電力電子技術既是一門技術基礎課程,也是一門實用性和實踐性很強的課程[1],因此實驗教學也成為了教學過程中的重要環節之一[2]。實驗教學不僅對理解和鞏固課堂講授的理論知識有重要作用,而且對加強學生工程技能訓練、提高學生的動手能力具有不可替代的作用。目前,我院在電力電子技術實驗教學環節中采用“TKDD-1型電力電子技術及電機控制實驗裝置”,如圖1所示。該實驗裝置采用掛件式結構,可根據不同實驗內容進行自由組合,其參數特性能模擬3kW左右的通用實驗機組。

但是,隨著學生人數的增加,實驗設備的更新速度明顯無法滿足企業對于高職院校畢業生能力的要求,同時在進行實驗教學過程中實驗項目的選擇圖1TKDD-1電力電子技術及電機控制實驗裝置還不能完全滿足現行教學的需求,能夠開設的實驗數量少且較簡單;實驗教學中通常采用縮小功率的系統進行模擬分析,往往會使實驗結果產生較大誤差;隨著時間的推移,實驗設備逐漸老化,在實際操作中容易受接觸不良等因素的干擾,使實驗結果與理論分析不符甚至出現異常現象;有些實驗因在高壓下進行,還存在一定的危險性。基于MATLAB的計算機仿真技術已在許多本科院校有了相當成熟的應用,并已取得了良好的教學效果。然而,對于側重培養學生實踐及動手操作能力的高職院校而言,多數實驗是基于現場實驗裝置進行的,計算機仿真技術尚未引起足夠的重視。針對這一現象,提出將基于MATLAB的計算機仿真技術引入高職院校電力電子技術課程實驗教學環節的過程中。

1案例分析

教學中一般采用的教學模式為:電路原理分析-電路關鍵參數的設計-電路仿真-仿真結果分析討論-總結電路的特點及各參數對電路的影響[3]。

1•1單相交流調壓電路

單相交流調壓電路是把兩個晶閘管反向并聯后串聯在交流電路中,通過對晶閘管的控制來控制交流電力的控制電路。廣泛應用于燈光控制(如調光臺燈和舞臺燈光控制)、異步電動機的軟啟動、異步電動機的調速、供電系統中無功功率的連續調節等諸多領域。在進行單相交流調壓電路的教學過程中,由于課本僅給出了如圖2所示的電路構成[4],學生對此缺乏感性認識,課堂教學效果欠佳。而在進行實驗調試的過程中,又往往會出現控制角α的調節不準而導致實驗效果不佳的問題,使學生對電路的理解不準甚至干脆無法理解。使教師講得費力、學生聽得費神,無法獲得良好的教學效果。針對這一問題,引入基于MATLAB的虛擬實驗室進行計算機仿真以確保教學的有效性,使學生一改往日“上課聽聽、作業抄抄、考試突擊”的被動學習為“勤動腦、肯動手、敢提問、會分析、能解決”的主動學習[5],同時,對學生學習興趣的提高起到了有力的推動作用。以下從構筑電路、參數設置及仿真比較方面分析不同負載、不同電路狀態時的輸出結果,以增強學生對知識內在聯系的把握及認識,培養其創新意識。1•1•1帶電阻性負載的仿真串聯RLC模塊中參數設置為R=45Ω,L=0H,C=inf(無窮大)。仿真結果如圖4所示。

1•1•2帶電阻電感性負載的仿真

串聯RLC模塊中參數設置為R=45Ω,L=0•1H,C=inf。仿真結果如圖5所示。

1•2三相正弦波脈寬調制變頻電路

三相正弦波脈寬調制變頻原理如圖6所示[4]。在實際工程試驗過程中,由于該電路接線復雜,并對示波器有較高要求,因此不得不借助計算機虛擬實驗室來實現波形及參數的觀測與調節。三相正弦波脈寬調制變頻電路的系統是由直流電源、給定信號、同步脈沖觸發器、IGBT逆變橋及負載等部分組成的。由于篇幅限制,系統建模和模型參數設置不再贅述。仿真結果如圖7所示。在仿真過程中,學生通過自主地合理改變系統模塊參數不僅對系統有了更深刻的理解,同時也對各參數對系統的影響有了更加明確的把握,更進一步提高了學生學習新知識、新技能的積極性和主動性,教學效果明顯提高,并為進一步學習和工作打下了良好的基礎。

2結束語

在高職院校電類專業的電力電子技術教學過程中引進計算機仿真技術,將計算機虛擬實驗與傳統的實際工程試驗有機結合,向學生提供先進的實驗技術和發揮想象力、創造力的空間。增強了學生學習的主動性和積極性,增強了學生對于知識內在聯系的把握能力,使學生不僅能夠將隱性的理論知識轉化為顯性的技能,同時能夠在此基礎上進行進一步創新,達到“具備扎實基礎知識、熟練操作技能”的人才培養目標。

為了驗證該教學方法的可行性和有效性,我們進行了以下的調研工作:首先對在校生就有關傳統“課堂教學+工程試驗”的教學方法與“課堂教學+虛擬實驗室+工程試驗”的教學方法進行了比較教學[7]。采用隨機抽取的方式對同一專業的不同自然班分別運用了上述2種教學方法進行比對,結果發現后者雖然在最初實施階段存在較大困難,但隨著教學的進行,學生的自信心和效能感較之前者有了較大改觀,取得了較好的教學效果。其次,對本院畢業生進行了跟蹤,采用調查問卷的形式對畢業生認為對工作有較大幫助的知識和技能進行統計分析,結果發現畢業生對于后者的認可度較之對傳統教學方法的認可度高出整整10•5個百分點;同時,對用人單位進行走訪,用人單位對近幾屆畢業生對電力電子技術相關的技能認可度也較之前幾屆畢業生有了較大幅度的提升。