整流電路教學(xué)方法研究

魯玲

摘要：介紹了整流電路的三種教學(xué)方法，分析了它們各自的優(yōu)劣。以單相橋式整流電路為例重點介紹了基于Matlab/Simulink的開放式互動教學(xué)法的設(shè)計。實踐證明在教學(xué)中恰當(dāng)?shù)慕M合使用三種教學(xué)法能夠能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，很好的提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電力電子；Simulink；整流電路

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）25-0146-02

1 概述

電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它的內(nèi)容涉及電力電子器件及整流、逆變、斬波、交流調(diào)壓四大變流電路和軟開關(guān)、PWM等電力電子技術(shù)?！罢麟娐贰保╮ectifying circuit）是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路[1]，它是變流電路中最早出現(xiàn)也是最為活躍、應(yīng)用最為廣泛的分支，因此它在電力電子技術(shù)中有著相當(dāng)重要的地位[2]。一般教材都把整流電路放在四大變流電路之首來編排章節(jié)，而且其教學(xué)內(nèi)容的份量也為其余三種變流電路的兩倍以上。因此探討實用有效的整流電路教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好整流電路把他們順利引入電力電子技術(shù)大門有著重要的意義。

2 三種教學(xué)法之優(yōu)劣比較

波形分析法是整流電路的核心分析方法[3]，通過波形分析來研究負(fù)載、移相控制角對整流電路電壓電流波形產(chǎn)生的影響并由此推導(dǎo)輸入與輸出的定量關(guān)系是整流電路教學(xué)的主要且核心內(nèi)容。但由于整流電路的工作波形受負(fù)載、移相控制角等因素的影響復(fù)雜多變，初學(xué)者往往覺得抽象、枯燥、不得要領(lǐng)以致對學(xué)習(xí)失去興趣和信心。

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)法

傳統(tǒng)教學(xué)主要手段是板書。這種教學(xué)法的優(yōu)點是教師口到板書到，學(xué)生可以步步跟進(jìn)教師的講解軌跡做到眼到心到，教學(xué)效果良好。但它的缺陷是由于整流電路的波形受相位角、負(fù)載的變化的影響復(fù)雜多變，因此繪制起來相當(dāng)耗費時間，特別是三相整流電路的工作波形要涉及三相相電壓、線電壓，繪制工作量巨大。教師將大量的時間花費在繪制電路波形，這不僅占用了寶貴的45分鐘課堂時間而且往往影響了教學(xué)進(jìn)度。

2.2 多媒體教學(xué)法

隨著多媒體進(jìn)入課堂，課件成了課堂的新寵。為了提高課堂教學(xué)效率，教師們把時間花在了課外制作課件上。初期的課件制作一般直接在PPT中插入已經(jīng)繪制好的工作波形，這樣雖然節(jié)約課堂教師手繪波形的時間，但是由于沒有辦法跟蹤整流電路工作波形的動態(tài)演變過程，波形的靜態(tài)呈現(xiàn)讓學(xué)生感覺沒有記憶點、抽象、乏味甚至莫名其妙，教學(xué)效果較差。于是后期大家又在課件中加入FlaSh動畫[4]來動態(tài)演示說明電路工作過程，但其存在三方面的缺陷：其一難度大，因為制作課件需要一定的動畫制作基礎(chǔ)，這需要專門學(xué)習(xí)培訓(xùn)；其二制作周期長，不能方便地修改負(fù)載參數(shù)，相位角、參數(shù)稍有改變即需重新制作動畫；其三互動性差，教學(xué)的主體仍然是老師，不符合以學(xué)生為主體的現(xiàn)代教育理念，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果仍然有待提高。

2.3 基于Matlab/Simulink的開放式互動教學(xué)法

2.3.1 Matlab/Simulink簡介

隨著EDA的發(fā)展，Matlab軟件由于其Simulink環(huán)境下提供的“SimPowerSystems”電力系統(tǒng)工具箱[5]在電力電子電路分析中有著令人驚喜的表現(xiàn)而大受青睞。Matlab/Simulink提供兩種系統(tǒng)模擬方法[6]，編程法和圖形化的模塊。前者不直觀，學(xué)習(xí)費時費力，后者有著直觀友好的圖形操作界面，它提供了豐富的元器件模塊庫和種類繁多的虛擬儀器，用戶只需用鼠標(biāo)點擊拖動便可方便快捷的建立系統(tǒng)模型，而且它具有齊全的分析功能，是學(xué)習(xí)分析電力電子電路的有力工具。

2.3.2 基于Matlab/Simulink的開放式互動教學(xué)法設(shè)計

基于Matlab/Simulink的開放式互動教學(xué)法的教學(xué)環(huán)境是機(jī)房，并拓展至學(xué)生宿舍等場合，教學(xué)工具為裝載了Matlab軟件的電腦和一部投影儀。教師在授課過程中利用投影儀演示講解電路的建模、仿真及分析過程，學(xué)生同步在電腦上進(jìn)行相關(guān)操作，從最初單純的學(xué)習(xí)模仿到后來的自主的修改電路參數(shù)的主動研究，教與學(xué)角色反轉(zhuǎn)，學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，教學(xué)不再是從教師到學(xué)生的單向灌輸，而是循環(huán)互動，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。更重要的是由于現(xiàn)在的大學(xué)生幾乎人手一臺電腦，只要教師把軟件拷貝給學(xué)生，那么學(xué)生宿舍、圖書館甚至咖啡廳都成為學(xué)生主動學(xué)習(xí)的地點，星星點點的零碎時間也成為學(xué)生自由探究的時間。教學(xué)的時間地點都由傳統(tǒng)的封閉局限走向了開放，教學(xué)效果得到了極大的提升。下面以單相橋式整流電路為例來具體介紹開放式互動教學(xué)法的課堂設(shè)計。

1） 教師示范。示范分三步走：第一步：示范搭建電路模型。教師演示啟動Matlab/Simulink，進(jìn)入仿真平臺，搭建圖1所示的單相橋式帶電阻負(fù)載整流電路模型[7]。教師邊操作邊講解模塊的提取和模塊參數(shù)的設(shè)置。第二步：示范添加觸發(fā)脈沖模塊、測量儀表模塊如圖2所示。教師重點講解如何將觸發(fā)角設(shè)置為30度，為學(xué)生能夠自主的改變這一重要參數(shù)打下伏筆。第三步：示范設(shè)置仿真參數(shù)并進(jìn)行仿真，雙擊示波器觀測電流電壓波形。圖3為相位角為30度時電阻負(fù)載的工作波形。

2） 學(xué)生模仿學(xué)習(xí)。學(xué)生在自己面前的電腦上學(xué)習(xí)搭建電路模型并仿真觀測電路工作波形。

3） 師生互動。教師隨時解答學(xué)生學(xué)習(xí)操作過程中產(chǎn)生的問題。

4） 營造教學(xué)情境，設(shè)計教學(xué)問題引導(dǎo)學(xué)生主動探究、討論和驗證問題。這里設(shè)計了兩個問題。問題一：如果觸發(fā)角變化工作波形將如何改變。問題二：負(fù)載數(shù)值改變或是負(fù)載性質(zhì)的改變（比如阻感負(fù)載或反電勢負(fù)載）工作波形將有什么變化。

5） 學(xué)生自主改變電路參數(shù)設(shè)計，通過仿真來探究、驗證問題的答案。這是開放式互動教學(xué)法的關(guān)鍵所在，教學(xué)活動進(jìn)行至此出現(xiàn)了角色反轉(zhuǎn)，學(xué)生成為課堂的主體，課堂氣氛達(dá)到了沸點，學(xué)生躍躍欲試，學(xué)習(xí)的主觀能動性得到了極大的發(fā)揮。圖4為相位角為60度阻感負(fù)載的工作波形。

6） 總結(jié)。教師帶領(lǐng)學(xué)生一起根據(jù)仿真波形，討論總結(jié)整流電路工作原理和工作特點，推導(dǎo)負(fù)載電壓與電流的計算公式。

7） 拓展教學(xué)時空，將課堂變?yōu)殚_放式。把軟件拷貝給學(xué)生，鼓勵他們課余課外研究問題。教學(xué)的時間空間不再受限，無限拓展外延，這一步對整個教學(xué)活動有畫龍點睛的效果。

3 結(jié)束語

整流電路電路形式多變、工作波形復(fù)雜，容易使初學(xué)者畏難退縮。文中討論了三種教學(xué)方法，它們并不是相互排斥的關(guān)系，而是各有特色，相互補(bǔ)充，大大豐富了教學(xué)手段。尤其是基于Matlab/Simulink的開放式互動教學(xué)法，讓學(xué)生成為教學(xué)的積極參與者而不是被灌輸者。在此教學(xué)情境里，整流電路的電壓電流波形不再是禁止不動的抽象圖片，而是隨著負(fù)載、相位角變化的有著動態(tài)的生動的呈現(xiàn)，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，教學(xué)的時空也得到了拓展。實踐證明教學(xué)效果提升顯著。

參考文獻(xiàn)：

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