劉　燕　王關平　楊婉霞　李紅嶺　

虛擬仿真在混合式教學中的應用研究——以“電力電子技術”課程為例

劉燕王關平楊婉霞李紅嶺

（甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

混合式教學是課程改革的趨勢。為了高效地利用在線平臺實現(xiàn)混合式教學，提出在混合式教學中融入虛擬仿真教學，結合“電力電子技術”課程混合教學設計方案，以單相半波整流知識點為例，對教學內容、教學方式、教學過程做了探索與實踐。實踐表明，融入了虛擬仿真的混合式教學可以引導學生提高專業(yè)技能及科研水平，并且其更充分體現(xiàn)了“混合教學”的教學優(yōu)勢。

混合式教學；電力電子技術；仿真教學；Matlab

引言

“電力電子技術”作為電氣專業(yè)及信息化專業(yè)核心課程一直以來在專業(yè)培養(yǎng)中起著承前啟后的作用[1]。然而，在該課程的長期教學中，因課程內容理論性、工程性要求極強，致使學生為考試而考試、試后又全部遺忘，專業(yè)技能無法提高[2]。除此之外，工科院校著力于培養(yǎng)適應新形勢需求的專業(yè)人才，亟需從課程改革中加大專業(yè)技術培養(yǎng)及科研能力培養(yǎng)，那么單從《電力電子技術》混合式教學中如何激勵學生獲得一定的科研能力與科研技巧也成為一大難點[3]。更重要的是，混合式教學不光是線上與線下的“混”，更重要的是“合”，即在混合式教學中如何去設計線上與線下教學，將兩者有機配合起來[4]。總而言之，混合式教學應該更進一步地向適應現(xiàn)代技術、提升創(chuàng)新能力與科研能力等方向發(fā)展，混合式教學課程改革需要更進一步推進[5]。

“電力電子技術”課程難度大、實踐強，在推動混合式教改中，筆者做出了一些嘗試——在混合式教學中融入虛擬仿真教學。虛擬仿真既可節(jié)約實驗成本，又可對抽象問題直觀化，而且它更能體現(xiàn)學生的專業(yè)能力及科研創(chuàng)新能力。更重要的是，在疫情等影響下，它不失為一個有效的實驗路徑。Matlab仿真軟件是眾多仿真軟件中較為常用的軟件，它可以搭建模型、編程、分析數據等，既適應于工程應用又能滿足科研探索要求的交互式環(huán)境[6]。本研究以該仿真軟件作為混合式教學中的一大“利器”，將其融入混合式教學平臺，創(chuàng)新引導學生學好專業(yè)技能以及提高科研水平。

1　總體設計

1.1　設計思想

（1）在線平臺設計。本研究所在大學的“電力電子技術”混合式課程建設于2020年，目前已經經過了兩輪的建設與運維，課程采用“優(yōu)慕課”在線教育平臺進行建設，平臺下設有課程基本信息、單元學習、課程資源、課程活動、隨堂教學及課程問題討論等。在單元學習中按章節(jié)小節(jié)劃分知識點。為了融入仿真教學內容，在需要引入仿真教學的知識點章節(jié)下設相應的仿真教學，虛擬仿真軟件采用Matlab/Simulink仿真軟件。

（2）在線教學與資源管理一站式設計。每個重點及難點在單元學習相應知識點中下設知識點導學、教學視頻、討論區(qū)及小作業(yè)。依托在線平臺實現(xiàn)知識點總結、實驗演示及作業(yè)提交等服務，而且下設的討論區(qū)方便了老師設疑、學生答疑以及學生相互之間的互動交流。

1.2　總體架構

混合式教學設計架構如圖1所示?；旌鲜浇虒W設計包含3個核心階段：課前、課中和課后[7]。課前以單元導學、發(fā)布任務為主，以此收集重難點問題；課中以課堂教學為主，采用“優(yōu)慕課”平臺輔助功能（如簽到、隨堂小測、課件等）；課后則重點體現(xiàn)對知識點的再次升華，在此提出混合仿真教學，利用線上配套資源（如仿真視頻教學、知識點導學等）再次總結知識點，學生可以在在線平臺上傳實驗報告，在討論區(qū)中解惑答疑、相互溝通交流。

圖1 混合教學設計架構

2　課程實踐

“電力電子技術”課程授課過程中學生普遍反映出對變流技術理解不夠透徹，對知識與知識之間缺乏整體概念。例如整流電路，只知其是將交流轉換為直流，而不能理解開關器件在變流時是如何觸發(fā)的。除此之外，課程授課學時有限導致課程內容無法在有限的時間發(fā)揮無限的效能。因此，可以利用線上資源去彌補學生理論知識和綜合知識的不足。以下以單相半波可控整流電路為樣例，闡述基于虛擬仿真的混合式教學實踐。

2.1　混合教學設計

（1）課前。在在線平臺發(fā)布課前預習任務：一是上傳制作的5分鐘左右的視頻，引導學生從視頻中了解什么叫整流；二是設疑，例如“整流需要哪些裝置完成”，收集并總結學生的答案。

（2）課中。利用課堂10分鐘復習晶閘管的知識，剩余40分鐘以面授方式對“單相半波可控整流電路”的電路、工作原理、波形分析進行講授，并且借助在線平臺完成簽到、點名回答問題、隨堂小測等。因面授部分抽象難懂，可以在此部分穿插仿真教學，以已建立好的仿真模型為例展示。

（3）課后。在線平臺上完成以下四部分內容：一是上傳課堂教學中的仿真教學詳細視頻，引導學生從視頻教學中掌握理論知識要點；二是發(fā)布課程作業(yè)——實際操作完成仿真實驗，并完成實驗報告；三是討論區(qū)設疑，并收集、回答討論區(qū)問題；四是展示成果、共享優(yōu)秀作業(yè)。

2.2　虛擬仿真教學

課堂授課只是完成了對理論知識的重難點講解，而往往無法使學生建立深層次、系統(tǒng)化的知識體系。比如單相半波可控整流電路（如圖2），這部分內容的教學目標是掌握其電路、工作原理及波形，但是對電路是如何構建的、驅動晶閘管導通的驅動電路是怎樣的工作的、晶閘管觸發(fā)脈沖信號與觸發(fā)角的關系是怎樣的、同步觸發(fā)信號如何構建的等問題，學生很難深入理解。

圖2 單相半波可控整流電路

通常在理論授課時，晶閘管（Detailed Thyristor）的門極觸發(fā)信號往往給一個高于其門檻電壓的值即可。再加上在線下實驗中，這部分門極觸發(fā)在“暗箱”中，學生通常只需知道其門極有個輸入大于0的值即可觸發(fā)，等于0則無觸發(fā)。但是這與實際不符，因為晶閘管的觸發(fā)脈沖信號的強弱與否與觸發(fā)有很大關系，觸發(fā)脈沖發(fā)生器即便再精確，觸發(fā)角α隨著時間的推移也有可能會產生一定偏移。因此，晶閘管觸發(fā)電路就顯得極為抽象，仿真實驗中，需要根據整流變壓器實際的電壓輸入信號制作與之完全同步的觸發(fā)信號供給晶閘管。

按照圖3所示，在半個工頻周期內，即0.01 s的時間內，積分器的輸出值要達到5，觸發(fā)角α要達到180o。當Constant設置為50時，Gain1模塊的比例因子應該設置為1/36。

圖3 仿真模型構建

運行仿真，觀察系統(tǒng)模型中的主要信號，程序如下：

>>subplot(3,1,1);plot(t,Us);

>>hold on; plot(linspace(0,0.08,500), zeros(1,500),'-.r');

>>axis([0 0.08 -55 55]);

>>subplot(3,1,2);plot(t,juchi);

>>hold on;plot(t,bijiao,'r');plot(linspace(0,0.08,500),

zeros(1,500),'-.r')

>>axis([0 0.08 -0.7 5.5]);

>>subplot(3,1,3);plot(t,pulse);

>>hold on;plot(linspace(0,0.08,500),zeros(1,500),'-.r');

>>axis([0 0.08 -0.5 2]);

如圖4所示為電源（Us）、鋸齒波（juchi）、觸發(fā)脈沖（pulse）的信號，由pulse可看出正好觸發(fā)角α=90o。如圖5所示為觸發(fā)角30°時的電路波形。

圖4 模型中的主要信號關系圖

圖5 α=30o時波形分析

由以上單相半波可控整流—同步觸發(fā)電路仿真實驗過程，學生在Matlab/Simulink中建立該模型，建模型的同時，學生再次對主電路以及晶閘管的驅動電路結構得以深入理解，同時也了解到實際生產生活中構建一個完整的系統(tǒng)電路需要哪些元器件。建模后設置積分器（intrgrator）以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable）的參數，學生在此可自行探索不同參數設置對實驗仿真的影響，同時也理解了晶閘管觸發(fā)脈沖信號與觸發(fā)角的關系、鋸齒波同步觸發(fā)電路與電源（Us）的相位關系、產生觸發(fā)脈沖需要調節(jié)哪些參數等等。最后，仿真運行，展示了Us、Ud、ir、Ur以及觸發(fā)脈沖的波形，由此驗證了波形與理論講授相符。學生通過這一實驗仿真“回看”課堂的理論知識，不僅加深了對知識點的理解，而且從側面也使學生獲得了學習目標達成的滿足感，激發(fā)了興趣，獲得了科研的動力。

在此，這部分仿真教學應整合到單元學習——單相半波可控整流電路下，在該子欄目下設置仿真教學，并上傳錄制好的教學視頻資源，視頻資源詳細展示實驗目標、實驗方法、實驗原理及實驗步驟等核心內容。仿真教學欄目中還設置了知識點導學、討論區(qū)及小作業(yè)等子欄目，方便學生鞏固知識點、交流互動、上傳作業(yè)等。

2.3　教學效果分析

自2020年開始學?！半娏﹄娮蛹夹g”課程實施混合式教學，已經過兩輪教學實踐。為了便于教學實驗對比分析，本文將2019級兩個班——19級電氣1班和19級電氣2班做一對比分析。19級電氣1班56人，該班教學方法既采用了“優(yōu)慕課”平臺，也實施了混合了仿真教學的教學設計方法；而19級電氣2班60人只采用了“優(yōu)慕課”平臺，未采用仿真教學輔助教學。分析兩個班級學生的期末考試成績，對比分析結果如圖6所示。由此可以看出，19級電氣1班的高分段人數比19級電氣2班多，主要原因是高分段學生普遍學習能力強，能夠有效學習到線上教學資源的知識。據平臺數據顯示，這部分學生在仿真教學討論區(qū)與老師互動多且提交的實驗報告質量較高。因此，融入仿真教學后的混合式教學可以在提升學生專業(yè)能力和科研興趣方面起到作用。

圖6 教學效果分析

3　結束語

本文依托“優(yōu)慕課”在線教育平臺實現(xiàn)混合式教學，并結合Matlab/Simulink仿真軟件，將虛擬仿真教學融入“電力電子技術”混合式教學，對其進行了探索與實踐，得到了以下結論。

（1）以simulink平臺上實現(xiàn)鋸齒波同步移相觸發(fā)電路控制單相半波可控整流電路為例，將一個抽象、綜合性實驗通過仿真模型構建、參數設置及波形分析等步驟具體實現(xiàn)，學生通過實驗過程理解了晶閘管觸發(fā)脈沖信號與觸發(fā)角的關系、鋸齒波同步觸發(fā)電路與電源Us的相位關系、產生觸發(fā)脈沖需要調節(jié)哪些參數等相關問題，同時學生也積累了一定的實驗經驗和科研技巧。

（2）混合式教學不僅是線上線下的“資源”融合，更主要的是“知識”的融合，在混合式教學中融入虛擬仿真，彌補理論教學中無法解決的知識模塊化、抽象化問題，使得專業(yè)知識綜合化、系統(tǒng)化，在專業(yè)課的理論教學中起到輔助作用。同時，教師的教學水平和科研能力也得到了提升，學生也因此得到了專業(yè)鍛煉以及培養(yǎng)了科研興趣。教學實踐的實驗數據表明該混合式教學方法具有一定的科學性，可以為后續(xù)的混合式教改提供一定的理論指導。

[1] 張揚，王曄楓，夏雙，等. “以學生發(fā)展為中心”的“電力電子技術”課程教學研究[J]. 科教文匯(中旬刊)，2021(8): 98-100.

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[3] 劉建，秦源，陳冬梅，等. 科研育人視角下大學生創(chuàng)新型人才培養(yǎng)現(xiàn)實困境與實施路徑[J]. 未來與發(fā)展，2022，46(6): 86-91.

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[7] 陳海郎. 基于云課堂的混合式教學設計與應用實踐研究[J]. 計算機教育，2019(12): 97-101.

Research on the Application of Virtual Simulation in Blended Teaching——Taking Course of "Power Electronics Technology" as an Example

Blended teaching is the trend of curriculum reform. In order to effectively utilize Online platforms to realize blended teaching, it is proposed to integrate virtual simulation teaching into blended teaching. Combined with the blended teaching design scheme in the course of "Power Electronics Technology", and taking the knowledge points of single-phase half wave rectification as an example, the teaching content, teaching methods, and teaching process are explored and practiced. Practice shows that blended teaching integrated with virtual simulation can guide students to improve their professional skills and scientific research level, and it fully reflects the teaching advantages of "blended teaching".

blended teaching; power electronics technology; simulation teaching; Matlab

G642

A

1008-1151(2023)09-0089-03

2022-11-24

甘肅省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度一般規(guī)劃課題《新工科背景下農業(yè)院校電氣專業(yè)混合式教學的探索與實踐——以電力電子技術為例》（GS[2021]GHB1947）；甘肅農業(yè)大學2022年重點課程建設項目《現(xiàn)代電子技術》（GAU-ZDKC-202209）。

劉燕（1987－），女，甘肅蘭州人，甘肅農業(yè)大學機電工程學院講師，碩士，研究方向為電氣工程。

王關平（1975－），男，寧夏固原人，甘肅農業(yè)大學機電工程學院教授，博士，研究方向為農業(yè)電氣化。