現(xiàn)象;有些實(shí)驗(yàn)因在高壓下進(jìn)行,還存在一定的危險(xiǎn)性。基于MATLAB的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已在許多本科院校有了相當(dāng)成熟的應(yīng)用,并已取得了良好的教學(xué)效果。然而,對(duì)于側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐及動(dòng)手操作能力的高職院校而言,多數(shù)實(shí)驗(yàn)是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)尚未引起足夠的重視。針對(duì)這一現(xiàn)象,提出將基于MATLAB的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入高職院校電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的過(guò)程中。

1案例分析

教學(xué)中一般采用的教學(xué)模式為:電路原理分析-電路關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)-電路仿真-仿真結(jié)果分析討論-總結(jié)電路的特點(diǎn)及各參數(shù)對(duì)電路的影響[3]。

1•1單相交流調(diào)壓電路

單相交流調(diào)壓電路是把兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中,通過(guò)對(duì)晶閘管的控制來(lái)控制交流電力的控制電路。廣泛應(yīng)用于燈光控制(如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)、異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、供電系統(tǒng)中無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)等諸多領(lǐng)域。在進(jìn)行單相交流調(diào)壓電路的教學(xué)過(guò)程中,由于課本僅給出了如圖2所示的電路構(gòu)成[4],學(xué)生對(duì)此缺乏感性認(rèn)識(shí),課堂教學(xué)效果欠佳。而在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試的過(guò)程中,又往往會(huì)出現(xiàn)控制角α的調(diào)節(jié)不準(zhǔn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不佳的問(wèn)題,使學(xué)生對(duì)電路的理解不準(zhǔn)甚至干脆無(wú)法理解。使教師講得費(fèi)力、學(xué)生聽(tīng)得費(fèi)神,無(wú)法獲得良好的教學(xué)效果。針對(duì)這一問(wèn)題,引入基于MATLAB的虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真以確保教學(xué)的有效性,使學(xué)生一改往日“上課聽(tīng)聽(tīng)、作業(yè)抄抄、考試突擊”的被動(dòng)學(xué)習(xí)為“勤動(dòng)腦、肯動(dòng)手、敢提問(wèn)、會(huì)分析、能解決”的主動(dòng)學(xué)習(xí)[5],同時(shí),對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高起到了有力的推動(dòng)作用。以下從構(gòu)筑電路、參數(shù)設(shè)置及仿真比較方面分析不同負(fù)載、不同電路狀態(tài)時(shí)的輸出結(jié)果,以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系的把握及認(rèn)識(shí),培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)。1•1•1帶電阻性負(fù)載的仿真串聯(lián)RLC模塊中參數(shù)設(shè)置為R=45Ω,L=0H,C=inf(無(wú)窮大)。仿真結(jié)果如圖4所示。

1•1•2帶電阻電感性負(fù)載的仿真

串聯(lián)RLC模塊中參數(shù)設(shè)置為R=45Ω,L=0•1H,C=inf。仿真結(jié)果如圖5所示。

1•2三相正弦波脈寬調(diào)制變頻電路

三相正弦波脈寬調(diào)制變頻原理如圖6所示[4]。在實(shí)際工程試驗(yàn)過(guò)程中,由于該電路接線復(fù)雜,并對(duì)示波器有較高要求,因此不得不借助計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)實(shí)現(xiàn)波形及參數(shù)的觀測(cè)與調(diào)節(jié)。三相正弦波脈寬調(diào)制變頻電路的系統(tǒng)是由直流電源、給定信號(hào)、同步脈沖觸發(fā)器、IGBT逆變橋及負(fù)載等部分組成的。由于篇幅限制,系統(tǒng)建模和模型參數(shù)設(shè)置不再贅述。仿真結(jié)果如圖7所示。在仿真過(guò)程中,學(xué)生通過(guò)自主地合理改變系統(tǒng)模塊參數(shù)不僅對(duì)系統(tǒng)有了更深刻的理解,同時(shí)也對(duì)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響有了更加明確的把握,更進(jìn)一步提高了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技能的積極性和主動(dòng)性,教學(xué)效果明顯提高,并為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作打下了良好的基礎(chǔ)。

2結(jié)束語(yǔ)

在高職院校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的電力電子技術(shù)教學(xué)過(guò)程中引進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),將計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的實(shí)際工程試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合,向?qū)W生提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力的空間。增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性,增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系的把握能力,使學(xué)生不僅能夠?qū)㈦[性的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為顯性的技能,同時(shí)能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步創(chuàng)新,達(dá)到“具備扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)、熟練操作技能”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

為了驗(yàn)證該教學(xué)方法的可行性和有效性,我們進(jìn)行了以下的調(diào)研工作:首先對(duì)在校生就有關(guān)傳統(tǒng)“課堂教學(xué)+工程試驗(yàn)”的教學(xué)方法與“課堂教學(xué)+虛擬實(shí)驗(yàn)室+工程試驗(yàn)”的教學(xué)方法進(jìn)行了比較教學(xué)[7]。采用隨機(jī)抽取的方式對(duì)同一專(zhuān)業(yè)的不同自然班分別運(yùn)用了上述2種教學(xué)方法進(jìn)行比對(duì),結(jié)果發(fā)現(xiàn)后者雖然在最初實(shí)施階段存在較大困難,但隨著教學(xué)的進(jìn)行,學(xué)生的自信心和效能感較之前者有了較大改觀,取得了較好的教學(xué)效果。其次,對(duì)本院畢業(yè)生進(jìn)行了跟蹤,采用調(diào)查問(wèn)卷的形式對(duì)畢業(yè)生認(rèn)為對(duì)工作有較大幫助的知識(shí)和技能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)畢業(yè)生對(duì)于后者的認(rèn)可度較之對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的認(rèn)可度高出整整10•5個(gè)百分點(diǎn);同時(shí),對(duì)用人單位進(jìn)行走訪,用人單位對(duì)近幾屆畢業(yè)生對(duì)電力電子技術(shù)相關(guān)的技能認(rèn)可度也較之前幾屆畢業(yè)生有了較大幅度的提升。