基于虛擬現實技術的“電力電子”課程教學策略研究

［摘 要］ 電力電子是一門專業化、技術密集型學科，新時代，學生的學習需求相對較高，傳統的教學方法很難滿足他們的學習要求。因此，虛擬現實技術逐漸進入“電力電子”課程教學，為傳統的教學模式注入了新活力。基于虛擬現實技術的“電力電子”課程教學策略研究，有望為教育工作者的教學實踐提供一種新的思路。通過創建沉浸式的學習環境和實時互動性強的虛擬平臺，可以有效增強學生的興趣和實踐能力，使復雜的電力電子概念更加生動易懂，激發了學生的創新思維，提高了整體教學效果。

［關鍵詞］ 虛擬現實技術；電力電子；教學策略；教學模式創新

［基金項目］ 2022—2024年河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于Wed 3D技術的‘電力電子技術’課程混合教學平臺開發與實踐研究”（2022GJJG419）

［作者簡介］ 董淑惠（1978—），女，青海西寧人，碩士，華北電力大學（保定）電氣與電子工程學院講師，主要從事風力發電控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）45-0153-04 ［收稿日期］ 2024-05-22

隨著科學技術的不斷進步和發展，虛擬現實（virtual reality， VR）作為一種先進的人機交互技術，已成為近年來最引人注目的技術創新之一。虛擬現實技術具有廣泛的應用，包括科學可視化、飛行模擬、醫學、遙感和遠程控制、CAD/CAM、教育、娛樂等。虛擬現實技術的特點主要包括仿真、交互和想象。仿真是指虛擬現實系統對現實世界中的事物進行本質和內在模擬的能力；交互強調虛擬現實系統能夠根據人類的操作做出反應，讓操作員在虛擬環境中能夠進行有效的操作；想象是指虛擬現實系統能夠為操作者提供合理的想象空間，使他們在虛擬環境中探索各種可能性。

虛擬現實技術在“電力電子”課程教育領域的應用尚處在初級階段。一些大學和教育機構開始嘗試將虛擬現實技術引入課堂，通過模擬實驗室環境、電路構建等互動環節，在虛擬空間中進行操作，更好地了解電力電子的工作原理和設計過程。這種新的教學方法有效提高了學生的學習熱情和動手能力。在優勢的背后，也有許多挑戰：第一，虛擬現實技術對硬件設備的要求較高，在普通教育環境中的普及受到一定程度上的限制。第二，開發高質量的教學內容需要較豐富的跨學科專業知識和技術，這對教師團隊提出了一定要求。在虛擬環境中如何有效評價學習效果也是教育者需要面對的問題。隨著虛擬現實技術在電力電子教育領域的不斷成熟和成本的降低，技術的應用更加廣泛。教學內容發展也將趨于多樣化，包括基礎理論教學、實驗操作演示、故障診斷和維護、結合人工智能等技術，可以實現個性化教學、路徑推薦和智能評估，進一步提高教學效率和質量。虛擬現實技術為“電力電子”課程教育帶來了新的生機與活力，盡管存在一些挑戰，在提高學生體驗和教學效果方面潛力很大。電力電子教育能夠借助虛擬現實技術，通過不斷探索和創新，培養出更多電力電子行業適應未來發展的高技術人才。

一、“電力電子”課程特點

“電力電子”課程以其獨特的魅力和意義，成為連接理論與實踐的橋梁，帶領學生走進神秘的電氣技術圣殿。

（一）基礎知識與實踐能力要求高

電力電子系統的高效可靠構建依賴于扎實的基礎知識和實踐能力。只有理論與實踐緊密結合，才能培養出高素質電力電子領域專業人才，推動關鍵技術領域的不斷進步和發展。電力電子技術的基礎知識是該領域的核心，包括控制策略、電路拓撲、半導體器件的工作原理等。掌握這些概念對于理解和設計電力電子轉換器十分關鍵。例如，掌握IGBT和MOSFET的工作原理可以選擇正確的設備進行能量轉換。同樣，熟悉不同型號的整流器和逆變器的優點和缺點，可以在應用中合理地進行技術決策。然而，把理論基礎知識與實際操作分割開來，較難支撐起真正的項目。因此，“電力電子”課程還應注重對學生實踐能力的培養。這包括許多技能，如實驗調試、模擬分析、電路設計和故障排除。通過在實驗室實際操作，可以將抽象的理論轉化為具體的技能，如在實驗板上搭建和測試電力電子轉換器或者是利用專業軟件進行電路模擬。將新技術和材料應用于現有的電力電子系統，學習如何提高系統性能。這就要求學生不僅具備扎實的專業知識，還要有實踐能力和創新精神?！半娏﹄娮印闭n程不僅把通過考試作為最終的目標，還要培養能夠引領技術創新并且能夠獨立解決實際問題的專業工程師。這需要學校教育提供充分的理論基礎知識教學和實踐能力鍛煉，鼓勵學生跳出課本，將知識運用到實際的復雜挑戰中。只有這樣，電力電子技術的研究和學習才能真正發揮其應有的價值，為社會的可持續發展貢獻力量。

（二）教學內容的抽象性、綜合性和實踐創新性

電力電子技術的學習要求學生具備扎實的理論基礎，將理論知識與實踐操作相結合，還需具備跨學科的綜合分析能力和創新思維?！半娏﹄娮印闭n程教學內容和其他學科的教學相比有顯著的特點，如內容的抽象性、綜合性和實踐創新性。

抽象性：電力電子技術涉及大量的理論教學知識點，包括波形分析、電路分析等，這些知識都較為抽象。例如，電路動態演示教學系統的設計，強調模型的完善和實驗參數的自主設定性，這些都需要足夠的理論知識儲備量才能有效操作。電力電子中的抽象理念，如儀表工作原理和電路分析被認為是復雜的和抽象的，這要求學生能夠將這些抽象概念具象化，便于對理論知識的理解和掌握［1］。

綜合性：電力電子技術不僅包含豐富的理論知識，還包含多個領域的知識，如電力電子設備數學建模、穩定性分析、控制器設計等。電力電子技術的跨學科特性，使之成為一門綜合性較強的課程。為提高學生的綜合分析能力和教師教學質量，采用了仿真工具和項目實驗式教學等方法，實現了理論與實踐的緊密結合。電力電子技術教學內容的綜合性在模塊化實驗教學法中也有體現，通過實驗方法模塊化和知識體系模塊化的方式，加強了對學生實踐能力的培養，推進了實驗教學的全面發展。

實踐創新性：電力電子技術的教學強調了理論知識的傳授，除此之外還須加強培養學生的實踐操作技能。通過引入工程實例化教學，將技術及主流產品與具體工程相結合，鼓勵學生參與產品設計與制作，加強工程素質和意識的培養，提高其動手能力。理論教學與實踐教學的一體化不僅提高了教學質量和教學效果，還加強了課程的實踐創新性。

二、虛擬現實技術在“電力電子”課程教學中的應用策略

虛擬現實技術以其獨特的沉浸式體驗、實時交互性，為“電力電子”課程教學提供了全新的可能。通過構建虛擬實驗室、模擬實際電路和設備，在安全的環境中實時進行實踐操作，提高實驗技能。同時，虛擬現實技術還可以以直觀的形式呈現抽象的電力電子理論知識，幫助學生更好地理解和掌握相關概念，快速解決在學習中遇到的問題。

（一）沉浸式學習體驗

為在電力電子技術教學中充分發揮虛擬現實技術的優勢，教師須采用合理的教學策略。首先，教師應結合課程內容設計富有挑戰性和趣味性的虛擬實驗項目，激發學生的學習興趣和動力。隨著科學技術的飛速發展，虛擬現實技術不再是科幻小說中的概念，而是逐漸融入實踐教學。特別是在電力電子專業領域，虛擬現實技術的應用不僅改變了傳統的教學模式，還提供了前所未有的沉浸式學習體驗。

電力電子學科涉及復雜的電路理論和抽象控制策略，傳統教學方法難以使學生直觀理解和掌握知識要點。此時，虛擬現實技術的介入通過模擬電力系統的真實環境帶入一個三維的虛擬世界。在這個由數據和圖像構建的世界里，學生可以近距離觀察電力電子器件及其構成設備的工作狀態，實時監控電路參數的變化，甚至可以人機互動式操作開關和調節控制器，從而獲得身臨其境的學習體驗。這種沉浸式的體驗不僅加深了學生對電力電子理論知識的理解，還激發了學生探索知識的欲望。虛擬現實技術在電力電子教學中的應用，不僅為學生提供了一個沉浸式的學習平臺，也開辟了一條新的知識之路。這條道路不僅引導學生深入理解電力電子的奧秘，也為學生未來的職業生涯開辟了一條光明的道路。隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善，有理由相信這種沉浸式的教學體驗將成為教育領域的一大趨勢，帶領學生走向更廣闊的知識海洋。

（二）實時交互性

虛擬現實技術在電力電子教學中的實時交互，給傳統的教育模式帶來了革命性的變化。這樣不僅提高了學習的樂趣和安全性，還有效提高了教學的效率和質量。虛擬現實技術在電力電子教學中的實時交互主要表現為：可視化虛擬實驗室環境建設、故障診斷和維修培訓、復雜概念可視化、遠程協作與交互式學習、個性化學習路徑與資源共享。

可視化虛擬實驗室環境的構建。在電力電子教學中虛擬現實技術可以構建一個3D虛擬實時交互的實驗室環境。模擬實驗室的建設和運行能夠在沒有物理風險的情況下實時進行各種電路建設和實驗操作。這個實時交互式模擬實驗室允許隨時自由探索和實驗不同的電路組合，無須擔心安全問題或設備損壞。通過這種實時互動學習模式，可以立即看到操作結果，及時調整實驗策略，讓學生在學習過程中獲得真實的實驗操作體驗，從而加深其對電力電子原理的理解。

故障診斷和維修培訓。在電力電子系統的維護教學中，可以跨時空預設一系列教學場景，學生不受時間和地點的限制隨時進入虛擬教室進行學習。虛擬現實技術為故障診斷和維修培訓提供了一個理想的平臺。在虛擬環境中實時模擬各種故障情況，通過實時交互操作檢測并解決實踐問題。這種動手體驗對于培養學生解決問題能力和動手技能至關重要，同時也避免了實際設備可能產生的維護成本。

復雜概念的可視化。電力電子專業的課程大多是復雜的理論和抽象的概念，在傳統的教學方法中較難完全掌握，復雜概念可視化解決了這一問題。VR系統可以實時監控操作，一旦出現錯誤或操作不當，系統會立即給出提示或糾正，幫助使用者快速理解和糾正錯誤。例如，教師可以在教學過程中呈現電阻器、電容器、電感器、電流、電磁場分布等現象。學生通過VR頭戴設備實時觀察這些通常看不見的物理現象，并以更直觀的方式掌握知識要點。通過這種實時交互反饋機制，有效避免了傳統實驗中等待教師逐一檢查所導致的時間延遲，提高了學習效率。

遠程協作和互動學習。虛擬現實技術支持虛擬環境中的遠程協作，允許學生在不同的地理位置組成團隊，進入同一個虛擬環境進行協作和互動。在虛擬空間中相互交流和討論，實時分享彼此的發現和成果，這種協作模式不僅鍛煉了學生的團隊合作能力，還提高了互動性和趣味性。互動方式打破了地域限制，促進了國際學術交流與合作。學生可以通過虛擬現實技術與世界各地的同學一起解決問題，拓寬視野并提高團隊合作能力。

個性化學習路徑的定制。虛擬現實技術可以根據學習進度和需求提供個性化的學習路徑。通過在虛擬環境中收集的數據和學習反饋，制訂適合每名學生的學習計劃和難度，確保學習節奏根據學生不同的學習情況量身定制。

資源共享。通過虛擬現實技術平臺，可以實時廣泛共享和傳播高質量的電力電子教學資源。不同地區和背景的學生可以根據自己的情況實時訪問相同的學習內容，并享受平等的教育機會。這種開放的資源共享模式，不僅拓寬了教育的邊界，也為電力電子知識的普及和推廣提供了有力支撐。

虛擬現實技術在電力電子教學中的實時交互表現是多方面的。通過互動仿真、跨時空教學、協同學習、即時反饋、資源共享，極大地豐富了電力電子教育的教學手段，提高了教學質量，培養了更多電力電子技術專業人才。隨著虛擬現實技術的不斷成熟和發展，未來的電力電子教學將更加高效、生動、個性。

三、教學模式與創新

（一）利用虛擬現實技術進行實驗教學

傳統的電力電子實驗教學受物理空間和設備數量的限制，在進行實驗操作時會感到擁擠，由于設備成本較高，學校難以配備足夠的實驗設備。虛擬現實技術的引入有效地解決了這一問題。通過頭戴式顯示器可以在虛擬實驗室環境中模擬各種電力電子設備的操作，不受時間和空間的限制。這種沉浸式的學習體驗讓學生感覺置身于真實的實驗室，極大地提高了實驗操作的真實性、互動性和有效性。

虛擬現實技術在電力電子實驗中的應用不僅是模擬操作平臺，還通過視覺和聽覺刺激加深學生對電路原理和故障診斷的理解，實時反饋實驗操作結果。例如，學生在虛擬環境中構建逆變器電路時，系統可以立即顯示電路的工作狀態，一旦出現設計錯誤或操作不當，系統就會以直觀的方式指出問題，幫助快速定位和解決問題。

虛擬現實技術用于電力電子實驗教學可以提供個性化的學習路徑。每名學生的學習進度和理解能力不同，傳統的教學模式要想實現因材施教較為困難。在虛擬環境中可根據學生的學習情況設置不同難度的任務，定制專屬實驗內容，讓每名學生最大限度地發揮個人潛力。

虛擬現實技術在“電力電子”課程中的應用具有重要意義，它標志著教育模式的轉變，從過去“填鴨式”學習和被動接受知識，轉變為積極探索和實踐學習。虛擬現實技術實驗教學不僅優化了學習過程，提高了教學質量，促使學生掌握了電力電子的核心技能，還為未來教育模式打開了一扇大門。

（二）電力電子技術教學模式創新

在“電力電子”課程教學中，虛擬現實技術的教學策略和模式創新可以采取多種形式，其中理論與實踐相結合是教學模式創新的關鍵。分析先理論后實踐和先實踐后理論兩種模式的效果有如下發現。

先理論后實踐模式側重于對基本理論知識的理解和掌握。在這種模式下，首先通過傳統課堂教學和課本學習理論知識，然后通過虛擬現實技術進行實踐。這種方法有助于學生為后續的實際操作奠定理論基礎。然而，僅依靠理論學習不能完全理解復雜的電力電子系統，實踐中的問題解決過程也很重要。虛擬現實技術可以提供接近真實的操作環境，使學生能夠在模擬環境中進行實驗，促進理論知識實踐化，提高學生的專業技術和實踐能力，為今后發展做準備。

先實踐后理論的模式強調通過實踐操作引入新的理論概念。這種方法激發了學生的學習興趣，使其在實際操作中遇到問題能夠積極尋求理論支持，加深對理論知識的理解和記憶。這種模式也符合建構主義學習理論，通過經驗和探索來構建知識。達到最佳的學習效果，又能促進教學模式的創新。

將虛擬現實技術應用于“電力電子”課程，實施理論先于實踐、實踐先于理論的創新教學模式，不僅提高了教學效率和學生的學習興趣，對電力電子領域的教育也產生了深遠的影響。通過這種深度創新的教學模式，在安全的環境中進行深入的理論和實踐操作，培養更扎實的專業技能和綜合素養人才，為應對未來挑戰培養全能型新人。

參考文獻

［1］林若波，彭燕標，陳炳文，等.虛擬仿真技術在“電力電子技術”課程教學中的應用［J］.云南民族大學學報（自然科學版），2013，22（5）：378-381.

Research on Teaching Strategy of Power Electronics Course Based on Virtual Reality Technology

DONG Shu-hui

（School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University（Baoding）， Baoding， Hebei 071003， China）

Abstract： Power electronics is a specialized and technology-intensive subject. In the new era， students’ learning needs are relatively high， and traditional teaching methods are difficult to meet their learning needs. Therefore， virtual reality technology has gradually entered the teaching of Power Electronics courses， injecting new vitality into the traditional teaching mode. The research on the teaching strategy of Power Electronics course based on virtual reality technology is expected to provide a new way of thinking for the teaching practice of educators. By creating immersive learning environments and real-time interactive virtual platforms， students’ interest and practical ability can be greatly enhanced， making complex power electronics concepts more vivid and understandable. This method also stimulates students’ innovative thinking and improves the overall teaching effect.

Key words： virtual reality technology; power electronics; teaching strategy; teaching model innovation