牛天林，樊 波，張 強，張安堂，楊旭峰

（空軍工程大學防空反導學院，陜西西安710051）

0 引言

“電力電子技術”是工科院校電氣工程專業(yè)本科必修的一門專業(yè)基礎課，它承載著學生專業(yè)理論知識向實踐應用技能轉化的重任，該課程內容集電力、電子和控制等技術于一體，具有非常強的理論性、實踐性和應用性［1］。通過對一線教學過程和施教實效的跟蹤審視，我們發(fā)現(xiàn)：教學理念落后、內容拘泥于教材、手段方法科學性不強、學以致用效果不好等問題還不同程度的存在，制約了“過程與方法、知識與技能”相統(tǒng)一教學目標的真正實現(xiàn)。

盡管針對該課程特點，利用計算機虛擬仿真實驗輔助提升教學效果的做法已被廣泛認可并開展了大量積極有益的嘗試［2～5］，但總體上還偏重于驗證教材內容，深度內涵不夠；缺乏精心設計，與教學內容融合不好，從而導致未能全面發(fā)揮虛擬仿真技術的優(yōu)勢。另外，課程教學終極目標是讓學生在“學會、理解知識”的基礎上向具備“能用、善用技能”的方向發(fā)展，這就表明實踐認知和實驗訓練是該課程教學進程中必不可缺的環(huán)節(jié)［6～8］。因此，如何更好地通過教學方法改革實現(xiàn)“虛實融合、合力促進”是“電力電子技術”課程教學中非常值得思考和研究的現(xiàn)實問題。

1 基本構想

我們在該課程教學中應用虛實融合式實踐手段，堅持“瞄準問題、立足優(yōu)勢、精心設計、融合促進”的指導思想，其基本構想如圖1所示。

圖1 虛實融合式實踐手段在課程教學中的應用構想

計算機虛擬仿真實驗具有成本低、無風險、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，并且在器件選取、參數(shù)調整、條件設置、波形輸出、數(shù)據(jù)分析等方面具有高度靈活性和便捷性，便于對理論知識的動態(tài)比較與研析。但基于數(shù)學模型的電路仿真求解具有一定的近似性和理想化特征，因此，虛擬仿真實驗的手段更加適用于理論知識學習與理解階段。

實物示教裝置集功能主電路、控制電路、驅動電路、測量電路于一體，它的使用是以學生具有系統(tǒng)完善的理論基礎和掌握常用電工儀表使用方法為前提，因此，更適用于升華技能的高級目標階段。借助實物示教可啟發(fā)學生對實物系統(tǒng)認知、鍛煉基本動手技能、提升系統(tǒng)設計能力，使教學內容由單一理論知識講解向學以致用方向推進轉化。

將虛擬仿真實驗和實物系統(tǒng)示教有機融入“電力電子技術”課程學習進程的關鍵在于“精心設計，融合增效”，它也是實踐手段促進課程教學質量的紐帶和橋梁。首先，要打破驗證教材內容的常規(guī)作法，圍繞課程教學重點和難點設計打造虛擬仿真電路案例，幫助學生理解和掌握知識要點。其次，實物示教裝置應緊扣理論與實踐緊密結合的主旨，圍繞知識系統(tǒng)化、功能集成化、方法技巧化進行設計，充分發(fā)揮輔助學生認知實踐的積極作用。同時，虛擬仿真實驗和實物系統(tǒng)設計包含著分析、解決、研究電力電子電路的諸多有益思維和方法，在教學過程中應注重引導啟發(fā)和感悟總結，從而內化成學生開展相關問題科學研究的方法與技能。

2 實踐案例

2．1 教學內容描述

基本斬波電路是“電力電子技術”課程中“直流-直流變換”教學模塊的開篇內容，它也是當前高能效開關電源的關鍵技術之一，主要以直流電源、功率開關管、儲能元件為基礎，通過不同拓撲結構和控制方式實現(xiàn)直流電壓的升高或降低，從而滿足用戶的實際需求。

過去這部分內容的教學主要按照拓撲介紹、原理分析、理論計算的思路按部就班地講解，教學反映和實施效果一般。究其原因在于方法單一，內涵深度挖掘不夠。因此，作為改進舉措，我們將虛實融合式實踐手段引入這一教學進程。

2．2 虛擬仿真用于強化教學重難點理解

在降壓斬波電路中（拓撲結構如圖2（a）所示），由于系統(tǒng)參數(shù)的差異使其有電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)，可利用分段求解微分方程的方法推導出斷續(xù)判據(jù)，如式1所示［1］。

其中，m為反電動勢與電源電壓的比值；α為占空比；ρ為功率開關管工作周期與常數(shù)τ的比值；常數(shù)τ為儲能電感與負載電阻之比。顯然，斷續(xù)判據(jù)受多變量影響，如何深刻理解其內涵成為教學難點所在。

利用Matlab軟件搭建降壓斬波電路仿真模型，如圖2（a）所示。仿真參數(shù)設置為：直流電源電壓28 V；反電動勢電壓6 V；負載電阻5 Ω，IGBT觸發(fā)脈沖頻率5 kHz。固定其它參數(shù)，改變占空比α和儲能電感L的值，仿真輸出波形分別如圖2（b）、（c）和（d）所示。

從仿真輸出波形可以看出，當占空比為50%，儲能電感為1 mH時，負載電流連續(xù)；保持占空比不變，將電感值減小至0．2 mH，負載電流出現(xiàn)斷續(xù)情況，這是由于電感較小導致IGBT導通階段內儲能較少，不能夠滿足其關閉階段的全程蓄流要求；保持電感值為0．2 mH，增大占空比至75%，負載電流又恢復連續(xù)狀態(tài)，這是因為盡管電感儲能能力較小，但適當增大工作周期內儲能時間（周期內釋放能量時間相應減少）仍可保持連續(xù)狀態(tài)。

圖2 降壓斬波仿真模型及輸出波形

因此，可得結論：電感值大小決定周期內儲存和釋放能量的速度；而占空比則反映周期內儲存與釋放能量過程的時間分配，它們共同影響著降壓斬波電路的斷續(xù)與否。顯然，借助虛實仿真實驗結果的分析非常有助于學生理解難點知識內涵，并進一步強調了準確選取電路參數(shù)的重要性。同時，再提出改變IGBT工作周期和負載電阻的仿真實驗要求，由學生課后自主實驗并分析現(xiàn)象，從而鞏固學習思維與方法，實現(xiàn)課內與課外的互補。

2．3 實物示教用于提升學生實踐技能

升壓斬波電路與降壓斬波電路在內容和方法上具有很多相似之處，為提高學習實效，一方面采用差異對比法講解兩者原理，另一方面則側重于從認知實踐角度強化技能訓練。對于后者，我們引入自主設計制作的升壓斬波電路示教裝置，如圖3所示。其引入的主要用意在于：“系統(tǒng)認知、重點強化、技能訓練和深度啟發(fā)”。

圖3 升壓斬波電路實物示教裝置

（1）系統(tǒng)認知。示教裝置以功能主電路為主體，包含PWM控制信號產生電路、功率開關管驅動電路、濾波電路、脈寬與頻率調節(jié)旋鈕、預留信號測試端子等，構成了一套典型的電力電子電路系統(tǒng)。學生借助裝置可彌補教材中僅講解功能主電路原理的不足，形成更為系統(tǒng)完善的認知，為理論知識向實踐應用的轉化奠定基礎。

（2）重點強化。驅動控制是電力電子電路非常重要的問題，采用專用PWM控制芯片SG3525及其外圍電路構成［9］。一方面，通過改變外接阻容參數(shù)可產生不同開關頻率（調節(jié)CT端子外接電容或RT端子外接電阻）；另一方面，在芯片脈寬比較器輸入端直接將流過電感線圈信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比。因此，設置外部旋鈕用于改變對應位置阻容值，實現(xiàn)工作頻率和占空比的簡易可調，便于電路的動態(tài)比較與分析。

（3）技能訓練。學生在教師示范操作之后可進行自主操作，有助于對交直流電源、示波器、萬用表、電子負載等常用電氣儀表使用技能的提升。操作案例：直流輸入電源12 V，負載電阻值60 Ω，工作頻率調節(jié)為40 kHz，分步調整占空比，測量記錄的電路主要工作參數(shù)如表1所示：

表1 升壓斬波電路主要工作參數(shù)

學生通過動手操作得出數(shù)據(jù)，以此分析理論與實際值的偏差，了解電力電子電路中的功率損耗問題。

（4）深度啟發(fā)。如果繼續(xù)大幅增大占空比，控制信號將出現(xiàn)急劇不穩(wěn)定現(xiàn)象，輸出直流電壓也不能按照理論公式（2）無限升高。

式中，Uin為直流輸入電壓，Uour為直流輸出電壓，D為點空比。

針對這一現(xiàn)象開展課堂互動討論，得出結論：受器件工作性能、電路工作機理和保護門限設置等綜合因素影響，升壓斬波電路只能在一定的頻率、電壓、功率范圍內可靠工作，這便是為什么常見斬波電路模塊的輸入輸出參數(shù)標識都是范圍值的緣故。因此，在今后的設計應用中，學生應格外重視參數(shù)設計和電路的可靠性等問題。

3 結語

通過“精心設計、融合增效”的舉措，我們將虛擬仿真和實物示教有機融入“電力電子技術”課程教學中。這種瞄準教學中實際問題、注重啟發(fā)引導、突出技能培養(yǎng)的融合式實踐教學手段，較好地實現(xiàn)了提升教學質量和解決學以致用的問題，并可為實踐教學在電工類課程中的科學應用提供有益借鑒。