基于雨課堂與Matlab 仿真的農業院校電力電子技術混合教學研究

摘要：電力電子技術作為農業院校電氣工程及其自動化專業的必修課，包含大量的抽象電路知識。為了在有限的學時內盡可能提高學生的學習積極性，將電力電子技術課程打造成國家或省級一流課程，將Matlab仿真引入電力電子技術課程教學中，使學生能夠直觀地理解抽象的知識。同時，結合雨課堂的互動方式，開展基于雨課堂與Matlab仿真的電力電子技術混合教學研究。結果表明，電力電子技術課程的教學效果得到顯著提高，可為其他同類課程的教學模式改革提供思路。

關鍵詞：電力電子； 雨課堂； 仿真； 混合教學

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0135-03

電力電子技術是高校自動化、電氣工程及其自動化專業的必修課，內容包括電力電子器件、交流-直流變換器、直流-直流變換器、直流-交流變換器和交流-交流變換器的工作原理及其參數推導公式[1]。但電氣專業的學生在學習過程中普遍感覺課程內容多且抽象，很難在有限的學時內完成課程的學習。為此，將Matlab/Simulink軟件引入電力電子技術課程的教學中，通過搭建電力電子電路仿真模型來更加直觀地展示電路中各關鍵參數的變化情況[2]，從而使學生更好地掌握抽象的知識點。但學生仍需加強對相關知識點的課前準備和課后鞏固[3]，從而更好地將課外學習與課堂教學有效結合，提高整體的教學效果[4]，這也是當前電力電子技術課程教學改革亟待解決的問題[5-6]。雨課堂作為一種新型的線上智慧教學工具[7-8]，可以幫助教師更加便利地完成課前及課后教學活動，有助于增進教師與學生之間的互動，提高學生學習效果。因此，在引入Matlab仿真軟件的基礎上，結合雨課堂，開展電力電子技術課程混合教學研究，以適應新時代工程技術人才培養的需求。

1 基于雨課堂和Matlab 仿真的混合教學設計

雨課堂是由學堂在線與清華大學聯合開發的智慧教學工具，可通過整合課件、視頻、作業、測試、討論等教學資源來增強課堂教學體驗和師生互動，使教學活動更加便利。引入Matlab仿真的教學模式是利用仿真軟件搭建電路模型，提供電路的仿真過程，使學生通過圖形變化可直觀地理解電路的相關知識，培養學生的實踐能力，提高教學質量。電力電子技術混合教學方法包括課前、課中和課后3個環節，其設計流程如圖1所示。

1.1 課前預習

在學習課程前，教師對電力電子技術的知識點進行分類，提煉出適合電路仿真的知識點，再結合學生已經掌握的知識點，錄制關于仿真電路的視頻，并配有教師講解，以幫助學生直觀地了解電路關鍵參數的變化情況。教師通過雨課堂將錄制好的視頻推送給學生，要求學生完成預習任務。為測試學生的預習效果，可在雨課堂上布置一些與電路相關的問題，再推送給學生。學生回答問題后，點擊提交，平臺將自動評分并顯示正確答案。在這一過程中，學生可以及時了解自己對相關知識的掌握情況，并在此基礎上總結出一些需要解決的難點，使課前預習更加全面。教師通過雨課堂對學生的預習效果進行分析，并反饋預習結果，從而更好地開展課堂教學。

1.2 課中教學

教師對學生進行分組，組織學生以小組形式交流和討論預習結果，總結學習要點和遇到的共性問題，其他小組學生也可以對相關問題發表意見或提出解決方案。在此過程中，教師提供有效的引導和點評，以加深學生對重點及難點知識的理解。這種交流與討論可以有效促進師生之間的互動，培養學生的自主探索意識。在小組討論中，教師以鼓勵和肯定為主，引導學生朝著正確的方向，找到錯誤源。同時，重點講解學生的常見問題，對非常見問題進行單獨輔導，此時，初步完成教學計劃。引入Matlab下Simulink電力電子模塊庫中的相關模塊，教師可以進一步引導學生調整電力電子仿真電路的負載和參數設置等，并融入一些開放性的與電力電子電路相關的任務或問題，讓學生帶著任務或問題完成相應的電路仿真過程，可在理解相關電路知識的基礎上，進一步提高學生的實踐能力和解決問題的能力，完成教學計劃。

1.3 課后復習

為評估學生對相關知識的掌握程度，應改進傳統的線下課后作業方式。教師通過雨課堂給學生布置不同難易程度的課后作業，以測試學生的學習效果，同時要求學生在規定時間內完成。學生完成作業后，教師通過雨課堂對作業完成情況進行分析，以了解學生對知識點的掌握程度，同時可幫助教師進行教學總結，更好地調整教學設計方案，最終形成良好的教與學循環，提高教學效果。

2 混合教學模式的實施過程

以單相橋式全控整流電路為例，展示基于雨課堂和Matlab仿真的課堂教學活動的實施過程。

2.1 課前

將單相橋式全控整流電路的仿真電路及其仿真過程的講解視頻發布到雨課堂所在班級，同時設置一些有探究性的判斷題和選擇題。單相橋式全控整流電路的仿真電路如圖2所示。

問題1：通過仿真講解視頻，將交流電壓直接輸入該電路能否達到整流效果？

問題2：單相橋式全控整流電路要實現整流，圖2電路中的4個晶閘管，VT1～VT4的導通順序是下面哪個選項？

（A）VT1先導通，180°后VT2導通；（B）VT1、VT4同時導通，180°后VT2、VT3同時導通；（C）VT1、VT2同時導通，180°后VT3、VT4同時導通。

輸入電壓的波形如圖3所示。輸出電壓的波形如圖4所示。

問題3：輸入電壓的波形經過整流后得到的輸出電壓的波形是圖4中的哪個選項？

通過課前的預習，學生已經初步掌握單相橋式全控整流電路實現整流的方法，但還沒有深入研究單相整流電路中整流輸出電壓和電流隨負載性質不同而產生的變化情況。

2.2 課中

為討論單相橋式全控整流電路中整流輸出電壓和電流隨負載性質不同而產生的變化情況，在電路中接入阻感性負載的仿真電路，并由學生分組探究電感對電路電流的阻礙作用、改變觸發延遲角α的大小，同時引導學生深入思考觸發角對整流電壓和電流波形的影響，探究整流輸出電壓和電流波形隨電感值的變化情況。通過討論和探究，學生可以直觀地了解整流電路輸出電壓和電流隨負載性質不同而產生的變化情況。阻感性負載的單相橋式全控整流電路如圖5所示。

2.3 課后

通過雨課堂給學生布置單相橋式全控整流電路的課后習題，以幫助學生鞏固課堂知識。學生完成雨課堂課后習題情況如圖6所示。

3 結語

為驗證基于雨課堂與Matlab仿真的電力電子技術課程的教學效果，在沈陽農業大學2021—2022學年的秋季學期為2019級電氣工程及其自動化專業學生上課時，采用傳統的線下教學模式作為對照；在2022—2023學年的秋季學期為2020級電氣工程及其自動化專業學生上課時，采用基于雨課堂與Matlab仿真的混合教學模式。課后對學生進行問卷調查，結果表明，基于雨課堂與Matlab仿真相結合的教學方法貫穿課前、課中和課后全過程，加強了師生之間的互動，激發了學生學習電力電子技術的熱情，有效提高了學生的學習效果。同時，學生的實踐能力和創新能力得到有效提高，實現了課程的教學目標，滿足了更深層次培養創新型人才的需求。綜上所述，基于雨課堂與Matlab仿真的混合教學模式在沈陽農業大學的電力電子技術課程中取得了積極成效，不僅能夠提高學生的學習成績，更重要的是其能夠培養學生的實踐技能和創新精神，可為培育出新時代的創新型工程人才奠定堅實基礎。

參考文獻

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[2] 袁青云，劉潭，王永剛，等.Matlab/Simulink在電力電子課程實踐教學中應用[J].電子世界，2020（1）：34-36.

[3] 劉美澤，馬莉，宋佃星.基于雨課堂的線上混合式教學設計在大學課程中的應用研究[J].科技與創新，2022（6）：166-168.

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基金項目：遼寧省本科教改立項優質教學資源建設與共享項目——基于跨校修讀學分的電工學課程混合式教學模式研究與實踐（519）；沈陽農業大學教育教學研究項目——基于信息化技術方向電氣工程類人才創新思維和實踐能力培養模式探索（2022-09-02）；沈陽農業大學研究生教育教學研究項目——“雙一流”建設背景下電氣工程領域專業學位研究生實踐創新能力培養的探索與研究（2022-yjs-32）