Simulink仿真軟件在電工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

任亞明

【摘 要】文章將CDIO的工程教育理念融入電工技術(shù)課程的教學(xué)過程中，結(jié)合SIMULINK仿真軟件直觀、具體和容易接受的特點(diǎn)，通過對(duì)疊加原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從實(shí)踐的角度支持學(xué)生獲得直觀的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，從而使課程的教學(xué)過程變得具體而生動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

【關(guān)鍵詞】疊加原理;SIMULINK;教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G642.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）06-0105-02

0 引言

CDIO工程教育模式是由麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院、瑞典查爾莫斯工業(yè)大學(xué)和瑞典林雪平大學(xué)4所大學(xué)經(jīng)過4年的研究提出的工程教育理念。CDIO工程教育理念，受德國“雙元制”的影響比較大。所謂“雙元”，是指學(xué)生既要接受學(xué)校的培養(yǎng)，同時(shí)也要在企業(yè)或公共事業(yè)單位等校外實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所接受專業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)。CDIO工程教育模式借鑒德國“雙元制”經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，更加注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合能力的培養(yǎng)，所提出的CDIO工程教育理念包括構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)行（Operate）4個(gè)步驟[1]。

CDIO并不僅僅停留在概念上，它提出了切實(shí)可行的培養(yǎng)大綱和12條檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。培養(yǎng)大綱包括專業(yè)知識(shí)、職業(yè)道德、團(tuán)隊(duì)協(xié)同和CDIO實(shí)現(xiàn)4個(gè)方面，通過3級(jí)、70條、400多款以精細(xì)和具體的方式將CDIO的理念和要求完整地描述出來。12條標(biāo)準(zhǔn)為教師如何執(zhí)行、如何檢驗(yàn)和如何評(píng)估教學(xué)過程提供了具體的指導(dǎo)。因此，CDIO對(duì)工程類專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。

電工技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程，與生產(chǎn)過程緊密聯(lián)系，具有極強(qiáng)的工程應(yīng)用性。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中存在如下問題：一是教學(xué)內(nèi)容多。電工技術(shù)所包含的內(nèi)容比較廣泛，涵蓋了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和電路等課程并站在工程的角度將幾門課程融合在一起。二是講授內(nèi)容較為抽象，電工技術(shù)課程講授中，涉及較多的定理，這些定理理論性強(qiáng)，不易理解，給學(xué)生的學(xué)習(xí)造成了困難。

本文從CDIO的標(biāo)準(zhǔn)6——工程實(shí)踐場(chǎng)所：“實(shí)踐場(chǎng)所和其他學(xué)習(xí)環(huán)境怎樣支持學(xué)生動(dòng)手和直接經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)？”為切入點(diǎn)，在電工技術(shù)課程的講授過程中，支持學(xué)生的動(dòng)手能力，通過專業(yè)的Simulink仿真軟件，驗(yàn)證所學(xué)到的知識(shí)，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中所得到的實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)與教師講解內(nèi)容相結(jié)合，是一種對(duì)CDIO教學(xué)理念標(biāo)準(zhǔn)6的一次有益嘗試。

本文所采用的仿真軟件為MathWorks公司開發(fā)的MATLAB仿真軟件。基于MATLAB仿真軟件的常用的編程方法有兩種：基于M文件的方法和基于SIMULINK的方法?；贛文件的方法需要學(xué)生具有較強(qiáng)的編程能力，仿真通過代碼的形式實(shí)現(xiàn)，較為抽象?；赟IMULINK的仿真方法，可以直接利用軟件提供的可視化模塊，通過連線搭建模型，直觀而具體，易于學(xué)習(xí)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文采用基于SIMULINK的方法，讓學(xué)生通過自己的仿真操作得到實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，從而有效地開展教學(xué)工作。

1 具體實(shí)現(xiàn)過程

電工技術(shù)課程中有著較多的教學(xué)環(huán)節(jié)，本文選取電路疊加原理為例，說明具體的教學(xué)方法。

1.1 疊加原理的理論介紹

疊加定理描述為：“在線性電路中，任一支路電流（或電壓）都是電路中各個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)，在該支路產(chǎn)生的電流（或電壓）的代數(shù)和[3-4]?！?/p>

根據(jù)疊加原理的描述我們可以知道，在疊加原理的使用過程中我們必須遵守以下幾個(gè)原則。

?（1）疊加原理使用的范圍：疊加原理僅僅適用于線性電路的求解，所求解的問題局限于電壓和電流這兩個(gè)物理量;疊加原理不適用于非線性電路中，例如功率的求解就不能應(yīng)用疊加原理，因?yàn)楦鶕?jù)功率的計(jì)算公式可知，功率是電源的二次函數(shù)，不滿足線性的要求。我們?cè)谇蠼鈫栴}之前一定要注意原理的適用范圍，不然所得的結(jié)果容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

?（2）應(yīng)用時(shí)，電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)及參考方向必須前后一致。對(duì)于原理中“獨(dú)立電源單獨(dú)作用”我們可以這樣理解：一個(gè)電源作用，其余電源不作用。具體來說就是：對(duì)于獨(dú)立電壓源，將其短路，對(duì)于獨(dú)立電流源，將其斷路。

?（3）對(duì)于含受控源的線性電路亦可使用疊加原理。

?（4）線性元件：在電子電路中，線性元件是一種電子元件，與電流和電壓有線性的關(guān)系。例如：電阻元件其電流跟電壓成正比，伏安特性曲線是通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，因此我們可以說電阻是線性元件。

（5）非線性元件：輸入量和輸出量沒有線性關(guān)系的電學(xué)元件。典型的非線性元件是二極管、三極管。

根據(jù)以上的描述，我們了解了電路疊加的原理、使用的前提條件和范圍。

1.2 基于SIMULINK仿真軟件的可視化驗(yàn)證

上文介紹了電路疊加原理，下面我們將通過SIMULINK建立模型驗(yàn)證電路疊加原理（如圖1所示）。隨后我們將對(duì)該模型應(yīng)用疊加原理進(jìn)行相應(yīng)的分析與說明。

圖1為為了驗(yàn)證電路疊加原理而建立的SIMULINK仿真模型。在圖1中，我們?cè)O(shè)置了2個(gè)直流電壓源，分別命名為DC Voltage Source 1和DC Voltage Source 1，其電壓分別設(shè)置為10 V和8 V。R1、R2和R3均表示電阻，其電阻值分別設(shè)為2 Ω，12 Ω和4 Ω。在圖1中，我們將加在電阻R2兩側(cè)的電壓值和流過電阻R2的電流值作為研究對(duì)象，因此在圖1中添加電流測(cè)量模塊和電壓測(cè)量模塊，并利用顯示塊，直觀地將其電壓值和電流值顯現(xiàn)出來。根據(jù)圖1可以看出，加在電阻R2兩側(cè)的電壓值為8.4 V，流過電阻R2的電流值為0.7 A。

為了驗(yàn)證電路疊加定理，我們先設(shè)置電壓源1正常工作，電壓源2短路（如圖2所示）。運(yùn)行該仿真模型可以得到以下數(shù)據(jù)，加在電阻R2兩側(cè)的電壓值為6 V，流過電阻R2的電流值為0.5 A。然后我們?cè)O(shè)置電壓源1短路，電壓源2正常工作（如圖3所示）。運(yùn)行該仿真模型可以得到以下數(shù)據(jù)，加在電阻R2兩側(cè)的電壓值為2.4 V，流過電阻R2的電流值為0.2 A。

綜合圖1、圖2和圖3中得到的信息，我們可以得到如下等式：

6+2.4=8.4（1）

0.5+0.2=0.7（2）

公式（1）表示，在線性電路中，任一支路電壓都是電路中各個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)，在該支路產(chǎn)生的電流（或電壓）的代數(shù)和，即電壓源1獨(dú)立工作時(shí)和電壓源2獨(dú)立工作時(shí)加在電阻R2兩側(cè)的電壓值6 V和2.4 V線性代數(shù)和為8.4 V，與該電阻實(shí)際兩側(cè)電壓值8.4 V相一致。

公式（2）表示，在線性電路中，任一支路電流都是電路中各個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)，在該支路產(chǎn)生的電流（或電壓）的代數(shù)和，即電壓源1獨(dú)立工作時(shí)和電壓源2獨(dú)立工作時(shí)流過電阻R2的電流值0.5 A和0.2 A線性代數(shù)和為0.7 A，與該電阻實(shí)際流過電流0.7 A相一致。

至此，我們利用SIMULINK仿真元件驗(yàn)證了給定的仿真模型遵守疊加原理，該驗(yàn)證過程利用圖形化的SIMULINK仿真軟件，其含義清晰，過程明了，學(xué)生可以得到最直觀的經(jīng)驗(yàn)。

2 總結(jié)

本文以CDIO的教育理念為指導(dǎo)，從CDIO的標(biāo)準(zhǔn)6——工程實(shí)踐場(chǎng)所的角度開展教學(xué)過程的討論，展示了基于SIMULINK仿真軟件的教學(xué)方法在理論教學(xué)中的應(yīng)用。SIMULINK仿真軟件的直觀性容易為學(xué)生所接受，能為學(xué)生提供直接的經(jīng)驗(yàn)，配合教師在課程的講解，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳曉，唐艷秋.基于CDIO理念的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)教學(xué)改革實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊（下旬），2018（11）：53-54.

[2]劉代飛，付強(qiáng)，陳前軍.智慧能源背景下控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO模式教改實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊（下旬），2017

（3）：81-82.

[3]趙冬梅，周國軍，郭姣.“電路分析基礎(chǔ)”中疊加原理的教學(xué)思路分析[J].中國電力教育，2014（14）：90-91.

[4]方潔，楊國麗，歐陽艷蓉.針對(duì)疊加原理的教學(xué)研究[J].科技風(fēng)，2017（18）：43.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]