電力電子技術(shù)既是一門技術(shù)基礎(chǔ)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(huán)節(jié)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(xùn)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(shù)實驗教學環(huán)節(jié)中采用“TKDD-1型電力電子技術(shù)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(jié)構(gòu),可根據(jù)不同實驗內(nèi)容進行自由組合,其參數(shù)特性能模擬3kW左右的通用實驗機組。

但是,隨著學生人數(shù)的增加,實驗設(shè)備的更新速度明顯無法滿足企業(yè)對于高職院校畢業(yè)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(shù)及電機控制實驗裝置還不能完全滿足現(xiàn)行教學的需求,能夠開設(shè)的實驗數(shù)量少且較簡單;實驗教學中通常采用縮小功率的系統(tǒng)進行模擬分析,往往會使實驗結(jié)果產(chǎn)生較大誤差;隨著時間的推移,實驗設(shè)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(jié)果與理論分析不符甚至出現(xiàn)異常現(xiàn)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(shù)已在許多本科院校有了相當成熟的應(yīng)用,并已取得了良好的教學效果。然而,對于側(cè)重培養(yǎng)學生實踐及動手操作能力的高職院校而言,多數(shù)實驗是基于現(xiàn)場實驗裝置進行的,計算機仿真技術(shù)尚未引起足夠的重視。針對這一現(xiàn)象,提出將基于MATLAB的計算機仿真技術(shù)引入高職院校電力電子技術(shù)課程實驗教學環(huán)節(jié)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(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計-電路仿真-仿真結(jié)果分析討論-總結(jié)電路的特點及各參數(shù)對電路的影響[3]。

1•1單相交流調(diào)壓電路

單相交流調(diào)壓電路是把兩個晶閘管反向并聯(lián)后串聯(lián)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(yīng)用于燈光控制(如調(diào)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(diào)速、供電系統(tǒng)中無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)等諸多領(lǐng)域。在進行單相交流調(diào)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(gòu)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(diào)試的過程中,又往往會出現(xiàn)控制角α的調(diào)節(jié)不準而導(dǎo)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(yè)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(gòu)筑電路、參數(shù)設(shè)置及仿真比較方面分析不同負載、不同電路狀態(tài)時的輸出結(jié)果,以增強學生對知識內(nèi)在聯(lián)系的把握及認識,培養(yǎng)其創(chuàng)新意識。1•1•1帶電阻性負載的仿真串聯(lián)RLC模塊中參數(shù)設(shè)置為R=45Ω,L=0H,C=inf(無窮大)。仿真結(jié)果如圖4所示。

1•1•2帶電阻電感性負載的仿真

串聯(lián)RLC模塊中參數(shù)設(shè)置為R=45Ω,L=0•1H,C=inf。仿真結(jié)果如圖5所示。

1•2三相正弦波脈寬調(diào)制變頻電路

三相正弦波脈寬調(diào)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(fù)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(xiàn)波形及參數(shù)的觀測與調(diào)節(jié)。三相正弦波脈寬調(diào)制變頻電路的系統(tǒng)是由直流電源、給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、IGBT逆變橋及負載等部分組成的。由于篇幅限制,系統(tǒng)建模和模型參數(shù)設(shè)置不再贅述。仿真結(jié)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(tǒng)模塊參數(shù)不僅對系統(tǒng)有了更深刻的理解,同時也對各參數(shù)對系統(tǒng)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(chǔ)。

2結(jié)束語

在高職院校電類專業(yè)的電力電子技術(shù)教學過程中引進計算機仿真技術(shù),將計算機虛擬實驗與傳統(tǒng)的實際工程試驗有機結(jié)合,向?qū)W生提供先進的實驗技術(shù)和發(fā)揮想象力、創(chuàng)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(nèi)在聯(lián)系的把握能力,使學生不僅能夠?qū)㈦[性的理論知識轉(zhuǎn)化為顯性的技能,同時能夠在此基礎(chǔ)上進行進一步創(chuàng)新,達到“具備扎實基礎(chǔ)知識、熟練操作技能”的人才培養(yǎng)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(diào)研工作:首先對在校生就有關(guān)傳統(tǒng)“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(yè)的不同自然班分別運用了上述2種教學方法進行比對,結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(yè)生進行了跟蹤,采用調(diào)查問卷的形式對畢業(yè)生認為對工作有較大幫助的知識和技能進行統(tǒng)計分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)畢業(yè)生對于后者的認可度較之對傳統(tǒng)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(yè)生對電力電子技術(shù)相關(guān)的技能認可度也較之前幾屆畢業(yè)生有了較大幅度的提升。