電力電子技術(shù)課程輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳新河，劉艷麗，邵 瑞，汪世義

（巢湖學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽巢湖238000）

電力電子技術(shù)是一門以電力電子器件對電能進行控制和轉(zhuǎn)換技術(shù)的科學(xué)，它在自動化、能源、環(huán)保和交通運輸?shù)确矫嬗兄匾饔肹1-2]。該課程因波形圖多、圖形復(fù)雜、公式多、實踐性強被公認(rèn)為電氣工程等專業(yè)的“困難”課程。為提高該課程的教學(xué)效果和學(xué)生的實踐能力，高校相關(guān)教師分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和實踐教學(xué)等方面進行改革和實踐[2-6]，并取得了一定的效果，但仍未能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性、未能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、未能利用學(xué)生的課外時間、未能形成專業(yè)而綜合的教學(xué)系統(tǒng)?；诖颂攸c，并結(jié)合其他課程計算機輔助教學(xué)研究和實踐的經(jīng)驗[7-10]，本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、Active X控件和應(yīng)用軟件嵌入的電力電子技術(shù)課程的輔助教學(xué)系統(tǒng)。

1 教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

該輔助教學(xué)系統(tǒng)采用客戶(Client)/服務(wù)器(Server)的設(shè)計理念。系統(tǒng)相關(guān)的資源和數(shù)據(jù)被儲存在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（網(wǎng)端數(shù)據(jù)庫）中，客戶（學(xué)生）通過操作要求將所需資源加載到客戶端本地，以圖像、聲音和動畫等相應(yīng)媒體響應(yīng)，并將必要的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)端數(shù)據(jù)庫中存儲。

根據(jù)電力電子技術(shù)課程教學(xué)的實際需要，將該教學(xué)系統(tǒng)主要分為理論知識、實踐知識和知識練測等三大子系統(tǒng)，具體模塊劃分如圖1所示。三大子系統(tǒng)分別對應(yīng)于課程理論知識、課程實踐知識和課程知識評價。進入系統(tǒng)學(xué)習(xí)前，利用登錄模塊登記和管理合法用戶信息。理論知識學(xué)習(xí)子系統(tǒng)包含系統(tǒng)知識模塊、典型知識模塊和動畫演示模塊，分別對課程知識的細(xì)節(jié)、重點和難點進行展開；實踐知識學(xué)習(xí)子系統(tǒng)包括電力電子器件參數(shù)模塊、典型電路計算模塊、實驗參考模塊和網(wǎng)絡(luò)查詢模塊，分別從元器件、計算、實驗和新知識聯(lián)系實踐；知識練測評價子系統(tǒng)包括知識練習(xí)模塊和知識測試模塊，分別完成知識的反復(fù)練習(xí)和最終評價等功能。

1）登錄模塊：該模塊進行用戶注冊、用戶登錄和用戶管理。普通用戶在該模塊中可以完成注冊和登錄功能；管理員通過“管理”按鈕登錄后，在彈出對話框中利用賬號或姓名可對用戶賬號、姓名和密碼等進行刪除、修改和權(quán)限修改等操作。

2）理論知識子系統(tǒng)：該部分包含系統(tǒng)知識、典型知識和動畫演示3個功能模塊。系統(tǒng)知識模塊將存儲在數(shù)據(jù)庫中PPS格式的電力電子技術(shù)知識文件加載到客戶端，按照用戶指定的章節(jié)詳細(xì)展示；典型知識模塊是將各個章節(jié)的重點知識以圖片、公式和總結(jié)性語句提供給用戶瀏覽學(xué)習(xí)。課程知識中的難點利用動畫演示模塊來突破，課程中難以理解的電路中的能量流動、能量交互、波形形成和公式關(guān)系都直觀地顯示出來，既可以觀察瞬間狀態(tài)，也可以考量整體變化過程。

3）實踐知識子系統(tǒng)：該部分包括器件參數(shù)模塊、典型計算模塊、實驗參考模塊和網(wǎng)絡(luò)查詢模塊。器件參數(shù)模塊為電力電子電路設(shè)計時選擇主器件提供參數(shù)查詢方便，使用時輸入主器件類型，在彈出的主器件詳細(xì)列表中選擇具體的主器件，即可在用戶界面中查閱該器件的參數(shù)。典型計算模塊是對電力電子技術(shù)課程中常見的典型電路進行輔助計算，該模塊根據(jù)用戶選擇電路類型和輸入?yún)?shù)，給出計算結(jié)果和相關(guān)電路圖等信息，其操作流程如圖2所示。實驗參考模塊為用戶提供了電力電子技術(shù)各個實驗的實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗步驟、實驗思考題、實驗電路和實驗注意事項等信息，用戶只要選定某個具體的實驗項目，其對應(yīng)的相關(guān)信息就會在用戶界面上顯示。網(wǎng)絡(luò)查詢模塊是為避免新知識、新元器件未被包含入該系統(tǒng)中而加入，用戶通過模塊中嵌入的搜索工具，對未知知識進行網(wǎng)絡(luò)查詢，其返回的查詢結(jié)果顯示在系統(tǒng)界面供用戶參閱學(xué)習(xí)。

圖1 系統(tǒng)功能模塊劃分圖

圖2 典型計算操作流程圖

4）知識練測子系統(tǒng)：該部分包括知識練習(xí)模塊和知識測試模塊，其中試題庫的組織、試題的抽取和測試評判是該部分的核心部分。試題庫中各章節(jié)的試題比例是按教學(xué)大綱中各章節(jié)在整體教學(xué)中的比重進行分配，如“整流電路”章節(jié)教學(xué)占整個教學(xué)量的20%，則該章節(jié)習(xí)題數(shù)應(yīng)該為整個習(xí)題庫習(xí)題的20%左右；習(xí)題庫中習(xí)題類型包括選擇題、判斷題和簡答題等；各習(xí)題的題干、選項和答案分別被存儲在數(shù)據(jù)庫中各記錄的相應(yīng)字段中。知識練習(xí)時，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生所選知識點章節(jié)，在對應(yīng)的習(xí)題庫中隨機抽取習(xí)題，并在學(xué)生作答后給出習(xí)題的正確答案，用文字和聲音提示作答是否正確；知識測試時，系統(tǒng)根據(jù)各章節(jié)知識點的比重在對應(yīng)習(xí)題庫中隨機抽取相應(yīng)量的測試試題（如“整流電路”部分將抽取20題作為測試試題），學(xué)生作答完畢或?qū)W生主動停止測試后，系統(tǒng)結(jié)合學(xué)生作答結(jié)果和試題正確答案，將測試的結(jié)果分析提供給學(xué)生，并對學(xué)生測試成績進行更新。其中測試結(jié)果分析主要包含測試總習(xí)題數(shù)、正確習(xí)題數(shù)、錯誤習(xí)題數(shù)、測試成績等。

2 技術(shù)實現(xiàn)

2.1 交互操作

交互操作一般需要通過ActiveX技術(shù)實現(xiàn)，該技術(shù)通常通過可被嵌入的ActiveX控件進行界面開發(fā)，可以簡化開發(fā)難度，降低開發(fā)成本，增加程序的移植性[5]。本教學(xué)系統(tǒng)為簡化用戶操作、提高用戶體驗、構(gòu)建良好的人機交互界面，利用ActiveX控件實現(xiàn)用戶輸入和系統(tǒng)反饋的雙向互動。其中用戶輸入操作采用選項卡控件實現(xiàn)不同模塊間的選擇和轉(zhuǎn)換，按鈕實現(xiàn)選擇和確認(rèn)，單選按鈕和組框?qū)崿F(xiàn)單選，多選框控件實現(xiàn)多選，編輯框?qū)崿F(xiàn)文本輸入，樹形控件和列表框?qū)崿F(xiàn)目錄顯示和選擇等。系統(tǒng)響應(yīng)輸出采用文本框和圖片框分別實現(xiàn)文字和圖片的顯示，通過動畫控件實現(xiàn)動畫的播放等。使用ActiveX控件進行具體程序開發(fā)時，一般需要進行對控件對象的建立、注冊、修改屬性、綁定變量以及對控件進行方法的實現(xiàn)和調(diào)用等操作。

2.2 應(yīng)用軟件嵌入

為更完整、更全面地展現(xiàn)電力電子技術(shù)課程的相關(guān)學(xué)習(xí)資料、豐富課程的學(xué)習(xí)方式、降低課程的學(xué)習(xí)難度，系統(tǒng)設(shè)計利用Microsoft Office PowerPoint、Adobe Reader、Flash Player和Internet Explorer11等應(yīng)用軟件的嵌入，完成對PPT、PDF、SWF和網(wǎng)絡(luò)資源進行操作。這些應(yīng)用軟件并未集成到開發(fā)平臺，或者集成到開發(fā)平臺的控件版本比較低，需要一些特殊的處理才能完成相應(yīng)程序的使用和操作。下邊以PowerPoint嵌入為例，介紹應(yīng)用軟件在系統(tǒng)中嵌入方法和步驟。

第1步：安裝應(yīng)用軟件。在教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)的操作系統(tǒng)中安裝應(yīng)用軟件（Microsoft Office2013），保證該系統(tǒng)中存在支持PowerPoint創(chuàng)建和使用的類庫。

第2步：加入類庫。在開發(fā)的系統(tǒng)中加入PowerPoint所需要的類庫。通過“項目”菜單中的“添加類”菜單項，選擇“TypeLib”中的“MFC類”，在注冊表中選擇“Microsoft PowerPoint 15.0 Object Library”類庫，從其對應(yīng)的接口中選擇“_Application、Presentations”等7個接口加入右側(cè)，確定完成后，就會在教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)的項目中形成與上述接口對應(yīng)的“CApplication”和“CPresentations”等7個類。

第3步：添加頭文件并建立對象。在需要使用PowerPoint應(yīng)用軟件的界面對應(yīng)的類中加入這些類對應(yīng)的頭文件，并為其建立對象。本系統(tǒng)在“PPSStudy”類中添加了“CPresentation.h”“CPresentations.h”和“CSlide.h”等7個頭文件，并建立與之對應(yīng)的“app”“presentation”等7個類的對象。

第4步：添加操作控件，實現(xiàn)操作方法。在操作界面上添加相應(yīng)操作控件，如“打開”“下一頁”等操作按鈕，并對這些按鈕實現(xiàn)操作方法。如“打開”按鈕的實現(xiàn)方法，利用打開文件對話框“CFileDialog”類的“FileDlg（）”方法打開一個“.PPT”或“.PPS”為后綴的文件，待驗明文件的合法性后，通過“CApplication”類的對象“app”的“get_Presentations（）”打開PPT應(yīng)用程序，將獲得的應(yīng)用程序句柄賦值給“CPresentations”類的對象“presentations”，利用該對象的“OpenOld（）”方法，打開所選定的PPT文件。

3 界面實例

打開輔助教學(xué)系統(tǒng)，通過登錄進入學(xué)習(xí)界面，如圖3所示。整體界面包括標(biāo)題欄、學(xué)習(xí)模塊選擇區(qū)和客戶操作區(qū)。學(xué)習(xí)模塊分別為系統(tǒng)知識模塊、元件參數(shù)模塊、典型知識模塊、動畫演示模塊、典型計算模塊、聯(lián)網(wǎng)查詢模塊、知識練習(xí)模塊和知識檢測模塊等。系統(tǒng)知識模塊是對電力電子技術(shù)課程知識系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的模塊，其中包含該課程的各個知識點，涵蓋知識要點、知識重點、知識難點和知識的應(yīng)用介紹。通過選擇模塊左側(cè)的課程章節(jié)節(jié)點知識導(dǎo)航，配合使用界面上的各種操作按鈕，來打開和瀏覽章節(jié)的詳細(xì)知識。

圖4顯示為典型計算模塊界面，該模塊為方便使用者快速而準(zhǔn)確計算電力電子技術(shù)中典型電路的電路參數(shù)而設(shè)立。該模塊同時具備相應(yīng)電路計算和學(xué)習(xí)功能。在計算時不但幫助計算電路參數(shù)，而且展示該電路的電路結(jié)構(gòu)和計算公式，方便使用者知道內(nèi)部如何進行計算，理解其中原理。使用過程中，首先選擇相應(yīng)的電路類型，然后在對應(yīng)的參數(shù)框中填入相應(yīng)的已知參數(shù)，點擊“計算參數(shù)”按鈕，模塊就會計算出電路參數(shù)，并展示電路結(jié)構(gòu)和計算公式。

圖3 PPT學(xué)習(xí)模塊界面

圖4 典型計算模塊界面

4 結(jié)束語

本著提高電力電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量、降低電力電子技術(shù)課程的教學(xué)難度、豐富電力電子技術(shù)課程的教學(xué)手段的目標(biāo)，結(jié)合電力電子技術(shù)課程的特點，本文設(shè)計并實現(xiàn)了電力電子技術(shù)課程輔助教學(xué)系統(tǒng)。與已有的其他輔助教學(xué)系統(tǒng)[7-10]相比，該系統(tǒng)具有以下特點：

1）學(xué)習(xí)方式多樣化、知識內(nèi)容多層次化：系統(tǒng)知識、典型知識和動畫演示等多個學(xué)習(xí)模塊運用不同表達方式，從不同側(cè)面、不同深度對課程知識進行展示，使系統(tǒng)具有知識表達的多樣性和全面性，從而豐富學(xué)習(xí)途徑，降低學(xué)習(xí)難度。

2）強調(diào)知識實踐性和知識學(xué)練一體性：完成理論學(xué)習(xí)的同時，通過實踐知識子系統(tǒng)和知識練測子系統(tǒng)繼續(xù)實現(xiàn)知識實踐和知識評價的功能，使系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)知識的完整性和學(xué)練知識的一體性，從而使知識理論聯(lián)系實踐，并對知識學(xué)習(xí)效果及時檢查和反饋。

3）注重用戶體驗：使用多種多樣的教學(xué)素材，采用大量提示對話框和結(jié)果反饋等互動性操作，分步驟、分層次地與學(xué)生進行交流互動，使系統(tǒng)具有良好的人機交互界面。從而簡化系統(tǒng)操作難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

總之，本人在完善該輔助教學(xué)系統(tǒng)的功能、豐富其教學(xué)方式、降低課程學(xué)習(xí)難度、提高課程教學(xué)效果等方面做了不少努力，但是，該系統(tǒng)仍有缺憾之處，如系統(tǒng)中未能實現(xiàn)“網(wǎng)上在線實驗”、未能實現(xiàn)對使用者真實身份的有效檢查等，今后將進行一步改進。