“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)中虛擬仿真的探索與應(yīng)用

摘要：為提高“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生對知識(shí)的掌握能力．文章將虛擬仿真技術(shù)引入課程教學(xué)中，以Matlab仿真軟件為基礎(chǔ)，對單相交流調(diào)壓電路進(jìn)行模擬。實(shí)踐證明，該方法可以提高學(xué)生的參與度，增強(qiáng)學(xué)生對理論知識(shí)的掌握，提升學(xué)生的動(dòng)手能力以及分析和解決問題的能力。因此，在今后的教學(xué)活動(dòng)中，可以繼續(xù)引入類似的方法。

關(guān)鍵詞：電工電子技術(shù)；虛擬仿真；Matlab；教學(xué)

中圖法分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在高職院校中，“電工電子技術(shù)”是電氣工程、機(jī)電工程、車輛工程等專業(yè)的重要課程，因此該課程的教學(xué)質(zhì)量直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。該課程具有理論性、技術(shù)性、實(shí)踐性等特點(diǎn)，在教學(xué)過程中要綜合提高學(xué)生的理論水平和實(shí)踐水平［１］ 。當(dāng)電路環(huán)境和運(yùn)行情況較為復(fù)雜時(shí)，學(xué)生難以進(jìn)行深入的理解。而仿真模擬軟件可以模擬電路的運(yùn)行情況，已經(jīng)成為一項(xiàng)實(shí)用的教學(xué)輔助工具。因此，本文以Ｍａｔｌａｂ 仿真軟件為基礎(chǔ)，對單相交流調(diào)壓電路進(jìn)行模擬，得出仿真波形圖，從而探究新的教學(xué)模式。

１ 虛擬仿真技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，尤其是對于一些難以通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果的領(lǐng)域，該技術(shù)更為適用。而在電子技術(shù)方面，利用虛擬仿真軟件，通過模型的建立，對電路的環(huán)境和運(yùn)行模式進(jìn)行模擬，可以還原出接近真實(shí)的運(yùn)行情況。

當(dāng)前，“電子電工技術(shù)”課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中往往存在以下問題：（１）部分實(shí)驗(yàn)儀器較為昂貴，受到經(jīng)費(fèi)的影響，無法購進(jìn)部分儀器；（２）部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用年限較長或維護(hù)不當(dāng)，造成設(shè)備無法使用；（３）實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限而學(xué)生人數(shù)較多，無法滿足使用需求；（４）實(shí)驗(yàn)過程中有弱電也有強(qiáng)電，若操作不當(dāng)，則很可能給學(xué)生帶來傷害；（５）實(shí)驗(yàn)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)既有線路的運(yùn)行，但難以實(shí)現(xiàn)多工況的運(yùn)行；（６）受到實(shí)驗(yàn)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)場地的影響，“電工電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)只能在固定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，若學(xué)生要在課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提升自己的學(xué)習(xí)水平，則傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式難以滿足其要求［２］ 。而虛擬仿真技術(shù)可以彌補(bǔ)上述不足，滿足教學(xué)需求，提高教學(xué)質(zhì)量。在以往的教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)物的示波器通常只能同時(shí)顯示多路信號，而采用虛擬仿真技術(shù)則能夠同時(shí)觀察多路波形。另外，當(dāng)模擬脈沖出現(xiàn)丟失、短路、開路等故障或修改電路參數(shù)時(shí)，能夠直觀、方便地觀察工作電路運(yùn)行環(huán)境和輸出波形的變化。這可以加深學(xué)生的印象，使學(xué)生主動(dòng)思考，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索能力。

目前，主流的虛擬仿真軟件主要有ＥＷＢ，Ｍａｔｌａｂ，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ，Ｐｒｏｔｅｕｓ，Ｐｓｐｉｃｅ，Ｐｒｏｔｅｕｓ 等，這些軟件都可滿足當(dāng)前的教學(xué)需求。

２ 應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如可操作性強(qiáng)、成本低、實(shí)驗(yàn)效果好等，因此在教學(xué)中被廣泛應(yīng)用［３］ 。

其中，Ｍａｔｌａｂ 是最為常用的仿真軟件之一，它是由美國ＭａｔｈＷｏｒｋｓ 公司開發(fā)，可以進(jìn)行系統(tǒng)建模、矩陣計(jì)算、數(shù)值分析、仿真運(yùn)算等操作［４］ 。在教學(xué)實(shí)踐中，師生可以根據(jù)不同的工況條件調(diào)試電路，模擬還原運(yùn)行結(jié)果。因此，仿真模擬的應(yīng)用可以提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)的積極性，便于學(xué)生對電路知識(shí)的理解和掌握［５］ 。

３ 實(shí)際應(yīng)用

３．１ 創(chuàng)設(shè)情境，有效激發(fā)興趣

興趣是最好的老師，在高職教學(xué)中也不例外。由于“電工電子技術(shù)”課程具有較強(qiáng)的專業(yè)性，學(xué)習(xí)起來較為枯燥，因此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可以提升教學(xué)質(zhì)量。通過虛擬仿真技術(shù)，可以創(chuàng)造實(shí)際的工作情境，從而充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和主體作用［６］ 。與枯燥的理論相比，學(xué)生對直觀的電路環(huán)境和運(yùn)行情況更感興趣，因此教師需要因勢利導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，進(jìn)而提升教學(xué)效果［７］ 。

３．２ 搭建模型

為將虛擬仿真技術(shù)更好地融入教學(xué)中，本文以較為基礎(chǔ)的單相交流調(diào)壓電路作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。單相交流調(diào)壓電路系統(tǒng)由以下元件組成：交流電壓源、電阻電感負(fù)載、同步脈沖發(fā)生器和晶閘管。其基本工作原理如下：先將２ 個(gè)晶閘管反并聯(lián)，然后再將其串聯(lián)到交流電路，控制晶閘管就可以實(shí)現(xiàn)交流輸出的控制。

在每半個(gè)周波內(nèi)控制晶閘管開通相位，即可對輸出電壓進(jìn)行調(diào)解［８］ 。

本文使用Ｍａｔｌａｂ （ Ｒ２０１４ｂ）進(jìn)行模擬，引導(dǎo)學(xué)生搭建如圖１ 所示的單相交流調(diào)壓阻感性負(fù)載電路仿真模型。再對晶閘管和其他電路元器件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中電源峰值電壓為１００ Ｖ，頻率為５０ Ｈｚ；電感為８ ｍＨ， 負(fù)載電阻為１０ Ω； 脈沖信號為ＰｕｌｓｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ，Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ１ 脈沖高度為１５ Ｖ，周期為０．０２ ｓ，占空比為２５％；觸發(fā)延遲角α 可以根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)解。待上述參數(shù)設(shè)置完成后， 即可啟動(dòng)ＳＩＭＵＬＩＮＫ 開始仿真運(yùn)算，仿真結(jié)果可通過示波器模塊進(jìn)行觀測。

３．３ 模擬結(jié)果

當(dāng)α＝３０°時(shí)的模擬結(jié)果如圖２ 所示，顯示的波形從上至下分別是脈沖信號、電源信號、負(fù)載電壓、負(fù)載電流、晶閘管電流和脈沖信號１。

通過調(diào)解α 角度，能夠生成其他的仿真波形（如α＝４５°，α＝６０°，α ＝ ９０°）。由仿真結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載是阻感負(fù)載時(shí)，輸出的電流和電壓具有不同的波形，負(fù)載電流無法發(fā)生突變，因此負(fù)載電壓波形超前于負(fù)載電流波形；受電感元件自身特性的影響，其會(huì)出現(xiàn)反電勢作用，當(dāng)電源電壓過零且感應(yīng)電勢大于零時(shí)，晶閘管則處于導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)電路的導(dǎo)通還能持續(xù)一段時(shí)間。輸出電壓負(fù)半周過零時(shí)則會(huì)出現(xiàn)一段正電壓，正半周過零時(shí)也是如此。上述模擬結(jié)果與教材和實(shí)際情況一致，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性［９］ 。

為更直觀、精確地反映電路中任意節(jié)點(diǎn)的電壓信號波形或電流信號波形，可以通過在電路中相應(yīng)點(diǎn)增加示波器來實(shí)現(xiàn)。

為提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生加深對該電路結(jié)構(gòu)的理解，以便為日后學(xué)習(xí)更復(fù)雜的電路打下基礎(chǔ)，可以將模型中的負(fù)載設(shè)置為阻性負(fù)載。具體操作為在電阻模塊ＳｉｍＰｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ／ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ／ Ｓｅｒｉｅｓ ＲＬＣ Ｂｒａｎｃｈ中，把電路單相交流調(diào)壓電路的負(fù)載變?yōu)殡娮柝?fù)載。

３．４ 豐富實(shí)踐，提升教學(xué)質(zhì)量

實(shí)踐是提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要保障。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到“電工電子技術(shù)”課程的教學(xué)活動(dòng)中，通過建立仿真模型，可以使波形直觀地顯現(xiàn)出來，還能通過調(diào)解參數(shù)，得到多工況的運(yùn)行結(jié)果，不僅可以提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，還可以使其將理論和實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)知識(shí)拓展、思維發(fā)散，有利于學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作。在實(shí)踐過程中， 往往也會(huì)遇到很多問題，在解決問題的過程中，可以提高學(xué)生的參與度和分析、解決問題的能力，從而有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

４ 結(jié)束語

在“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)活動(dòng)中，理論和實(shí)踐是密不可分的。為提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，既離不開理論的指導(dǎo)，也離不開動(dòng)手實(shí)踐，打牢理論基礎(chǔ)才能更好地實(shí)踐，動(dòng)手實(shí)踐才能更好地理解理論知識(shí)。將Ｍａｔｌａｂ 虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)活動(dòng)中，可以激發(fā)學(xué)生對該課程的興趣，還可以彌補(bǔ)儀器缺乏、場地較小等不足，最終達(dá)到理想的教學(xué)效果。

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作者簡介：王艷霞（１９８３—），本科，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。