榮 軍 童耀南 陳 松 萬軍華 袁 帥

(湖南理工學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院,岳陽 414000)

目前,高校在電力電子技術(shù)課堂教學(xué)中教師常采用案例教學(xué)法、研討教學(xué)法及項目驅(qū)動教學(xué)法等新穎的教學(xué)方法,教學(xué)效果明顯[1-3]。但是以上教學(xué)方法沒有一種固定的模式,往往是根據(jù)教師本身多年以來的教學(xué)和科研經(jīng)驗,來提升課堂教學(xué)效果,這需要一個長時間的積累過程,對于剛畢業(yè)的年輕教師,采用這些方法不一定可行。因此,針對電力電子技術(shù)課堂教學(xué)中教師難教、學(xué)生難學(xué)的問題,研究了一種將仿真技術(shù)引入教學(xué)中的方法,此方法的特別之處就是對同樣的教學(xué)內(nèi)容,用三種不同的仿真軟件在課堂上驗證所講理論知識,從而達(dá)到減輕教師教學(xué)難度,提高學(xué)生聽課興趣,提升課堂教學(xué)效果的目的。

1 教學(xué)案例分析

1.1 常規(guī)教學(xué)過程設(shè)計

本文選用由王兆安教授主編機(jī)械工業(yè)出版社出版的,“十三五”普通高等教育國家級規(guī)劃教材《電力電子技術(shù)》第5章第1.2節(jié)Boost變換器作為教學(xué)案例。常規(guī)課堂教學(xué)如下:Boost電路圖以及開關(guān)波形圖如圖1(a)和(b)所示[4-5]。當(dāng)V處于開通狀態(tài)時,圖中VD關(guān)斷,電流方向從電源E,經(jīng)L以及V,E把能量存儲L中,而C將先前存儲的能量通過電阻R釋放。由于輸出C值很大,基本能夠保持輸出電壓u0為恒值,記為U0。設(shè)V處于開通狀態(tài)時的時間為ton,此階段電感L上積蓄的能量為EI1ton。當(dāng)V處于截止時,電流方向從電源E,經(jīng)過L和VD,最后通過R,此過程E和L同時向C充電,并向R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間toff,由于電感L釋放的能量為(U0-E)I1toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時,一個周期T中L存儲與釋放的能量相等,即:

(a)工作電路

EI1ton=(U0-E)I1toff

(1)

化簡得

(2)

上式中T/toff≥1,輸出電壓高于輸入電壓,故稱該電路為升壓斬波電路,也稱之為Boost電路。

1.2 教學(xué)案列設(shè)計

在上面的常規(guī)課堂分析中,教師對Boost的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析,但是從頭到尾都是結(jié)合電路和工作波形對其工作原理進(jìn)行理論分析,對于這種滿堂灌的教學(xué)方式,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃,學(xué)習(xí)效率差。如果教師此時講解Boost變換器的實際應(yīng)用,可以提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)積極性和效率。比如將書中提到的Boost變換器可以應(yīng)用于功率因數(shù)校正技術(shù)中,因此可以將Boost變換器和先前所講的第3章第3.5節(jié)中的功率因數(shù)校正技術(shù)結(jié)合起來,通過具體案例來講解,會達(dá)到事半功倍的效果。教學(xué)案例設(shè)計如下:如圖2(a)所示為全橋二極管不控整流電路,如果整流電路直接采用電容濾波,會造成輸入電流發(fā)生畸變,也就意味著變換器功率因數(shù)低,最終導(dǎo)致無功功率以及諧波污染。如圖2(b)所示為其輸入電壓和電流工作波形,從圖中容易看出輸入電流發(fā)生了畸變。此時將Boost變換器應(yīng)用到全橋不控整流電路,可以使輸入電流跟隨輸入電壓,實現(xiàn)功率因數(shù)校正,其應(yīng)用的電路如圖3所示。

(a)工作電路

圖3 Boost變換器在全橋不控整流電路中的應(yīng)用

2 三種計算機(jī)仿真技術(shù)的引入

2.1 Matlab仿真技術(shù)的應(yīng)用

首先將Matlab仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)中,在Simulink環(huán)境中搭建仿真模型如圖4(a)所示[6],仿真波形如圖4(b)和(c)所示,其中圖(b)為未加Boost變換器的輸入電壓和輸入電流仿真波形,很明顯可以看出電流發(fā)生了畸變,而且相位不跟隨輸入電壓。圖(c)為增加Boost變換器的輸入電壓和輸入電流仿真波形,從圖中可以清楚地看出輸入電流和電壓波形均為正弦波,而且相位一致,因此Boost實現(xiàn)了功率因數(shù)校正,這也是除了Boost電路能夠提升輸入電壓以外,最重要的一個應(yīng)用是進(jìn)行功率因數(shù)校正。

(a)仿真模型

2.2 PSpice仿真技術(shù)的應(yīng)用

然后將PSpice仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)中,在PSpice中搭建仿真模型如圖5(a)所示[7],仿真波形如圖5(b)所示,從圖5(b)中可以看出輸入電流跟隨輸入電壓,相位一致,完成了功率因數(shù)校正,與Matlab仿真軟件一樣,驗證了Boost變換器能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。

(a)仿真模型

2.3 Saber仿真技術(shù)的應(yīng)用

最后將Saber仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)中,在Saber中搭建仿真模型如圖6(a)所示[8],仿真波形如圖6(b)所示,從圖6(b)中可以看出輸入電流跟輸入電壓一樣,電角度一致,Boost完成功率因數(shù)校正。從這里可以看出,將Matlab、PSpice和Saber三種計算機(jī)仿真軟件引入電力電子技術(shù)課堂教學(xué)中,都可以當(dāng)場驗證所學(xué)理論知識,而且在課堂教學(xué)中的應(yīng)用都可以實現(xiàn)同樣的教學(xué)目的,一方面豐富了課堂教學(xué)手段,另一方面提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(a)仿真模型

2.4 討論

在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中引入三種計算機(jī)仿真技術(shù),不僅可以在課堂上加深學(xué)生對所學(xué)知識內(nèi)容的理解,而且可以使學(xué)生按照自己的愛好挑選感興趣的仿真軟件,在課中或課后對所學(xué)知識進(jìn)行仿真驗證,達(dá)到學(xué)以致用的目的。其有三個好處:①豐富了教師的教學(xué)手段,教師不會“滿堂灌”,首先采用案例教學(xué)法,將所學(xué)理論知識應(yīng)用于實踐,然后通過仿真軟件在課堂上當(dāng)場驗證其應(yīng)用,讓學(xué)生真正理解學(xué)以致用;②多種仿真軟件的引入,可以讓學(xué)生挑選自己中意的仿真軟件,在課后可以對課本知識進(jìn)行實驗,在課后進(jìn)一步鞏固課堂所學(xué)理論知識,這也是提升學(xué)習(xí)效率的一種有效方法;③通過仿真實驗可以實現(xiàn)實驗教學(xué)的目的,學(xué)生在課堂上,通過教師的引導(dǎo),可以自己動手對所學(xué)理論知識進(jìn)行仿真實驗,達(dá)到與實驗教學(xué)同樣的目的,這樣可以節(jié)省實驗資源,降低教育成本,也體現(xiàn)了現(xiàn)代信息化教學(xué)思想。

3 結(jié)語

經(jīng)過多年的教學(xué)實踐,在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中,引入計算機(jī)仿真技術(shù),在教研教改和學(xué)生成才方面取得了豐碩的成果,列舉如下:①榮獲校級教學(xué)成果二等獎和三等獎各1次;②榮獲校級課堂教學(xué)優(yōu)秀質(zhì)量獎6次;③榮獲優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師獎8次;④榮獲校級優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程2次;⑤榮獲校級教學(xué)比武二等獎、信息化教學(xué)三等獎和微課比賽二等獎各1次;⑥指導(dǎo)學(xué)生榮獲全國電子設(shè)計大賽湖南省賽區(qū)二等獎和三等獎各4次;⑦指導(dǎo)學(xué)生主持國家級和省級創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目3項,校級重點項目和一般項目6項;⑧以第一作者在中文核心、國家級和省級期刊發(fā)表與“電力電子技術(shù)”相關(guān)的教研教改論文十余篇;⑨指導(dǎo)學(xué)生以第一作者在國家級期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文二十余篇;⑩主持教育部校企合作協(xié)同育人項目3項,主持省級高等教育項目1項、校級高等教育項目2項;主講省級精品在線課程“電力電子技術(shù)”,作為主編出版《電力電子技術(shù)》教材一本。綜上所述,通過在“電力電子技術(shù)”常規(guī)課堂教學(xué)中,引入三種計算機(jī)仿真技術(shù),可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提升課堂學(xué)習(xí)效率,在信息化教學(xué)中,值得廣大高校教師借鑒和推廣。