電氣類專業(yè)課程教學(xué)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(yè)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的理論教學(xué)與實踐教學(xué)銜接性差、學(xué)生學(xué)習(xí)效率低等問題，提出一種基于“理論教學(xué)—案例分析—實踐教學(xué)”的全新教學(xué)模式。在理論教學(xué)和實踐教學(xué)之間加入案例分析環(huán)節(jié)，發(fā)揮案例分析的橋梁與緩沖作用，使得學(xué)生通過案例分析充分理解理論知識，并為后續(xù)實踐教學(xué)做好鋪墊。列舉的單相交流調(diào)壓電路和直流升降壓斬波電路實例充分驗證了該教學(xué)模式的有效性。

關(guān)鍵詞：電氣;專業(yè)課程;教學(xué)模式;案例分析

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

電氣類專業(yè)屬于老牌工科專業(yè)，在國內(nèi)外以工科為主的院校中均有設(shè)置。該專業(yè)旨在培養(yǎng)電氣工程、控制工程、信息工程等學(xué)科方向的專門技術(shù)人才[1]。近年來，電氣類專業(yè)發(fā)展迅猛，人才需求量大，這對該專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。因此，新形勢、新常態(tài)下電氣類專業(yè)課程改革勢在必行[2]。

教學(xué)模式改革屬于電氣類專業(yè)課程改革的一個重要分支，課程的改革最終需要通過教學(xué)模式來體現(xiàn)其有效性，因此新的教學(xué)模式探索顯得至關(guān)重要[3]。當(dāng)前電氣類專業(yè)課程的教學(xué)模式普遍存在以下兩個問題：（1）專業(yè)課程門類繁多，理論教學(xué)難度大，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式不能支撐學(xué)生對專業(yè)知識的深刻理解;（2）理論教學(xué)與實踐教學(xué)銜接性較差，即學(xué)生對理論知識的理解尚且模糊，隨后進行實踐教學(xué)，導(dǎo)致實踐教學(xué)中的技術(shù)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(xué)模式，即將案例分析作為一座橋梁，在理論教學(xué)和實踐教學(xué)之間建立有效聯(lián)系。一方面使學(xué)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(xù)相關(guān)實踐教學(xué)做好鋪墊。

1? ? 教學(xué)模式實例驗證

為驗證本文中所提出的基于“理論教學(xué)—案例分析—實踐教學(xué)”這一教學(xué)模式的有效性，現(xiàn)以電氣類專業(yè)課程“電力電子技術(shù)”中單相交流調(diào)壓電路和直流升降壓斬波電路兩節(jié)內(nèi)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(yè)出版社出版的《電力電子技術(shù)》（第5版）。

1.1? 單相交流調(diào)壓電路實驗驗證

1.1.1? 單相交流調(diào)壓電路的理論教學(xué)

圖1為單相交流調(diào)壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由輸入交流電[u1]，反向并聯(lián)的兩個晶閘管VT1和VT2，以及負(fù)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(fù)半周，分別對VT1和VT2的觸發(fā)延遲角[α]進行控制，從而調(diào)節(jié)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(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓波形相同，因此通過觸發(fā)延遲角[α]的相位變化即可實現(xiàn)輸出電壓的控制。

1.1.2? 單相交流調(diào)壓電路的案例分析

為充分理解單相交流調(diào)壓電路的理論知識，實現(xiàn)案例分析在理論教學(xué)和實踐教學(xué)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(diào)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(lián)，負(fù)載端選用阻感負(fù)載[5]。

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

單相交流調(diào)壓電路案例分析的仿真結(jié)果如圖4所示，通過改變晶閘管的觸發(fā)角[α]，來改變負(fù)載端的電壓。圖4（a）為[α]等于0[°]時負(fù)載電壓波形變壓器的輸出波形，未經(jīng)過調(diào)壓電路，顯示標(biāo)準(zhǔn)的正弦波;圖4（b）為[α]等于30[°]時負(fù)載電壓波形，30[°]以前負(fù)載端的電壓值為0，30[°]以后負(fù)載與輸入電源并聯(lián)，電壓值等于電源電壓;同理，當(dāng)[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(diào)壓電路的實踐教學(xué)

在單相交流調(diào)壓電路的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過搭建硬件實物[6]，觀察負(fù)載端輸出波形，并與理論教學(xué)和案例分析的結(jié)果進行對比分析，從而進一步驗證理論教學(xué)與案例分析的有效性。

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

直流升降壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，為了保證負(fù)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(shè)電路中的電感電容均為理想狀態(tài)。基本工作原理可概括為：當(dāng)開關(guān)V導(dǎo)通時，電源E的電流經(jīng)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(dāng)開關(guān)V關(guān)斷時，電感釋放其之前儲存的能量，電流為[i2]，電容[C]維持負(fù)載端電壓恒定，并向負(fù)載[R]供電。輸出電壓隨著占空比[α]的變化而變化，當(dāng)0<α<1/2時為降壓模式，當(dāng)1/2<α<1時為升壓模式，從而實現(xiàn)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(xué)和實踐教學(xué)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(guān)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(fù)載輸出端的電壓實際值U0進行比較，二者的誤差送入PI調(diào)節(jié)器， PI調(diào)節(jié)器的結(jié)果接入限幅器，最后和三角波進行比較，從而產(chǎn)生PWM波。

圖10為直流升降壓斬波電路仿真案例分析的結(jié)果：圖10（a）為初始輸入電源電壓，可以看出在很短的時間內(nèi)輸入電源電壓快速響應(yīng)，并迅速穩(wěn)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(xué)

為了進一步驗證直流升降壓斬波電路中理論教學(xué)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(wěn)壓源和示波器等。

圖12為直流升降壓斬波電路的實驗結(jié)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(dāng)占空比變?yōu)?3%左右時，得到降壓模式下的輸出電壓6 V，見圖12（b）;而當(dāng)控制占空比升高時，電壓亦隨之升高，當(dāng)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(jié)果與仿真案例分析中的結(jié)果幾乎完全吻合，如圖12（c）所示。

2? ? 結(jié)論

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

（1）在理論教學(xué)和實踐教學(xué)之間加入仿真案例分析環(huán)節(jié)是可行的，可提高理論教學(xué)與實踐教學(xué)的銜接性。

（2）案例分析的橋梁與緩沖作用明顯，既可幫助學(xué)生加深對理論知識的理解，也可實現(xiàn)學(xué)生對技術(shù)知識的預(yù)習(xí)。

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

參考文獻：

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[7] 張陽. 單相交流調(diào)壓器設(shè)計[D]. 常州： 江蘇理工學(xué)院， 2018.

[8] 肖海飛. 升降壓斬波電路設(shè)計[D]. 常州： 江蘇理工學(xué)院， 2018.

責(zé)任編輯? ? 張棟梁