電氣類專業課程教學模式的探索

王琪 鈕燕燕 羅印升 薛波 張陽 肖海飛

摘? ? 要：針對電氣類專業課程傳統教學模式存在的理論教學與實踐教學銜接性差、學生學習效率低等問題，提出一種基于“理論教學—案例分析—實踐教學”的全新教學模式。在理論教學和實踐教學之間加入案例分析環節，發揮案例分析的橋梁與緩沖作用，使得學生通過案例分析充分理解理論知識，并為后續實踐教學做好鋪墊。列舉的單相交流調壓電路和直流升降壓斬波電路實例充分驗證了該教學模式的有效性。

關鍵詞：電氣;專業課程;教學模式;案例分析

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2021）02-0102-09

電氣類專業屬于老牌工科專業，在國內外以工科為主的院校中均有設置。該專業旨在培養電氣工程、控制工程、信息工程等學科方向的專門技術人才[1]。近年來，電氣類專業發展迅猛，人才需求量大，這對該專業的人才培養提出了更高的要求。因此，新形勢、新常態下電氣類專業課程改革勢在必行[2]。

教學模式改革屬于電氣類專業課程改革的一個重要分支，課程的改革最終需要通過教學模式來體現其有效性，因此新的教學模式探索顯得至關重要[3]。當前電氣類專業課程的教學模式普遍存在以下兩個問題：（1）專業課程門類繁多，理論教學難度大，傳統的課堂教學模式不能支撐學生對專業知識的深刻理解;（2）理論教學與實踐教學銜接性較差，即學生對理論知識的理解尚且模糊，隨后進行實踐教學，導致實踐教學中的技術性知識更難掌握。

針對上述問題，本文提出了一種基于案例分析的全新教學模式，即將案例分析作為一座橋梁，在理論教學和實踐教學之間建立有效聯系。一方面使學生得以通過案例分析充分理解理論知識，另一方面則為后續相關實踐教學做好鋪墊。

1? ? 教學模式實例驗證

為驗證本文中所提出的基于“理論教學—案例分析—實踐教學”這一教學模式的有效性，現以電氣類專業課程“電力電子技術”中單相交流調壓電路和直流升降壓斬波電路兩節內容作為實例驗證。所使用教材為王兆安、劉進軍主編，機械工業出版社出版的《電力電子技術》（第5版）。

1.1? 單相交流調壓電路實驗驗證

1.1.1? 單相交流調壓電路的理論教學

圖1為單相交流調壓電路的拓撲結構，由輸入交流電[u1]，反向并聯的兩個晶閘管VT1和VT2，以及負載電阻[R]組成。[uo]和[io]分別表示[R]的輸出電壓和輸出電流[4]。其工作原理可概括為：在交流電源[u1]的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的觸發延遲角[α]進行控制，從而調節輸出電壓大小。由于[α]采用相位控制，輸出電壓波形為電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓波形相同，因此通過觸發延遲角[α]的相位變化即可實現輸出電壓的控制。

1.1.2? 單相交流調壓電路的案例分析

為充分理解單相交流調壓電路的理論知識，實現案例分析在理論教學和實踐教學中的橋梁與緩沖作用，本文中基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建單相交流調壓電路的實際案例，并進行案例分析。

圖2為主電路模型，將交流電通過變壓器接入電路中，作為主電路的電源，然后用兩個晶閘管反并聯，負載端選用阻感負載[5]。

控制電路模型主要用來控制主電路中晶閘管的導通與關斷，如圖3所示，將輸出負載端的電壓作為反饋與給定值比較，二者的誤差信號經過限幅器進而作為PI（Proportional integral，PI）調節器的輸入，將PI調節器的輸出信號與鋸齒波相比較，從而產生一定頻率的PWM（Pulse width modulation，PWM）控制信號。

單相交流調壓電路案例分析的仿真結果如圖4所示，通過改變晶閘管的觸發角[α]，來改變負載端的電壓。圖4（a）為[α]等于0[°]時負載電壓波形變壓器的輸出波形，未經過調壓電路，顯示標準的正弦波;圖4（b）為[α]等于30[°]時負載電壓波形，30[°]以前負載端的電壓值為0，30[°]以后負載與輸入電源并聯，電壓值等于電源電壓;同理，當[α]等于60[°]、90[°]和120[°]時的輸出電壓波形，其分析方法與[α]等于30[°]相同。

1.1.3? 單相交流調壓電路的實踐教學

在單相交流調壓電路的實踐教學環節中，通過搭建硬件實物[6]，觀察負載端輸出波形，并與理論教學和案例分析的結果進行對比分析，從而進一步驗證理論教學與案例分析的有效性。

單相交流調壓電路的硬件實物圖如圖5所示，其中，主電路由電源、變壓器、阻感負載組成，控制電路由直流電壓源、單片機、運算放大器和脈沖變壓器組成，可以對晶閘管進行有效地控制[7]。

單相交流調壓電路的實驗結果如圖6所示，通過改變晶閘管的觸發角[α]，利用示波器測量負載的波形，見圖6。圖6（a）、圖6（b）分別為[α]等于0[°]和30[°]時負載端電壓的輸出波形，不難看出，實踐教學中的實驗結果與仿真案例分析中的結果相吻合，從而驗證了案例分析對實踐教學的輔助作用，展現了仿真案例分析在理論教學和實踐教學之間的橋梁作用。

1.2? 直流升降壓斬波電路實例驗證

1.2.1? 直流升降壓斬波電路的理論教學

直流升降壓斬波電路的拓撲結構如圖7所示，為了保證負載電壓[u0]和電感電流[IL]基本為恒值，在分析電路原理時假設電路中的電感電容均為理想狀態。基本工作原理可概括為：當開關V導通時，電源E的電流經V向電感L充電，電感儲存能量，電源和電感的電流分別為[i1]和[IL]。當開關V關斷時，電感釋放其之前儲存的能量，電流為[i2]，電容[C]維持負載端電壓恒定，并向負載[R]供電。輸出電壓隨著占空比[α]的變化而變化，當0<α<1/2時為降壓模式，當1/2<α<1時為升壓模式，從而實現直流升降壓的功能。

1.2.2? 直流升降壓斬波電路的案例分析

為充分理解直流升降壓斬波電路的理論知識，再一次驗證仿真案例分析在理論教學和實踐教學中的橋梁作用，本文基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建了直流升降壓斬波電路的仿真案例，并進行分析。

直流升降壓斬波電路的主電路模型如圖8所示，包括開關管（Mosfet）、二極管、電感和電容，輸出電壓采用大電容濾波。

控制電路模型如圖9所示，如升壓模式下的給定值18 V與負載輸出端的電壓實際值U0進行比較，二者的誤差送入PI調節器， PI調節器的結果接入限幅器，最后和三角波進行比較，從而產生PWM波。

圖10為直流升降壓斬波電路仿真案例分析的結果：圖10（a）為初始輸入電源電壓，可以看出在很短的時間內輸入電源電壓快速響應，并迅速穩定在12 V;降壓模式下改變α值，輸出電壓可降為6 V，見圖10（b）;升壓模式下同樣改變α值，輸出電壓可升為18 V，見圖10（c）。

1.2.3? 直流升降壓斬波電路的實踐教學

為了進一步驗證直流升降壓斬波電路中理論教學與案例分析的有效性，本文也搭建了該電路的硬件實物[8]，如圖11所示：包含主電路和控制電路兩部分;所用的電子元器件包括Mosfet、單片機、電感和電容等;儀器儀表包含萬用表、穩壓源和示波器等。

圖12為直流升降壓斬波電路的實驗結果：圖12（a）為實驗中的輸入電源電壓，接近于12 V;通過改變單片機中輸出PWM波的占空比，使得占空比降低，電壓隨之逐漸降低，當占空比變為33%左右時，得到降壓模式下的輸出電壓6 V，見圖12（b）;而當控制占空比升高時，電壓亦隨之升高，當占空比為60%左右時，得到升壓模式下的輸出電壓18 V，實驗結果與仿真案例分析中的結果幾乎完全吻合，如圖12（c）所示。

2? ? 結論

本文提出一種基于“理論教學—案例分析—實踐教學”的全新教學模式，并通過電氣類專業課程“電力電子技術”中的單相交流調壓電路和直流升降壓斬波電路兩節內容進行了實例驗證，得到如下結論：

（1）在理論教學和實踐教學之間加入仿真案例分析環節是可行的，可提高理論教學與實踐教學的銜接性。

（2）案例分析的橋梁與緩沖作用明顯，既可幫助學生加深對理論知識的理解，也可實現學生對技術知識的預習。

因此，基于“理論教學—案例分析—實踐教學”的全新教學模式具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1] 張良力， 王斌， 陳華麗， 等. 電氣專業導論研討課教學設計與課程實施[J]. 教育教學論壇， 2020（32）： 141-142.

[2] 黃秀玉. 中職農村電氣技術專業教學模式改革探析[J]. 新課程教學，2020（12）： 77.

[3] 羅昕， 魏海燕. 高職院校電氣自動化專業工學結合教學模式[J]. 電子制作， 2020（12）： 64-65.

[4] 歐陽峰. 晶閘管單相交流調壓電路的設計及仿真[J]. 數碼世界， 2017（12）： 75-76.

[5] 謝積錦， 李紅星， 何永玲， 等. 單相交流調壓阻感負載電路的仿真教學研究[J]. 山東化工， 2020（5）： 177-178.

[6] 鄭富豪， 郭秀娟， 魏立明. 交流電力控制中的單相交流調壓電路[J]. 黑龍江科技信息， 2016（15）： 71.

[7] 張陽. 單相交流調壓器設計[D]. 常州： 江蘇理工學院， 2018.

[8] 肖海飛. 升降壓斬波電路設計[D]. 常州： 江蘇理工學院， 2018.

責任編輯? ? 張棟梁