新工科基于CLT電力電子綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探討

龔 薇, 周 凱, 朱光亞, 雒瑞森

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 四川 成都 610065)

為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn),主動(dòng)服務(wù)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和“一帶一路”“中國(guó)制造2025” “互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略實(shí)施,加快工程教育改革創(chuàng)新,培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才,支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[1],教育部啟動(dòng)“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目,成為當(dāng)前工程教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

電力電子技術(shù)是對(duì)電能進(jìn)行控制和變換的技術(shù),是電氣相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課程[2]。由電力電子技術(shù)支撐的新型產(chǎn)業(yè)和對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)改造,如新能源、先進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)、極端環(huán)境探索等,都取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[3]。電力電子技術(shù)課程具有工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)[4],在實(shí)驗(yàn)，尤其是綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),提出基于認(rèn)知負(fù)荷理論的教改探索,增強(qiáng)學(xué)生綜合分析的能力和解決電力電子工程實(shí)際問(wèn)題的能力[5],培養(yǎng)具有扎實(shí)知識(shí)及創(chuàng)新能力的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員。

1 認(rèn)知負(fù)荷理論

認(rèn)知負(fù)荷理論(cognitive load theory,CLT)是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的認(rèn)知心理學(xué)家約翰·斯威勒(John Swdler)于1988年首先提出來(lái)的, Atkinson和Shiffrin建立了基于CLT的人類(lèi)記憶的模型[6]。

CLT假設(shè)人類(lèi)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)由工作記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶組成。工作記憶的容量有限,一次只能存儲(chǔ)5～9條基本信息或信息塊,成為學(xué)習(xí)的瓶頸[7]。長(zhǎng)時(shí)記憶1995年由Ericsson和Kintsch等提出,容量幾乎是無(wú)限的,其中存儲(chǔ)的信息既可以是小的、零碎的,也可以是大的、復(fù)雜交互、序列化的,長(zhǎng)時(shí)記憶是學(xué)習(xí)的中心。CLT認(rèn)為教學(xué)的主要功能是在長(zhǎng)時(shí)記憶中存儲(chǔ)信息(框架)。學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí),如果能從長(zhǎng)時(shí)記憶中獲取這類(lèi)知識(shí)框架,新知識(shí)就可以通過(guò)該框架提供的方法進(jìn)行學(xué)習(xí),即最大限度地減少工作記憶空間的負(fù)荷,從而可以達(dá)到高效率[8]。

認(rèn)知負(fù)荷是表示處理具體任務(wù)時(shí)加在學(xué)習(xí)者認(rèn)知系統(tǒng)上的負(fù)荷的多維結(jié)構(gòu)。CLT認(rèn)為有3種類(lèi)型的認(rèn)知負(fù)荷:內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷、外部認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷,這3種類(lèi)型的認(rèn)知負(fù)荷是相互疊加的。內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷是元素間交互形成的負(fù)荷,它取決于所學(xué)習(xí)知識(shí)的本質(zhì)與學(xué)習(xí)者專(zhuān)業(yè)知識(shí)之間的交互,教學(xué)設(shè)計(jì)者不能對(duì)它產(chǎn)生直接影響。外部認(rèn)知負(fù)荷是超越內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷的額外負(fù)荷。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是指與促進(jìn)長(zhǎng)時(shí)記憶信息構(gòu)建相關(guān)的負(fù)荷(例如比較和對(duì)比),利用認(rèn)知框架將新的學(xué)習(xí)知識(shí)編碼到長(zhǎng)時(shí)記憶中[9]。后2種負(fù)荷直接受控于教學(xué)設(shè)計(jì)者[7]。為促進(jìn)有效學(xué)習(xí),在教學(xué)中應(yīng)盡量減少外部認(rèn)知負(fù)荷,刺激關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷,優(yōu)化工作記憶的容量,以達(dá)成內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷,并且使總認(rèn)知負(fù)荷不超出學(xué)習(xí)者能承受的認(rèn)知負(fù)荷[9-11]。

2 教學(xué)過(guò)程和教學(xué)設(shè)計(jì)

綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以電解鋁廠為背景,其內(nèi)容涵蓋了諧波分析、可控硅整流和濾波等電力電子技術(shù)的重要知識(shí)點(diǎn)，以諧波分析和可控硅整流為主進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 諧波分析

諧波是包括n次諧波電流含有率和電流諧波總畸變率。采用樣例效應(yīng)[12]給學(xué)生提供比較簡(jiǎn)單的例子,例如PSCAD仿真環(huán)境下一個(gè)由無(wú)窮大電源、雙繞組變壓器和恒功率負(fù)荷組成的小電網(wǎng)中,3次諧波幅值和相位如何得到[13],這樣的做法可有效減少外部認(rèn)知負(fù)荷。從簡(jiǎn)單樣例到學(xué)生自主解決問(wèn)題,需要經(jīng)歷完整任務(wù)的過(guò)程,即學(xué)生研究解決問(wèn)題的方法并獨(dú)立完成余下的步驟[13]。在綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)做如下教學(xué)設(shè)計(jì),把樣例中電網(wǎng)的無(wú)窮大電源要求為更接近實(shí)際的水電機(jī)組,恒功率負(fù)荷也要求為可控硅整流負(fù)荷,并要求系統(tǒng)諧波不能超過(guò)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其中水電機(jī)組和可控硅整流負(fù)荷的PSCAD模型由教師提供。這不多的幾個(gè)要求可以促使學(xué)生考慮暫態(tài)電量的采集位置,從而加深諧波對(duì)系統(tǒng)危害的理解,促使學(xué)生搜索相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),培養(yǎng)學(xué)生搜索資料、閱讀資料的能力。標(biāo)準(zhǔn)中還涉及到諧波電流允許值的換算,學(xué)生可順帶學(xué)習(xí)理解短路容量的概念。

通過(guò)從概念—簡(jiǎn)單樣例—完整任務(wù)的教學(xué)設(shè)計(jì),有效減少外部認(rèn)知負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)諧波及衍生概念的理解和應(yīng)用,達(dá)到可自主解決問(wèn)題的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)目的。

2.2 可控硅整流

綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可控硅整流部分的教學(xué)目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)6臺(tái)整流變壓器并聯(lián)使用,最終組成72脈動(dòng)整流變壓器組[14]。

首先檢測(cè)先驗(yàn)知識(shí),了解學(xué)生的前期基礎(chǔ)學(xué)習(xí)情況,針對(duì)不同層次的學(xué)生可采用不同的教學(xué)設(shè)計(jì)。例如,學(xué)生都學(xué)過(guò)三相橋式全控整流電路,因此先簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)。為加深理解,其中重要的方面采取提問(wèn)的方式來(lái)強(qiáng)調(diào),并要求在PSCAD仿真環(huán)境下練習(xí)[9,15]。此處涉及的重要方面包括三相橋式全控整流電路中觸發(fā)角的實(shí)現(xiàn)、6脈波的體會(huì)、負(fù)載的性質(zhì)。

為逐步逼近教學(xué)目標(biāo),采用有組織結(jié)構(gòu)的活頁(yè)練習(xí)題刺激學(xué)生分組討論[9],教師需參與每組討論,及時(shí)澄清理論問(wèn)題[16]。活頁(yè)練習(xí)題分別設(shè)計(jì)為相位差30°的標(biāo)準(zhǔn)雙6脈動(dòng)整流變壓器、相位差30°的標(biāo)準(zhǔn)雙6脈動(dòng)可控硅整流變壓器、移相任意角度的雙6脈動(dòng)整流變壓器(提供整流變壓器接線(xiàn)原理相量圖)、相位差30°的任意雙6脈動(dòng)可控硅整流變壓器(-25°+5°、-20°+10°、-15°+15°、-10°+20°、-5°+25°中任選一個(gè))。

分專(zhuān)題討論之后,學(xué)生自己嘗試逐塊仿真以上討論內(nèi)容。當(dāng)學(xué)生仿真出異常波形時(shí),教師只提示沒(méi)有明確學(xué)習(xí)目標(biāo)的任務(wù),可以簡(jiǎn)化他們解決問(wèn)題的過(guò)程。例如,要求學(xué)生“盡可能多地發(fā)現(xiàn)這種異常波形的原因”,而不是要求他們“找到這種異常波形的最可能的原因”[17],這樣學(xué)生就可以不必緊張地尋找某一解決方案,從而達(dá)到鼓勵(lì)學(xué)生充實(shí)自身知識(shí)庫(kù)的目的。此過(guò)程中教師幾乎不作任何針對(duì)具體問(wèn)題的指導(dǎo)和提供任何資料(見(jiàn)圖1)。

圖1 CLT在綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可控硅整流仿真中的教學(xué)過(guò)程

在可控硅整流的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),嚴(yán)格遵循指導(dǎo)隱退效應(yīng)[12]。同時(shí)任務(wù)復(fù)雜度逐漸地增加,學(xué)生的認(rèn)知變得比較成熟以后,可以逐漸處理更加復(fù)雜的信息。事實(shí)上,對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō),復(fù)雜的任務(wù)被認(rèn)為具有越來(lái)越少的復(fù)雜度[13]。其中相位差30°(-25°+5°)的雙6脈動(dòng)可控硅整流電路的仿真電路如圖2所示。

圖2 相位差30°(-25°+5°)的雙6脈動(dòng)可控硅整流電路在PSCAD中的仿真模型圖

3 結(jié)語(yǔ)

在電力電子綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié),將項(xiàng)目植入教學(xué),基于CLT設(shè)計(jì)教學(xué),達(dá)到較好的效果,86%的學(xué)生能夠在綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課程結(jié)束后自行完成電解鋁廠的PSCAD模型搭建及聯(lián)合仿真。本文所探討的教學(xué)方法是基于理解而非記憶的學(xué)習(xí),遵循新工科的教育理念,促使學(xué)生循序漸進(jìn)、增強(qiáng)知識(shí)儲(chǔ)備,為未來(lái)創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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