“新工科”背景下電力電子輔助教學(xué)平臺設(shè)計與實踐研究

王德光 陳心怡

摘要 針對“電力電子技術(shù)”課程實驗設(shè)備價格高昂和難以充分培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力的問題，文章基于MATLAB GUI/Simulink開發(fā)環(huán)境，設(shè)計了一個面向新工科的電力電子輔助教學(xué)平臺，可用于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索，解決學(xué)生動手能力弱的問題。將該新型教學(xué)模式在本科生中進(jìn)行實踐研究，結(jié)果表明該授課方式能明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手實踐能力。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù)；可視化教學(xué)；虛擬仿真平臺；人機(jī)交互界面

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.021

“電力電子技術(shù)”是電氣工程、自動化和測控等專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)主干課程。該課程教學(xué)的主要目的是使學(xué)生在掌握電力電子器件知識的基礎(chǔ)上，研究如何實現(xiàn)不同形式電能的高效轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定調(diào)節(jié)和控制[1]。該課程具有較強(qiáng)的理論性、實踐性和綜合性，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式授課無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力[2]。

新工科是以“工程實踐能力”為核心的一種工科教育模式，其要求學(xué)生在完成驗證性實驗的基礎(chǔ)上，能夠運(yùn)用綜合知識，將電力電子基礎(chǔ)理論知識與電力電子工程技術(shù)相結(jié)合，將電氣系統(tǒng)與電子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)相結(jié)合，加強(qiáng)電力電子和電力傳動與自動控制系統(tǒng)的進(jìn)一步結(jié)合[3]。在電力電子技術(shù)課堂上，為貫徹“新工科”教育理念，教師應(yīng)綜合培養(yǎng)學(xué)生實驗、分析、測試以及設(shè)計電力電子變換器控制系統(tǒng)的綜合實踐能力。由于受到實踐課程學(xué)時限制和實驗設(shè)備的局限性，難以充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力，進(jìn)而出現(xiàn)理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象[4]。因此，迫切需要設(shè)計一個直觀、高效的電力電子輔助教學(xué)平臺，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探索，改善教學(xué)效果和培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力[5]。

電力電子電路的計算機(jī)仿真方法是構(gòu)建電力電子輔助教學(xué)仿真平臺的基礎(chǔ)[6]。本文基于MATLAB /Simulink和圖形用戶界面（Graphical User Interface， GUI）設(shè)計了一個電力電子教學(xué)輔助仿真平臺。該平臺包括主界面、人機(jī)交互界面和仿真界面，涵蓋了交流電與直流電相互轉(zhuǎn)換的四種變流電力電子電路，為學(xué)生提供一個可以快速完成電路搭建的軟件平臺。同時，該平臺提供了開放的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計功能與參數(shù)調(diào)節(jié)功能，結(jié)合數(shù)據(jù)分析模塊，有助于學(xué)生理解和掌握綜合電力電子基礎(chǔ)理論與電力電子工程技術(shù)。

1電力電子教學(xué)輔助平臺總體設(shè)計

基于MATLAB/GUI和Simulink的開發(fā)環(huán)境，本文設(shè)計的電力電子教學(xué)輔助平臺采用自上而下的人機(jī)交互界面設(shè)計和回調(diào)函數(shù)驅(qū)動實現(xiàn)仿真，以此達(dá)到程序代碼與事件交互的目的。利用Simulink搭建主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置其相應(yīng)的參數(shù)值；通過GUIDE設(shè)計用戶界面GUI達(dá)到預(yù)期的功能需求，按照事件驅(qū)動原則編寫控件的回調(diào)函數(shù)，最后通過m函數(shù)文件實現(xiàn)Simulink與GUI之間的參數(shù)傳遞和繪圖顯示。該平臺GUI設(shè)計流程如圖1所示。

輔助教學(xué)平臺的四個主要模塊包括示例電路模塊、控制信號自主設(shè)計模塊、主電路自主設(shè)計模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。為適應(yīng)電力電子技術(shù)課程的教學(xué)理論目標(biāo)與實驗要求，在示例電路模塊中提供了完整的整流、斬波、逆變和調(diào)壓電路，以此夯實學(xué)生的電路基礎(chǔ)知識?？刂菩盘栕灾髟O(shè)計模塊、主電路自主設(shè)計模塊和數(shù)據(jù)分析模塊能夠輔助學(xué)生進(jìn)行綜合實驗設(shè)計，以此達(dá)到學(xué)生能夠運(yùn)用綜合知識，將電力電子基礎(chǔ)理論與電力電子工程技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。電力電子輔助教學(xué)平臺設(shè)計總體框架如圖2所示。

2電力電子教學(xué)輔助平臺實現(xiàn)與實踐

本文以三相半波可控整流電路為例，闡述基于MATLAB GUI/Simulink的電力電子輔助教學(xué)平臺的人機(jī)交互界面展示和示例電路仿真界面（見圖3）。

2.1教學(xué)輔助平臺人機(jī)交互界面

電力電子教學(xué)輔助設(shè)計平臺人機(jī)交互界面如圖3所示。在“電力電子技術(shù)”授課過程中，教師調(diào)用示例電路模塊提供的典型電能轉(zhuǎn)化電路，向?qū)W生展示典型電路對應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的講解與介紹。同時，該平臺為使用者開放了參數(shù)設(shè)置功能，可通過調(diào)節(jié)電源、負(fù)載和控制參數(shù)改變電路的輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。

此外，教師可通過提高課程設(shè)計的占分比，改變陳舊的考核方式，提升學(xué)生的綜合實踐能力和自主創(chuàng)新能力。學(xué)生可調(diào)用主電路自主設(shè)計模塊，選擇合適的元器件，并按照相應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行電路連接，同時設(shè)定期望測量的輸出變量，完成上述步驟之后，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，調(diào)用數(shù)據(jù)分析模塊，進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的分析和相關(guān)變量波形圖的輸出。

2.2教學(xué)輔助平臺仿真界面

三相半波可控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，適用于一些對輸出電壓脈動和精度要求不高的場合，比如電動機(jī)的直流電源[7]。本文以示例電路模塊中三相半波可控整流電路仿真界面為例，介紹電力電子輔助教學(xué)仿真平臺界面的功能模塊和操作步驟。學(xué)生可調(diào)用圖3所示的人機(jī)交互界面，點(diǎn)擊示例電路模塊中三相半波可控整流電路，進(jìn)入帶有仿真功能的程序平臺，其電路的相關(guān)參數(shù)均為默認(rèn)最優(yōu)值，仿真結(jié)果如圖4所示。此外，仿真程序為使用者提供了參數(shù)設(shè)置功能，學(xué)生能夠通過改變電源、負(fù)載和控制參數(shù)等，觀察相關(guān)變量波形圖的變化，完成仿真后，調(diào)用數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)分析。

3電力電子技術(shù)課程改革與實踐

為提升“電力電子技術(shù)”課程教育教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力，滿足以“工程實踐能力”為核心的新工科教育模式，迫切需要對電力電子技術(shù)課程的教學(xué)模式和考核方式進(jìn)行改革[8]。通過課程改革，使學(xué)生具備如下能力：①掌握電力電子器件的基礎(chǔ)知識和交流電與直流電相互轉(zhuǎn)換的四種變流電力電子電路，熟悉操作電力電子教學(xué)輔助設(shè)計平臺，獨(dú)立完成驗證性實驗以及自主設(shè)計實驗；②突破實踐課程學(xué)時和實驗設(shè)備的局限性，以掌握基礎(chǔ)知識為前提，提升綜合實踐能力，將電力電子基礎(chǔ)理論知識與電力電子工程問題相結(jié)合，提升學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)、思考、分析和解決工程問題的能力。

3.1教學(xué)模式改革

將單一的傳統(tǒng)講授教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)與啟發(fā)式、實驗與討論式等面向新工科背景下的新型教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與提高學(xué)生的綜合實踐能力。

3.1.1引導(dǎo)與啟發(fā)式教學(xué)

通過引經(jīng)據(jù)典、舉例說明等方式開展緒論課程，強(qiáng)調(diào)本課程的現(xiàn)實意義與價值。引導(dǎo)學(xué)生舉出身邊采用電力電子技術(shù)的例子，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)思維。通過實例，讓學(xué)生認(rèn)識到電力電子技術(shù)課程在專業(yè)課程中的重要性。

3.1.2實驗與討論式教學(xué)

本課程的教學(xué)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生實驗、分析、測試以及設(shè)計電力電子變換器控制系統(tǒng)的綜合實踐能力。借助電力電子教學(xué)輔助設(shè)計平臺和實物實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，適當(dāng)增加實驗環(huán)節(jié)的占分比，提升學(xué)生在實驗課程中的參與感，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)以致用，讓課堂上學(xué)到的理論知識“活起來”。此外，為檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，教師可使用“翻轉(zhuǎn)課堂”的授課模式，讓學(xué)生作為課堂的主人翁，通過PPT匯報等形式，展示其知識掌握程度，提升學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的可控性、可觀性、靈活性。

3.2考核方式改革與實踐

大部分高校采用試卷考試的考核方式來檢測學(xué)生掌握知識的程度，該考核方式只能檢測學(xué)生的應(yīng)試能力，無法客觀地反映學(xué)生動手實踐能力，與以“工程實踐能力”為核心的新工科教育模式不符。為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高其動手實踐能力，引入驗證性和自主設(shè)計電路仿真實驗、PPT成果匯報、課程設(shè)計報告的考核方式與試卷考試考核方式相結(jié)合。將原先平時成績（占比20%）和試卷考試成績（占比80%）改變?yōu)槠綍r成績（占比10%）、驗證性和自主設(shè)計電路仿真實驗（占比20%）、PPT成果匯報（占比20%）、課程設(shè)計報告（占比20%）和試卷考查（30%）的綜合考查模式。

電力電子技術(shù)課程改革后的考核方式不僅注重學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識的掌握，還注重調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力，符合新工科的教育理念，使學(xué)生成為滿足社會發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)需求的專業(yè)技術(shù)人才。電力電子課程教學(xué)改革已在貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院自動化專業(yè)2020級本科生中試用，結(jié)果顯示該年級學(xué)生的專業(yè)理論知識更加扎實，動手實踐能力明顯增強(qiáng)。

4結(jié)語

為適應(yīng)“新工科”背景下的教學(xué)理念，本文基于MATLABGUI/Simulink開發(fā)環(huán)境，設(shè)計了一個電力電子教學(xué)輔助平臺，涵蓋了電力電子課程教學(xué)大綱要求的教學(xué)重難點(diǎn)，同時，學(xué)生能夠使用該平臺提供的電力電子器件，自主搭建并完成電能轉(zhuǎn)化電路的仿真實驗。此外，本文針對電力電子技術(shù)課程教學(xué)成果不佳等問題，提出“新工科”背景下的教學(xué)改革方式，并將其運(yùn)用到本科生授課環(huán)節(jié)中。結(jié)果表明新型授課方式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及綜合實踐能力。

基金項目：貴州省省級科技計劃資助項目（黔科合基礎(chǔ)-ZK[2022]一般103）；貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2022]138號）；貴州大學(xué)科研基金資助項目（貴大特崗合字[2021]04號）；貴州省教育廳創(chuàng)新群體（黔科合支撐[2021]012）。

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