虛擬仿真在混合式教學(xué)中的應(yīng)用研究——以“電力電子技術(shù)”課程為例

劉　燕　王關(guān)平　楊婉霞　李紅嶺　

虛擬仿真在混合式教學(xué)中的應(yīng)用研究——以“電力電子技術(shù)”課程為例

劉燕王關(guān)平楊婉霞李紅嶺

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

混合式教學(xué)是課程改革的趨勢(shì)。為了高效地利用在線平臺(tái)實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)，提出在混合式教學(xué)中融入虛擬仿真教學(xué)，結(jié)合“電力電子技術(shù)”課程混合教學(xué)設(shè)計(jì)方案，以單相半波整流知識(shí)點(diǎn)為例，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)過(guò)程做了探索與實(shí)踐。實(shí)踐表明，融入了虛擬仿真的混合式教學(xué)可以引導(dǎo)學(xué)生提高專業(yè)技能及科研水平，并且其更充分體現(xiàn)了“混合教學(xué)”的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。

混合式教學(xué)；電力電子技術(shù)；仿真教學(xué)；Matlab

引言

“電力電子技術(shù)”作為電氣專業(yè)及信息化專業(yè)核心課程一直以來(lái)在專業(yè)培養(yǎng)中起著承前啟后的作用[1]。然而，在該課程的長(zhǎng)期教學(xué)中，因課程內(nèi)容理論性、工程性要求極強(qiáng)，致使學(xué)生為考試而考試、試后又全部遺忘，專業(yè)技能無(wú)法提高[2]。除此之外，工科院校著力于培養(yǎng)適應(yīng)新形勢(shì)需求的專業(yè)人才，亟需從課程改革中加大專業(yè)技術(shù)培養(yǎng)及科研能力培養(yǎng)，那么單從《電力電子技術(shù)》混合式教學(xué)中如何激勵(lì)學(xué)生獲得一定的科研能力與科研技巧也成為一大難點(diǎn)[3]。更重要的是，混合式教學(xué)不光是線上與線下的“混”，更重要的是“合”，即在混合式教學(xué)中如何去設(shè)計(jì)線上與線下教學(xué)，將兩者有機(jī)配合起來(lái)[4]。總而言之，混合式教學(xué)應(yīng)該更進(jìn)一步地向適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)、提升創(chuàng)新能力與科研能力等方向發(fā)展，混合式教學(xué)課程改革需要更進(jìn)一步推進(jìn)[5]。

“電力電子技術(shù)”課程難度大、實(shí)踐強(qiáng)，在推動(dòng)混合式教改中，筆者做出了一些嘗試——在混合式教學(xué)中融入虛擬仿真教學(xué)。虛擬仿真既可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，又可對(duì)抽象問(wèn)題直觀化，而且它更能體現(xiàn)學(xué)生的專業(yè)能力及科研創(chuàng)新能力。更重要的是，在疫情等影響下，它不失為一個(gè)有效的實(shí)驗(yàn)路徑。Matlab仿真軟件是眾多仿真軟件中較為常用的軟件，它可以搭建模型、編程、分析數(shù)據(jù)等，既適應(yīng)于工程應(yīng)用又能滿足科研探索要求的交互式環(huán)境[6]。本研究以該仿真軟件作為混合式教學(xué)中的一大“利器”，將其融入混合式教學(xué)平臺(tái)，創(chuàng)新引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好專業(yè)技能以及提高科研水平。

1　總體設(shè)計(jì)

1.1　設(shè)計(jì)思想

（1）在線平臺(tái)設(shè)計(jì)。本研究所在大學(xué)的“電力電子技術(shù)”混合式課程建設(shè)于2020年，目前已經(jīng)經(jīng)過(guò)了兩輪的建設(shè)與運(yùn)維，課程采用“優(yōu)慕課”在線教育平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)，平臺(tái)下設(shè)有課程基本信息、單元學(xué)習(xí)、課程資源、課程活動(dòng)、隨堂教學(xué)及課程問(wèn)題討論等。在單元學(xué)習(xí)中按章節(jié)小節(jié)劃分知識(shí)點(diǎn)。為了融入仿真教學(xué)內(nèi)容，在需要引入仿真教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)章節(jié)下設(shè)相應(yīng)的仿真教學(xué)，虛擬仿真軟件采用Matlab/Simulink仿真軟件。

（2）在線教學(xué)與資源管理一站式設(shè)計(jì)。每個(gè)重點(diǎn)及難點(diǎn)在單元學(xué)習(xí)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)中下設(shè)知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)學(xué)、教學(xué)視頻、討論區(qū)及小作業(yè)。依托在線平臺(tái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)、實(shí)驗(yàn)演示及作業(yè)提交等服務(wù)，而且下設(shè)的討論區(qū)方便了老師設(shè)疑、學(xué)生答疑以及學(xué)生相互之間的互動(dòng)交流。

1.2　總體架構(gòu)

混合式教學(xué)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示?；旌鲜浇虒W(xué)設(shè)計(jì)包含3個(gè)核心階段：課前、課中和課后[7]。課前以單元導(dǎo)學(xué)、發(fā)布任務(wù)為主，以此收集重難點(diǎn)問(wèn)題；課中以課堂教學(xué)為主，采用“優(yōu)慕課”平臺(tái)輔助功能（如簽到、隨堂小測(cè)、課件等）；課后則重點(diǎn)體現(xiàn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的再次升華，在此提出混合仿真教學(xué)，利用線上配套資源（如仿真視頻教學(xué)、知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)學(xué)等）再次總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生可以在在線平臺(tái)上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在討論區(qū)中解惑答疑、相互溝通交流。

圖1 混合教學(xué)設(shè)計(jì)架構(gòu)

2　課程實(shí)踐

“電力電子技術(shù)”課程授課過(guò)程中學(xué)生普遍反映出對(duì)變流技術(shù)理解不夠透徹，對(duì)知識(shí)與知識(shí)之間缺乏整體概念。例如整流電路，只知其是將交流轉(zhuǎn)換為直流，而不能理解開(kāi)關(guān)器件在變流時(shí)是如何觸發(fā)的。除此之外，課程授課學(xué)時(shí)有限導(dǎo)致課程內(nèi)容無(wú)法在有限的時(shí)間發(fā)揮無(wú)限的效能。因此，可以利用線上資源去彌補(bǔ)學(xué)生理論知識(shí)和綜合知識(shí)的不足。以下以單相半波可控整流電路為樣例，闡述基于虛擬仿真的混合式教學(xué)實(shí)踐。

2.1　混合教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）課前。在在線平臺(tái)發(fā)布課前預(yù)習(xí)任務(wù)：一是上傳制作的5分鐘左右的視頻，引導(dǎo)學(xué)生從視頻中了解什么叫整流；二是設(shè)疑，例如“整流需要哪些裝置完成”，收集并總結(jié)學(xué)生的答案。

（2）課中。利用課堂10分鐘復(fù)習(xí)晶閘管的知識(shí)，剩余40分鐘以面授方式對(duì)“單相半波可控整流電路”的電路、工作原理、波形分析進(jìn)行講授，并且借助在線平臺(tái)完成簽到、點(diǎn)名回答問(wèn)題、隨堂小測(cè)等。因面授部分抽象難懂，可以在此部分穿插仿真教學(xué)，以已建立好的仿真模型為例展示。

（3）課后。在線平臺(tái)上完成以下四部分內(nèi)容：一是上傳課堂教學(xué)中的仿真教學(xué)詳細(xì)視頻，引導(dǎo)學(xué)生從視頻教學(xué)中掌握理論知識(shí)要點(diǎn)；二是發(fā)布課程作業(yè)——實(shí)際操作完成仿真實(shí)驗(yàn)，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；三是討論區(qū)設(shè)疑，并收集、回答討論區(qū)問(wèn)題；四是展示成果、共享優(yōu)秀作業(yè)。

2.2　虛擬仿真教學(xué)

課堂授課只是完成了對(duì)理論知識(shí)的重難點(diǎn)講解，而往往無(wú)法使學(xué)生建立深層次、系統(tǒng)化的知識(shí)體系。比如單相半波可控整流電路（如圖2），這部分內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)是掌握其電路、工作原理及波形，但是對(duì)電路是如何構(gòu)建的、驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)電路是怎樣的工作的、晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào)與觸發(fā)角的關(guān)系是怎樣的、同步觸發(fā)信號(hào)如何構(gòu)建的等問(wèn)題，學(xué)生很難深入理解。

圖2 單相半波可控整流電路

通常在理論授課時(shí)，晶閘管（Detailed Thyristor）的門極觸發(fā)信號(hào)往往給一個(gè)高于其門檻電壓的值即可。再加上在線下實(shí)驗(yàn)中，這部分門極觸發(fā)在“暗箱”中，學(xué)生通常只需知道其門極有個(gè)輸入大于0的值即可觸發(fā)，等于0則無(wú)觸發(fā)。但是這與實(shí)際不符，因?yàn)榫чl管的觸發(fā)脈沖信號(hào)的強(qiáng)弱與否與觸發(fā)有很大關(guān)系，觸發(fā)脈沖發(fā)生器即便再精確，觸發(fā)角α隨著時(shí)間的推移也有可能會(huì)產(chǎn)生一定偏移。因此，晶閘管觸發(fā)電路就顯得極為抽象，仿真實(shí)驗(yàn)中，需要根據(jù)整流變壓器實(shí)際的電壓輸入信號(hào)制作與之完全同步的觸發(fā)信號(hào)供給晶閘管。

按照?qǐng)D3所示，在半個(gè)工頻周期內(nèi)，即0.01 s的時(shí)間內(nèi)，積分器的輸出值要達(dá)到5，觸發(fā)角α要達(dá)到180o。當(dāng)Constant設(shè)置為50時(shí)，Gain1模塊的比例因子應(yīng)該設(shè)置為1/36。

圖3 仿真模型構(gòu)建

運(yùn)行仿真，觀察系統(tǒng)模型中的主要信號(hào)，程序如下：

>>subplot(3,1,1);plot(t,Us);

>>hold on; plot(linspace(0,0.08,500), zeros(1,500),'-.r');

>>axis([0 0.08 -55 55]);

>>subplot(3,1,2);plot(t,juchi);

>>hold on;plot(t,bijiao,'r');plot(linspace(0,0.08,500),

zeros(1,500),'-.r')

>>axis([0 0.08 -0.7 5.5]);

>>subplot(3,1,3);plot(t,pulse);

>>hold on;plot(linspace(0,0.08,500),zeros(1,500),'-.r');

>>axis([0 0.08 -0.5 2]);

如圖4所示為電源（Us）、鋸齒波（juchi）、觸發(fā)脈沖（pulse）的信號(hào)，由pulse可看出正好觸發(fā)角α=90o。如圖5所示為觸發(fā)角30°時(shí)的電路波形。

圖4 模型中的主要信號(hào)關(guān)系圖

圖5 α=30o時(shí)波形分析

由以上單相半波可控整流—同步觸發(fā)電路仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生在Matlab/Simulink中建立該模型，建模型的同時(shí)，學(xué)生再次對(duì)主電路以及晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)得以深入理解，同時(shí)也了解到實(shí)際生產(chǎn)生活中構(gòu)建一個(gè)完整的系統(tǒng)電路需要哪些元器件。建模后設(shè)置積分器（intrgrator）以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（Monostable）的參數(shù)，學(xué)生在此可自行探索不同參數(shù)設(shè)置對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真的影響，同時(shí)也理解了晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào)與觸發(fā)角的關(guān)系、鋸齒波同步觸發(fā)電路與電源（Us）的相位關(guān)系、產(chǎn)生觸發(fā)脈沖需要調(diào)節(jié)哪些參數(shù)等等。最后，仿真運(yùn)行，展示了Us、Ud、ir、Ur以及觸發(fā)脈沖的波形，由此驗(yàn)證了波形與理論講授相符。學(xué)生通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)仿真“回看”課堂的理論知識(shí)，不僅加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，而且從側(cè)面也使學(xué)生獲得了學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成的滿足感，激發(fā)了興趣，獲得了科研的動(dòng)力。

在此，這部分仿真教學(xué)應(yīng)整合到單元學(xué)習(xí)——單相半波可控整流電路下，在該子欄目下設(shè)置仿真教學(xué)，并上傳錄制好的教學(xué)視頻資源，視頻資源詳細(xì)展示實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟等核心內(nèi)容。仿真教學(xué)欄目中還設(shè)置了知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)學(xué)、討論區(qū)及小作業(yè)等子欄目，方便學(xué)生鞏固知識(shí)點(diǎn)、交流互動(dòng)、上傳作業(yè)等。

2.3　教學(xué)效果分析

自2020年開(kāi)始學(xué)校“電力電子技術(shù)”課程實(shí)施混合式教學(xué)，已經(jīng)過(guò)兩輪教學(xué)實(shí)踐。為了便于教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，本文將2019級(jí)兩個(gè)班——19級(jí)電氣1班和19級(jí)電氣2班做一對(duì)比分析。19級(jí)電氣1班56人，該班教學(xué)方法既采用了“優(yōu)慕課”平臺(tái)，也實(shí)施了混合了仿真教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)方法；而19級(jí)電氣2班60人只采用了“優(yōu)慕課”平臺(tái)，未采用仿真教學(xué)輔助教學(xué)。分析兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的期末考試成績(jī)，對(duì)比分析結(jié)果如圖6所示。由此可以看出，19級(jí)電氣1班的高分段人數(shù)比19級(jí)電氣2班多，主要原因是高分段學(xué)生普遍學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，能夠有效學(xué)習(xí)到線上教學(xué)資源的知識(shí)。據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，這部分學(xué)生在仿真教學(xué)討論區(qū)與老師互動(dòng)多且提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量較高。因此，融入仿真教學(xué)后的混合式教學(xué)可以在提升學(xué)生專業(yè)能力和科研興趣方面起到作用。

圖6 教學(xué)效果分析

3　結(jié)束語(yǔ)

本文依托“優(yōu)慕課”在線教育平臺(tái)實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)，并結(jié)合Matlab/Simulink仿真軟件，將虛擬仿真教學(xué)融入“電力電子技術(shù)”混合式教學(xué)，對(duì)其進(jìn)行了探索與實(shí)踐，得到了以下結(jié)論。

（1）以simulink平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)鋸齒波同步移相觸發(fā)電路控制單相半波可控整流電路為例，將一個(gè)抽象、綜合性實(shí)驗(yàn)通過(guò)仿真模型構(gòu)建、參數(shù)設(shè)置及波形分析等步驟具體實(shí)現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程理解了晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào)與觸發(fā)角的關(guān)系、鋸齒波同步觸發(fā)電路與電源Us的相位關(guān)系、產(chǎn)生觸發(fā)脈沖需要調(diào)節(jié)哪些參數(shù)等相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)學(xué)生也積累了一定的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和科研技巧。

（2）混合式教學(xué)不僅是線上線下的“資源”融合，更主要的是“知識(shí)”的融合，在混合式教學(xué)中融入虛擬仿真，彌補(bǔ)理論教學(xué)中無(wú)法解決的知識(shí)模塊化、抽象化問(wèn)題，使得專業(yè)知識(shí)綜合化、系統(tǒng)化，在專業(yè)課的理論教學(xué)中起到輔助作用。同時(shí)，教師的教學(xué)水平和科研能力也得到了提升，學(xué)生也因此得到了專業(yè)鍛煉以及培養(yǎng)了科研興趣。教學(xué)實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該混合式教學(xué)方法具有一定的科學(xué)性，可以為后續(xù)的混合式教改提供一定的理論指導(dǎo)。

[1] 張揚(yáng)，王曄楓，夏雙，等. “以學(xué)生發(fā)展為中心”的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)研究[J]. 科教文匯(中旬刊)，2021(8): 98-100.

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[3] 劉建，秦源，陳冬梅，等. 科研育人視角下大學(xué)生創(chuàng)新型人才培養(yǎng)現(xiàn)實(shí)困境與實(shí)施路徑[J]. 未來(lái)與發(fā)展，2022，46(6): 86-91.

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Research on the Application of Virtual Simulation in Blended Teaching——Taking Course of "Power Electronics Technology" as an Example

Blended teaching is the trend of curriculum reform. In order to effectively utilize Online platforms to realize blended teaching, it is proposed to integrate virtual simulation teaching into blended teaching. Combined with the blended teaching design scheme in the course of "Power Electronics Technology", and taking the knowledge points of single-phase half wave rectification as an example, the teaching content, teaching methods, and teaching process are explored and practiced. Practice shows that blended teaching integrated with virtual simulation can guide students to improve their professional skills and scientific research level, and it fully reflects the teaching advantages of "blended teaching".

blended teaching; power electronics technology; simulation teaching; Matlab

G642

A

1008-1151(2023)09-0089-03

2022-11-24

甘肅省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度一般規(guī)劃課題《新工科背景下農(nóng)業(yè)院校電氣專業(yè)混合式教學(xué)的探索與實(shí)踐——以電力電子技術(shù)為例》（GS[2021]GHB1947）；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)2022年重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目《現(xiàn)代電子技術(shù)》（GAU-ZDKC-202209）。

劉燕（1987－），女，甘肅蘭州人，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

王關(guān)平（1975－），男，寧夏固原人，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化。