探索电子技术网络及数字技术在“电力电子技术”教学中运用

摘要：电力电子电路具有结构多变、波形图较多、公式推导灵活、实践性较强等特点，采用传统教学方式对其进行教学的缺陷日益明显。引入动画技术，将电路的动态过程生动呈现，弥补了语言难以表达问题的缺陷；借助仿真技术，可以使学生便于观察电路参数和器件性能，通过仿真结果了解电路分析方法的正确与否，并提高学生的学习创造力；采用网络辅助教学，可以使学生自主学习，使得教学方式更灵活、方便，并且为创新教学方法、培养学生综合素质提供了可能。
关键词：电力电子技术；动画技术；仿真技术；网络技术
作者简介：杭阿芳（1980-），女，江苏南京人，金陵科技学院机电工程学院，讲师；
王欢（1980-），男，江苏南京人，金陵科技学院机电工程学院，讲师。
1007-0079（2013）14-0063-02
“电力电子技术”课程是金陵科技学院电气工程及其自动化专业的一门专业基础课。它是一门新兴技术，是由多个学科交叉而成，将电子技术和控制技术引入到传统的电力技术领域，利用电力开关器件组成的各种电力变换电路实现电能的变换和控制，从而构成的一门完整的学科。“电力电子技术”的教学内容包含电力变换电路的电路结构分析、波形分析、公式推导、参数计算、控制技术以及工程应用等内容。其特点是电路结构多变、波形图较多、公式推导灵活、实践性较强。随着电力电子新技术的不断发展，教学内容也不断扩充，教师如何在有限的学时内取得良好的教学效果，激发学生的学习兴趣，使学生较好地掌握该课程的基础内容和新知识、新技术，并培养学生的实践能力和创新精神，是教育工作者一直在探讨研究的问题。

一、传统教学方式的缺陷

在理论教学上，传统的教学方式是采用“一支粉笔+一张嘴+一本教科书”的方式进行。重点的知识点在黑板上表现出来，教师再进行逐条的解释。对讲授中涉及到的大量电路的波形分析，教师若对着教科书进行讲解，教学效果将不容乐观。即使引入了多媒体课件，若课件中的内容只是将书本上的内容原封不动地拷贝过来，然后教师对课件中的静态电路和波形图片进行讲解，也难达到好的教学效果。学生听得也昏昏欲睡、课堂沉闷、互动性差，无法激发学生的学习兴趣。
在实践教学上，由于实验条件的限制或实验课时较少等因素，通常实验室开出几个简单的实验让学生进行验证。学生只需按照指导书或教师的指导，在封闭的、看不到内部结构的实验台上进行连线、读取和记录数据、波形，并不理解其中的原理，只要电路接线正确、设备完好就能完成实验。若实验设备老化则会导致实验结果不正确，甚至有一定的危险性。

二、动画教学方式的引入

现代认知心理表明：一幅形象的画面、一组动听的声音、一段动态的场景，往往可以诱发认知内驱力，使人对自己的认知对象产生强烈的热情，同时这些情景可以成为思维活动的向导，从而牵动着人对认知对象的想象。在教学过程中，为了能更直接、更形象、更生动地将电路波形分析和公式推导呈现出来，便于学生理解和掌握，金陵科技学院机电工程学院“电力电子技术”课程组的教师将动画技术引入到多媒体课件中，将典型的电力电子电路做成动态图。动画教学可以形象地表达一些语言难以描述清楚的问题，对学生的学习有事半功倍的效果。
图1为三相半波可控整流电路工作论文大全www.618jyw.com
原理的动态图，点击相应的负载控制按钮可以让三相半波可控整流电路带不同的负载，点击相应的触发角控制按钮，则三相半波可控整流电路随时间的变化动画演示不同的触发角时负载的波形变化和电流的通路。通过这几年的课堂教学，发现动画技术可以使电路的工作原理分析和参数计算更直观，图形和数据说明更生动，调动了学生的学习积极性。

三、仿真技术的应用

在教学过程中，还应用了仿真技术，Multisim和Simulink都能方便地进行电力电子电路的仿真。近几年，已有不少教师对此进行了研究和运用。[3-6]教师在课堂上可以为学生演示软件的使用方法和具体的仿真过程，以此帮助学生掌握电力电子电路的基本原理，同时为电路分析方法的验证提供了一个简洁便利的途径，通过仿真结果使学生了解分析方法的正确性。下面以单相全桥电压型逆变电路为例来说明Simulink仿真软件在电力电子技术教学中的应用。
图2为单相全桥电压型逆变电路的Simulink仿真电路，它由两个电压型半桥逆变电路组合而成，共4个桥臂，每个桥臂由1个开关器件和1个二极管反并联而成。开关器件采用IGBT管。桥臂1、4为一对，桥臂2、3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°。改变开关切换的频率就能改变交流输出电压的频率。输出的交流电压为方波，改变输入直流侧电压的大小就能改变输出电压的幅值。输出的交流电压公式如下：
模型的搭建过程及参数设置如下：
（1）在Electrical Sources模块库中选择1个DC Voltage Source作为Ud，电压幅值设置为400V。
（2）在Power Electronies模块库中选择4个IGBT、4个Diode作为V1- V

4、D1- D4。

（3）在Elements模块库中选择1个Series RLC Branch作为RL负载，支路类型选择电阻和电感组合，分别设置电阻为1Ω、电感为4mH。
（4）在sources模块库中选择2个pulse generator作为P1和P2，P1用于控制V1和V4，P2用于控制V2和V3。pulse generator的幅值=10V，周期=0.02s，脉宽占整个周期=50%，P1的相位延迟=1/300s（即触发角=60度），P2的相位延迟=（1/100+1/300）s。
（5）在measurements模块库中选择2个voltage measurtment和1个current measurtment分别用来测量输入电压、输出电压和输出电流。（6）在sinks模块库中选择scope用于观察波形。
（7）设置仿真时长为0.08s，采用变步长算法ode23tb求解。
对搭建好的模型进行仿真，仿真结果如图3所示，三个波形自上而下分别为输入直流电压波形、输出交流电压波形、输出交流电流波形。从图3中可以看出，输出交流电压为方波，周期为0.02s，相电流波形其形状和相位与负载有关。由此可见，仿真结果与课本结论一致。
利用Simulink中的Powergui可以对各种波形进行傅立叶分析。双击Powergui中的FFT Analysis，Input选择input2，Signal number为1，Start time从0.0133s开始，Fundamental f源于：大学生毕业论文www.618jyw.com
requency为50Hz，Frequency axis为Hertz，则得到傅立叶分析图，如图4所示。其中，基波幅值为507V，公式（1）理论计算值为509V，输出电压值含奇次谐波，与理论分析基本一致。
另外，仿真技术突破了传统实验的硬件和环境的局限性，学生可以借助于仿真软件自己动手搭建电路，进行器件的接线和参数的设置。可以边连线、边测试、边分析、边修改，不需要担心实验的危险性，仿真结果出来后可以与理论计算结果进行对照，分析各元件参数对电路的作用和影响，以此提高学生的自学能力和创造能力。

四、网络教学资源的辅助作用

网络资源具备高度的共享性、强大的交互性和丰富的信息量。建立一个优秀的网络教学资源不仅能够让学生主动地获得生动的知识，还能让学生获得技能、实践和经验，能促进学生进行自主学习、合作学习和探究学习，拓展学生的视野。目前，网络教学模式以内容丰富、交互性强、形式生动等特点逐渐得到教育工作者和学习者的认可。
金陵科技学院机电工程学院“电力电子技术”课程组的教师基于HTML网页技术，加上JaScript、Flash 等各种动态技术，制作了“电力电子技术”网络课堂并建立了论坛，网络课堂中有理论大纲、实习大纲、授课安排、主讲教材、参考书目＼期刊＼网络资料、重点难点、实习指导书、动画教学课堂、典型例题解析（见图5）、电路仿真、教学课件下载、习题解答、考试大纲、试卷集下载及在线测试等可供学生进行学习。学生可以根据自己的学习需要和能力，决定学习进程、学习内容，并可以在线检测学习效果。同时，论坛可以使学生自由进行讨论，避免了面对面接触带来的学生对教师的恐惧心理。
五、结束语
由此可见，引入的动画技术，可以将电路的动态过程生动呈现，弥补了语言难以表达的缺陷，激发了学生的学习积极性，提高了教学质量；借助的仿真技术，可以使学生便于观察电路参数和器件性能，通过仿真结果了解电路分析方法的正确与否，并提高学生的学习创造力；采用的网络辅助教学，使得教学方式更灵活、方便，为创新教学方法，培养学生综合素质提供了可能。
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