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摘要:“电力电子技术”是自动化专业重要的基础课,在探索教学创新过程中,提出了应用MATLAB仿真技术与课堂理论教学相结合的创新教学模式,克服了传统教学方法中理论与实践联系不紧密的缺点,使学生融入到模拟仿真实际环境中,极大地提高了教学效果,增强了对学生自主学习和创新学习能力的培养。
关键词:电力电子技术;MATLAB仿真;创新教学;教学模式
作者简介:李鹏飞(1958-),男,安徽太和人,重庆科技学院电子信息工程学院,副教授,主要研究方向:电力电子技术与电力拖动自动控制;叶文(1976-),男,新疆鄯善人,重庆科技学院电子信息工程学院,讲师,主要研究方向:电力电子技术应用。(重庆 400050)
基金项目:本文系重庆市教委教改项目“电力电子技术课程教学方法的创新与实践”(项目编号:09-3-042)的研究成果。
“电力电子技术”是电气类专业必修的专业基础课,是一门综合性的电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科,随着科学技术的发展,电力电子技术与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关,由于课程涉及知识面广、领域多,采用普通的教学方法很难达到良好的教学效果和知识传授,因此在“电力电子技术”教学创新过程中迫切需要引入一种新的教学方法,从教学内容到教学规划来有效提高教学效果,增强学生的创新能力和自主学习能力。本文将MATLAB仿真软件与教学理论有机地结合在一起,倡导一种电力电子技术教学创新与实践的教学模式,实现教学手段和方法的创新实践,有效地解决了“电力电子技术”课程波形抽象、变换复杂的知识难点,在有限课堂时间内获得最好的教学效果,使学生从消极学习转变为主动求知学习,提高了学生的学习热情,培养了学生的创新精神和工程实践能力。本文从教学创新角度对MATLAB仿真软件实现“电力电子技术”课程学习进行了探索。
一、MATLAB仿真软件与教学创新
1.MATLAB仿真软件
MATLAB(Matrix Laboratory)是美国Mathworks公司推出的一种集数值运算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的图形化语言。在工程技术界,系统仿真是通过对系统模型实验,去研究一个存在或设计中的系统,是建立在系统科学、系统辨识、控制理论、计算机技术和计算方法等学科上的一种综合性很强的实验科学技术。用计算机仿真方法研究电路的性能,方便、直观、经济、有效,是进行电路分析和设计的很好方法。随着“电力电子技术”课程教学难度增加,运用计算机仿真技术对电力电子技术四大变换的工作原理进行仿真,有助于学生学习和教师知识传授。“电力电子技术”是多学科知识,是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性,给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难,一般需要采用波形的分析方法来研究。仿真技术是电力电子电路分析的一种新方法。
我们在“电力电子技术”课程的教学中引入了MATLAB仿真,这对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。通过课堂仿真实验的方法,学生可以直观、形象地掌握电力电子工作特性,验证自己所学概念的正确性,培养学生自主创新能力和调动学生的积极性。由于仿真实验不受时间、空间和物质条件的限制,学生可以在课外自行上机,促进课堂教学知识巩固,有助于学生自学能力的培养。MATLAB从1984年开始推出,到2001年已经有了6.0版,现在MATLAB6.5、7.0、9.0版都已相继面世。而SIMULINK是专为控制系统仿真而建立的工具箱,使用时易编程、易拓展,并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题,能支持连续系统、离散系统、连续离散混合系统的仿真;也支持线性和非线性系统的仿真,对不同的系统能以不同的采样频率组合,可仿真较大、较复杂的系统。目前SIMULINK模块库有三级树状的子目录,在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容,之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录,逐级打开模块库浏览器(SIMULINK Library Browser)的目录,就可以看到这些模块。
在电力电子教学过程中选用此软件作为电力电子电路构建及仿真可以为教学现场营造一种真实的电力电子电路工作场景。结合计算机网络技术可以将教室变为一个功能强大的多功能虚拟实验室。教师在教学时,利用这样一个虚拟实验平台搭建电力电子原理电路,讲解、分析仿真电路,将电力电子器件的工作状态清晰地展现在学生面前,既具体又生动,这样的教学效果是可想而知的。除此以外,还可以利用软件提供的参数设置功能,通过改变器件参数值,经仿真直观地观察到工作电路相关性能变化。当被仿真电力电子器件出现各种故障,如开路、短路或脉冲丢失,可以方便地在教学中模拟各种故障,这大大加深了学生对所学知识的理解,对培养学生的探索精神和创新能力有很大的帮助,为探研教学创新模式提供了完备的教学环境保障。
2.探究创新教学模式及教学环节
探究教学创新模式是建立在建构主义学习理论基础之上,以学生为中心,以自主学习能力和创新能力培养为目标的教学模式。因为学生是认知的主体,是知识意义的主动建构者,教师对教学意义的生成起帮助者和促进者作用,并不要求教师直接向学生传授和灌输知识。教学中利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和创新精神,最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。所以教学创新应具有以下两个特点:
(1)有利于充分发挥学生的主体作用。探究教学创新模式与传统教学模式最大的不同,在于学生不再是只听教师讲、看教师做,而是在允许的范围内,由自己来确定时间的分配,进行方案设计和实验操作,对实验结果加以分析并得出结论。这种学习氛围能使学生真正感受到自己是学习的主人,是课堂教学活动的主体,由此激发其主动参与的热情、变“要我学”为“我要学”。
(2)有利于培养学生的学习兴趣。因为在实验背景或与课程内容相适应的情境下学习,这必然能引发学生浓厚的认知兴趣和强烈的求知欲望。只有学生通过亲自探究实验现象的原因和规律时所形成的兴趣,才具有一定的稳定性和持久性。实践证明,实施探究实验现象学习教学模式既可对所学内容形成持久的兴趣,同时又可激发学生的求知欲,充分挖掘学生的潜力,培养学生的创造思维能力。传统的教学模式往往是教师决定教学内容和教学进度,学生只能死记硬背。根据建构主义理论,教学创新模式的特点是:创设情境、诱发问题、协作探研。
二、MATLAB仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用
基于探究教学创新模式的特点及实施要点可以看出,在教学创新模式中教师应该用创新的方式展现科学知识,学生应该用科学的方式学习知识内容。为实现这一目标,教师首先应当用创新手段的方式,引导学生体验真实情境的过程,而不是在课堂里照本宣科地讲解知识、技能。在向学生介绍理论概念和原理之前应该先让他们到实验室里做实验或营造出与课程内容相适应的情境,用实验的证据来解释或用情境感悟、深化教材中的内容。“电力电子技术”课程涉及面广、涵盖内容丰富,用真实的仪器仪表及设备构建教学情境不现实。而利用MATLAB仿真技术能非常容易地构建虚拟的与实际相符合的教学场景。下面以“电力电子技术”中三相可控整流电路的学习为案例,说明利用MATLAB技术实现“电力电子技术”课程教学创新的讲授模式。
1.情境的构建,诱发质疑
三相半波可控整流电路是工业交流变直流的经典可控整流技术,学生的实际感官并不多见,学生初次接触有些困难。在电力电子技术中,采用可控硅构成三相整流电路,通过相位触发角进行触发控制时,电路电压波形切换复杂,需要情境构建。教师首先要分析组成三相可控整流电路的工作原理,如图l所示,投影到大屏幕上。然后进行MATLAB三相桥式全控整流电路仿真模型,其步骤为:
(1)建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File,选择New,再在弹出菜单中选择Model,这时出现一个空白的仿真平台,在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。
(2)提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击
图标调出模型库浏览器,在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。
(3)将电路元器件模块按三相桥式全控整流电路原理图连接起来组成仿真电路。如图2所示。
(4)在参数设置完毕后开始仿真。在菜单Simulation下选择Start开始仿真。
在仿真计算完成后通过示波器来观察仿真的结果。
(1)电阻性负载时的仿真波形。如图3、图4所示为三相桥式全控整流电路电阻负载波形。
(2)电阻电感负载时的仿真。研究电感性负载时电路工作情况,只需重新设置负载参数。再次启动仿真,得到如图5、图6所示波形。
通过这样一个实验在学生脑海里深深留下了电路的各点波形形状,控制角与输出电压波形的对应关系,电压波形为什么会变化?是怎样实现这一变化的?教师通过帮助引导学生自然地进入三相可控整流电路的知识学习。
2.教学创新,归纳总结
教学创新模式为学生创造了一个宽松的学习环境。由于在教学过程中采用了MATLAB软件和多媒体教学方法,使分组学习协作探究得以实现。学生在教师的引导下,利用情境实验产生的质疑和兴趣,教师和学生协同探究三相可控整流电路工作原理,相位控制角移相触发问题。利用MATLAB三相桥式全控整流电路仿真模型分析了三相可控整流电路工作特性,使学生对复杂的三相可控整流电路的工作原理有了更深层的理解和印象。通过观察电压输出和触发信号波形的变化,对波形变化现象进行探索讨论,找出控制变化的基本规律,形成了三相可控整流电路的感性知识,学生根据这些感性知识,经过收集、整理有关三相可控整流电路工作原理、电压输出特性曲线等资料,经过分析、总结上升为三相可控整流电路的理性知识。
三、结语
在“电力电子技术”教学创新过程中,以MATLAB仿真技术为工具,探究教学创新模式为手段,将学习活动情境
化、趣味化,使学生在轻松愉快的环境中不断产生质疑、不断探究,自主搜寻、思考分析,获得问题的答案。这给“电力电子技术”课程教学和学习带来了革命性的变化,无论从教师的教,还是学生的学,都是一个最能体现以人为本、能力为本位的新型的教学技术,它必将更好地激发学生的创新意识和探索精神。
参考文献:
[1]国家教委.关于加强普通高等学校教学工作的意见[Z].[2]罗午福.关于工程师的素质培养[J].高等工程教育研究,2000,(2).
[3]孙肖子,等.建立一个以培养创新精神和创新能力为核心的实验教学体系[J].电气电子教学学报,2000,22(1).
[4]王淑娟,张辉.将素质教育融入电子技术课程教学的探索与实践[J].华北航天工业学院学报,2004,(8).
[5]范爱平,等.加大改革力度创建名牌课程[J].电气电子教学学报,2003,25(5).
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:电力电子技术;MATLAB仿真;创新教学;教学模式
作者简介:李鹏飞(1958-),男,安徽太和人,重庆科技学院电子信息工程学院,副教授,主要研究方向:电力电子技术与电力拖动自动控制;叶文(1976-),男,新疆鄯善人,重庆科技学院电子信息工程学院,讲师,主要研究方向:电力电子技术应用。(重庆 400050)
基金项目:本文系重庆市教委教改项目“电力电子技术课程教学方法的创新与实践”(项目编号:09-3-042)的研究成果。
“电力电子技术”是电气类专业必修的专业基础课,是一门综合性的电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科,随着科学技术的发展,电力电子技术与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关,由于课程涉及知识面广、领域多,采用普通的教学方法很难达到良好的教学效果和知识传授,因此在“电力电子技术”教学创新过程中迫切需要引入一种新的教学方法,从教学内容到教学规划来有效提高教学效果,增强学生的创新能力和自主学习能力。本文将MATLAB仿真软件与教学理论有机地结合在一起,倡导一种电力电子技术教学创新与实践的教学模式,实现教学手段和方法的创新实践,有效地解决了“电力电子技术”课程波形抽象、变换复杂的知识难点,在有限课堂时间内获得最好的教学效果,使学生从消极学习转变为主动求知学习,提高了学生的学习热情,培养了学生的创新精神和工程实践能力。本文从教学创新角度对MATLAB仿真软件实现“电力电子技术”课程学习进行了探索。
一、MATLAB仿真软件与教学创新
1.MATLAB仿真软件
MATLAB(Matrix Laboratory)是美国Mathworks公司推出的一种集数值运算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的图形化语言。在工程技术界,系统仿真是通过对系统模型实验,去研究一个存在或设计中的系统,是建立在系统科学、系统辨识、控制理论、计算机技术和计算方法等学科上的一种综合性很强的实验科学技术。用计算机仿真方法研究电路的性能,方便、直观、经济、有效,是进行电路分析和设计的很好方法。随着“电力电子技术”课程教学难度增加,运用计算机仿真技术对电力电子技术四大变换的工作原理进行仿真,有助于学生学习和教师知识传授。“电力电子技术”是多学科知识,是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性,给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难,一般需要采用波形的分析方法来研究。仿真技术是电力电子电路分析的一种新方法。
我们在“电力电子技术”课程的教学中引入了MATLAB仿真,这对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。通过课堂仿真实验的方法,学生可以直观、形象地掌握电力电子工作特性,验证自己所学概念的正确性,培养学生自主创新能力和调动学生的积极性。由于仿真实验不受时间、空间和物质条件的限制,学生可以在课外自行上机,促进课堂教学知识巩固,有助于学生自学能力的培养。MATLAB从1984年开始推出,到2001年已经有了6.0版,现在MATLAB6.5、7.0、9.0版都已相继面世。而SIMULINK是专为控制系统仿真而建立的工具箱,使用时易编程、易拓展,并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题,能支持连续系统、离散系统、连续离散混合系统的仿真;也支持线性和非线性系统的仿真,对不同的系统能以不同的采样频率组合,可仿真较大、较复杂的系统。目前SIMULINK模块库有三级树状的子目录,在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容,之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录,逐级打开模块库浏览器(SIMULINK Library Browser)的目录,就可以看到这些模块。
在电力电子教学过程中选用此软件作为电力电子电路构建及仿真可以为教学现场营造一种真实的电力电子电路工作场景。结合计算机网络技术可以将教室变为一个功能强大的多功能虚拟实验室。教师在教学时,利用这样一个虚拟实验平台搭建电力电子原理电路,讲解、分析仿真电路,将电力电子器件的工作状态清晰地展现在学生面前,既具体又生动,这样的教学效果是可想而知的。除此以外,还可以利用软件提供的参数设置功能,通过改变器件参数值,经仿真直观地观察到工作电路相关性能变化。当被仿真电力电子器件出现各种故障,如开路、短路或脉冲丢失,可以方便地在教学中模拟各种故障,这大大加深了学生对所学知识的理解,对培养学生的探索精神和创新能力有很大的帮助,为探研教学创新模式提供了完备的教学环境保障。
2.探究创新教学模式及教学环节
探究教学创新模式是建立在建构主义学习理论基础之上,以学生为中心,以自主学习能力和创新能力培养为目标的教学模式。因为学生是认知的主体,是知识意义的主动建构者,教师对教学意义的生成起帮助者和促进者作用,并不要求教师直接向学生传授和灌输知识。教学中利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和创新精神,最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。所以教学创新应具有以下两个特点:
(1)有利于充分发挥学生的主体作用。探究教学创新模式与传统教学模式最大的不同,在于学生不再是只听教师讲、看教师做,而是在允许的范围内,由自己来确定时间的分配,进行方案设计和实验操作,对实验结果加以分析并得出结论。这种学习氛围能使学生真正感受到自己是学习的主人,是课堂教学活动的主体,由此激发其主动参与的热情、变“要我学”为“我要学”。
(2)有利于培养学生的学习兴趣。因为在实验背景或与课程内容相适应的情境下学习,这必然能引发学生浓厚的认知兴趣和强烈的求知欲望。只有学生通过亲自探究实验现象的原因和规律时所形成的兴趣,才具有一定的稳定性和持久性。实践证明,实施探究实验现象学习教学模式既可对所学内容形成持久的兴趣,同时又可激发学生的求知欲,充分挖掘学生的潜力,培养学生的创造思维能力。传统的教学模式往往是教师决定教学内容和教学进度,学生只能死记硬背。根据建构主义理论,教学创新模式的特点是:创设情境、诱发问题、协作探研。
二、MATLAB仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用
基于探究教学创新模式的特点及实施要点可以看出,在教学创新模式中教师应该用创新的方式展现科学知识,学生应该用科学的方式学习知识内容。为实现这一目标,教师首先应当用创新手段的方式,引导学生体验真实情境的过程,而不是在课堂里照本宣科地讲解知识、技能。在向学生介绍理论概念和原理之前应该先让他们到实验室里做实验或营造出与课程内容相适应的情境,用实验的证据来解释或用情境感悟、深化教材中的内容。“电力电子技术”课程涉及面广、涵盖内容丰富,用真实的仪器仪表及设备构建教学情境不现实。而利用MATLAB仿真技术能非常容易地构建虚拟的与实际相符合的教学场景。下面以“电力电子技术”中三相可控整流电路的学习为案例,说明利用MATLAB技术实现“电力电子技术”课程教学创新的讲授模式。
1.情境的构建,诱发质疑
三相半波可控整流电路是工业交流变直流的经典可控整流技术,学生的实际感官并不多见,学生初次接触有些困难。在电力电子技术中,采用可控硅构成三相整流电路,通过相位触发角进行触发控制时,电路电压波形切换复杂,需要情境构建。教师首先要分析组成三相可控整流电路的工作原理,如图l所示,投影到大屏幕上。然后进行MATLAB三相桥式全控整流电路仿真模型,其步骤为:
(1)建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File,选择New,再在弹出菜单中选择Model,这时出现一个空白的仿真平台,在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。
(2)提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击
图标调出模型库浏览器,在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。
(3)将电路元器件模块按三相桥式全控整流电路原理图连接起来组成仿真电路。如图2所示。
(4)在参数设置完毕后开始仿真。在菜单Simulation下选择Start开始仿真。
在仿真计算完成后通过示波器来观察仿真的结果。
(1)电阻性负载时的仿真波形。如图3、图4所示为三相桥式全控整流电路电阻负载波形。
(2)电阻电感负载时的仿真。研究电感性负载时电路工作情况,只需重新设置负载参数。再次启动仿真,得到如图5、图6所示波形。
通过这样一个实验在学生脑海里深深留下了电路的各点波形形状,控制角与输出电压波形的对应关系,电压波形为什么会变化?是怎样实现这一变化的?教师通过帮助引导学生自然地进入三相可控整流电路的知识学习。
2.教学创新,归纳总结
教学创新模式为学生创造了一个宽松的学习环境。由于在教学过程中采用了MATLAB软件和多媒体教学方法,使分组学习协作探究得以实现。学生在教师的引导下,利用情境实验产生的质疑和兴趣,教师和学生协同探究三相可控整流电路工作原理,相位控制角移相触发问题。利用MATLAB三相桥式全控整流电路仿真模型分析了三相可控整流电路工作特性,使学生对复杂的三相可控整流电路的工作原理有了更深层的理解和印象。通过观察电压输出和触发信号波形的变化,对波形变化现象进行探索讨论,找出控制变化的基本规律,形成了三相可控整流电路的感性知识,学生根据这些感性知识,经过收集、整理有关三相可控整流电路工作原理、电压输出特性曲线等资料,经过分析、总结上升为三相可控整流电路的理性知识。
三、结语
在“电力电子技术”教学创新过程中,以MATLAB仿真技术为工具,探究教学创新模式为手段,将学习活动情境
化、趣味化,使学生在轻松愉快的环境中不断产生质疑、不断探究,自主搜寻、思考分析,获得问题的答案。这给“电力电子技术”课程教学和学习带来了革命性的变化,无论从教师的教,还是学生的学,都是一个最能体现以人为本、能力为本位的新型的教学技术,它必将更好地激发学生的创新意识和探索精神。
参考文献:
[1]国家教委.关于加强普通高等学校教学工作的意见[Z].[2]罗午福.关于工程师的素质培养[J].高等工程教育研究,2000,(2).
[3]孙肖子,等.建立一个以培养创新精神和创新能力为核心的实验教学体系[J].电气电子教学学报,2000,22(1).
[4]王淑娟,张辉.将素质教育融入电子技术课程教学的探索与实践[J].华北航天工业学院学报,2004,(8).
[5]范爱平,等.加大改革力度创建名牌课程[J].电气电子教学学报,2003,25(5).
(责任编辑:麻剑飞)