非電類專業(yè)電工學(xué)課程的仿真輔助教學(xué)

唐圣學(xué)，陳 麗，劉素貞

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院，天津300130）

0 引言

“電工學(xué)”作為機(jī)械、能源等非電類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，隨著新知識(shí)、新技術(shù)、新器件的層出不窮而使得涉及內(nèi)容越來越多；同時(shí)在我國(guó)科技原始創(chuàng)新背景下，用人單位對(duì)高校畢業(yè)生電工電子技術(shù)的能力提出了更高的要求。因此有必要對(duì)“電工學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法、實(shí)踐手段等環(huán)節(jié)進(jìn)行探索，以適應(yīng)新形勢(shì)，培養(yǎng)具備良好的實(shí)踐技能和創(chuàng)新精神非電類專業(yè)的新型人才［1］。

在我校電工學(xué)精品課建設(shè)過程中，教研組教師以教學(xué)大綱為準(zhǔn)繩，積極開展、探索仿真技術(shù)在教學(xué)過程中的方法和技術(shù)，最大的發(fā)揮仿真技術(shù)培養(yǎng)新型人才的功能。

1 電工學(xué)運(yùn)用仿真技術(shù)的意義

仿真技術(shù)，即是人們根據(jù)仿真對(duì)象各要素性質(zhì)、相互關(guān)系和規(guī)律，通過抽象建立能夠描述該對(duì)象的結(jié)構(gòu)和行為且具有一定邏輯關(guān)系、數(shù)學(xué)關(guān)系的理論模型，然后由計(jì)算機(jī)演示模型對(duì)象，用以分析和探索其規(guī)律，達(dá)到認(rèn)識(shí)和理解對(duì)象的目的。仿真技術(shù)是認(rèn)識(shí)客觀對(duì)象的一種重要的技術(shù)手段，目前，國(guó)內(nèi)已有高校將《仿真技術(shù)基礎(chǔ)》作為仿真工程專業(yè)、自動(dòng)控制專業(yè)、機(jī)械工程與自動(dòng)化專業(yè)等本科專業(yè)而獨(dú)立開設(shè)的專業(yè)必修課［2，3］。由此可見，在電工學(xué)課程教學(xué)過程中引入仿真技術(shù)同樣具有非常重要的意義。

1.1 有助于增加感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)理論概念的理解

對(duì)于機(jī)械、能源、測(cè)控等非電類專業(yè)而言，電工學(xué)是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課；同時(shí)又是一門理論性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程內(nèi)容多，知識(shí)點(diǎn)分散，理解和掌握難度系數(shù)大。傳統(tǒng)的教學(xué)模式重理論輕實(shí)踐、重課堂輕課后、強(qiáng)調(diào)理性認(rèn)識(shí)忽略感性認(rèn)知，教學(xué)主要通過在黑板講解來實(shí)現(xiàn)，即使采用多媒體課件，也只是知識(shí)點(diǎn)的直接傳授，對(duì)學(xué)生的說教較多，缺少互動(dòng)的交流，使學(xué)生學(xué)習(xí)覺得沉悶、枯燥，造成學(xué)生學(xué)習(xí)情緒低落，從而影響教學(xué)質(zhì)量。仿真技術(shù)能模擬客觀對(duì)象和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，呈現(xiàn)一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)世界，從而增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生理解枯燥內(nèi)容。

1.2 有助于改善學(xué)時(shí)少與內(nèi)容多的矛盾

《電工學(xué)》作為非電類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，隨著新知識(shí)、新技術(shù)、新器件的層出不窮，涉及內(nèi)容越來越多，而該課程學(xué)時(shí)數(shù)卻沒有相應(yīng)的增長(zhǎng)，造成了學(xué)時(shí)少與內(nèi)容多的矛盾。

在電工學(xué)理論教學(xué)過程中，需要引入大量的圖表、曲線，用以輔助說明授課內(nèi)容對(duì)象的各要素性質(zhì)、相互關(guān)系和規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)完成這些工作，占用了教師大量的授課時(shí)間。采用仿真技術(shù)以后，可節(jié)省教師大量的板書時(shí)間，還增大了單位時(shí)間內(nèi)對(duì)學(xué)生信息量的傳授；另外，利用仿真技術(shù)能讓學(xué)生在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程中演示操作一遍，破除學(xué)生的恐懼感和理解誤操作產(chǎn)生的后果，從而養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，降低實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗。

1.3 有助于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新精神

仿真技術(shù)不僅是一種有效的教學(xué)手段，也是信息時(shí)代、計(jì)算機(jī)時(shí)代的工科學(xué)生應(yīng)該掌握的一種基本技能。計(jì)算機(jī)技術(shù)除了不能替人類思考問題外，幾乎可以從事人類別的任何事情。仿真技術(shù)作為工程實(shí)踐過程中分析問題、解決問題一種重要手段，是工程類學(xué)生必須掌握的基本技能和方法。因此，在教學(xué)過程中特意融入仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)起著很大的促進(jìn)作用。

2 仿真技術(shù)在教學(xué)中的實(shí)施

2.1 基本任務(wù)

仿真教學(xué)的基本任務(wù)就是為教學(xué)對(duì)象建立一個(gè)合理仿真模型，由計(jì)算機(jī)演示以達(dá)到幫助學(xué)生生動(dòng)、形象地感知、認(rèn)識(shí)和理解教學(xué)內(nèi)容的目的。按照教學(xué)大綱要求，融會(huì)各種教學(xué)方法，設(shè)計(jì)合理的模型是仿真教學(xué)的前提。仿真教學(xué)要實(shí)現(xiàn)從以傳授知識(shí)為主向以培養(yǎng)能力為主的轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)接受為主向主動(dòng)解惑為主，從以培養(yǎng)共性為主向以培養(yǎng)個(gè)性為主的素質(zhì)教育模式的轉(zhuǎn)變。

2.2 仿真教學(xué)的基本步驟

（1）根據(jù)所授知識(shí)點(diǎn)選擇好仿真平臺(tái)、建立合理的仿真模型。電工學(xué)的知識(shí)點(diǎn)多，涉及面廣，對(duì)不同的內(nèi)容可以選擇不同的合理平臺(tái)，但要注意以下三點(diǎn)：一，限于學(xué)生的計(jì)算機(jī)知識(shí)的不足，平臺(tái)的種類不宜過多。筆者認(rèn)為最好選擇學(xué)生熟悉的或工程中常用普及的軟件平臺(tái)，甚至可以選擇多媒體技術(shù)來仿真，例如：電機(jī)正反轉(zhuǎn)的繼電控制系統(tǒng)仿真，可以采用Flash 8.0編程來演示按鈕、繼電器的各個(gè)開關(guān)的動(dòng)作順序和系統(tǒng)的工作原理，這樣形象生動(dòng)、達(dá)到事半功倍的效果；二，其次，仿真平臺(tái)的選擇還應(yīng)以教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)、以形象生動(dòng)、方便容易操作為首選。三，仿真模型的建立要與教材相結(jié)合、與實(shí)踐相結(jié)合，要與教學(xué)大綱合理的結(jié)合起來。

（2）明確授課內(nèi)容的難點(diǎn)和重點(diǎn)，熟練掌握和運(yùn)用仿真模型傳授知識(shí)的手段和技巧，做到有效地演示對(duì)象的特征、關(guān)系和規(guī)律。

（3）結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)所授的知識(shí)點(diǎn)的進(jìn)行剖析和歸納，合理布置課后的驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性的仿真練習(xí)，以幫助鞏固課堂所學(xué)知識(shí)。課后練習(xí)可以通過網(wǎng)上提供預(yù)先的電路、提示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和答案等方式，減少學(xué)生的工作量；另外，安排專門的開放式的實(shí)驗(yàn)室老師協(xié)助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)，解決仿真過程中出現(xiàn)的問題和難點(diǎn)。

2.3 仿真教學(xué)實(shí)例－日光燈的功率因素的提高

功率因素的提高是重要的知識(shí)點(diǎn)，實(shí)踐性非常強(qiáng)。借助日光燈交流電路的相量圖說明通過并聯(lián)電容的方法可以提高電路的功率因素和推導(dǎo)求解補(bǔ)償電容值是學(xué)生必須掌握的內(nèi)容，為此，我們結(jié)合課本上的實(shí)例設(shè)計(jì)如圖1所示電路，解釋電路各個(gè)變量的變化關(guān)系和驗(yàn)證補(bǔ)償電容值變化規(guī)律，并說明功率因素提高后可以減少線路、電源的損耗［4］。電路仿真環(huán)境選用 Matlab／Simulink實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，許多工程應(yīng)用專業(yè)（如控制、信號(hào)處理、通訊、機(jī)械等）都采用其作為仿真技術(shù)課程的平臺(tái)；也可以選用EWB軟件仿真模擬，但其不足是仿真后的數(shù)據(jù)處理不如Matlab方便［5］。圖2為Simulink環(huán)境下功率因素提高的電路仿真模型，仿真參數(shù)為秦曾煌主編的“電工學(xué)”（第六版）的第143頁的例4.8.1的數(shù)據(jù)，與教材緊密聯(lián)系。

圖1 電容器與電感性負(fù)載并聯(lián)以提高功率因素

圖2 Simulink仿真電路模型

圖3 電路變量隨補(bǔ)償電容值的增大變化曲線

對(duì)補(bǔ)償電容掃描，得到圖3所示的電路變量隨并聯(lián)補(bǔ)償電容值增大的變化曲線。由圖3（a）可見，并聯(lián)電容前后，感性支路的電流不變，電容電流隨電容線性增大，電路的總電流隨電容先減小、后增大的變化，與圖1（b）的相量圖相符；由圖3（b）可見，隨電容的增大，電感支路的無功不變，電容的無功一直增大，電源的無功一直在向負(fù)方向增長(zhǎng)，但是其絕對(duì)值卻是先減小后增大。由此，可以得到原感性支路的工作狀態(tài)不變，電路總的有功功率不變。在電感性負(fù)載上并聯(lián)了電容器以后，減少了電源與負(fù)載之間的能量互換。這時(shí)電感性負(fù)載所需的無功功率，大部分或全部都是就近由電容器供給，即能量的互換現(xiàn)在主要或完全發(fā)生在電感性負(fù)載與電容器之間，因而使電源容量能得到充分利用。同時(shí)，補(bǔ)償電容的值不能無限的增大，當(dāng)電容提供的無功等于電感支路的無功時(shí)，電源提供的無功等于0，此時(shí)達(dá)到了最佳補(bǔ)償。同時(shí)，提出問題“能否采用串聯(lián)電容的方式提高功率因素”讓學(xué)生課后思考，并要求學(xué)生進(jìn)行仿真模型驗(yàn)證，以鞏固課堂所學(xué)內(nèi)容，加深理解。

3 結(jié)束語

總之，仿真教學(xué)相對(duì)于傳統(tǒng)的板書教學(xué)在很多方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，靈活有效的使用仿真技術(shù)是對(duì)非電類專業(yè)電工學(xué)教學(xué)的一個(gè)很好的補(bǔ)充和拓展，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一個(gè)重要手段，同時(shí)，也是我校電工電子網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的內(nèi)涵。

［1］ 張惠娟，等，以科研促教學(xué)，帶動(dòng)本科生科技創(chuàng)新，電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（1）

［2］ 張幅偉，提高電工學(xué)教學(xué)質(zhì)量初探，教育與教學(xué)研究，2009，23（3）

［3］ 劉軍，李旭霞，引入網(wǎng)絡(luò)與仿真技術(shù)建立電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）

［4］ 秦曾煌，電工學(xué)（第六版），高等教育出版社，2004

［5］ 薛定宇，陳陽真，系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2002