“電工電子技術”課程教學中虛擬仿真的探索與應用

摘要：為提高“電工電子技術”課程教學質量，提升學生對知識的掌握能力．文章將虛擬仿真技術引入課程教學中，以Matlab仿真軟件為基礎，對單相交流調壓電路進行模擬。實踐證明，該方法可以提高學生的參與度，增強學生對理論知識的掌握，提升學生的動手能力以及分析和解決問題的能力。因此，在今后的教學活動中，可以繼續引入類似的方法。

關鍵詞：電工電子技術；虛擬仿真；Matlab；教學

中圖法分類號：G712 文獻標識碼：A

在高職院校中，“電工電子技術”是電氣工程、機電工程、車輛工程等專業的重要課程，因此該課程的教學質量直接影響學生的學習質量。該課程具有理論性、技術性、實踐性等特點，在教學過程中要綜合提高學生的理論水平和實踐水平［１］ 。當電路環境和運行情況較為復雜時，學生難以進行深入的理解。而仿真模擬軟件可以模擬電路的運行情況，已經成為一項實用的教學輔助工具。因此，本文以Ｍａｔｌａｂ 仿真軟件為基礎，對單相交流調壓電路進行模擬，得出仿真波形圖，從而探究新的教學模式。

１ 虛擬仿真技術

隨著計算機技術的發展，虛擬仿真技術已經應用于各個行業，尤其是對于一些難以通過理論計算和實驗得出結果的領域，該技術更為適用。而在電子技術方面，利用虛擬仿真軟件，通過模型的建立，對電路的環境和運行模式進行模擬，可以還原出接近真實的運行情況。

當前，“電子電工技術”課程在實驗教學過程中往往存在以下問題：（１）部分實驗儀器較為昂貴，受到經費的影響，無法購進部分儀器；（２）部分實驗設備使用年限較長或維護不當，造成設備無法使用；（３）實驗設備數量有限而學生人數較多，無法滿足使用需求；（４）實驗過程中有弱電也有強電，若操作不當，則很可能給學生帶來傷害；（５）實驗設備可實現既有線路的運行，但難以實現多工況的運行；（６）受到實驗課時和實驗場地的影響，“電工電子技術”課程實驗只能在固定的實驗室進行，若學生要在課余時間進行實驗，提升自己的學習水平，則傳統的實驗方式難以滿足其要求［２］ 。而虛擬仿真技術可以彌補上述不足，滿足教學需求，提高教學質量。在以往的教學活動中，實物的示波器通常只能同時顯示多路信號，而采用虛擬仿真技術則能夠同時觀察多路波形。另外，當模擬脈沖出現丟失、短路、開路等故障或修改電路參數時，能夠直觀、方便地觀察工作電路運行環境和輸出波形的變化。這可以加深學生的印象，使學生主動思考，有利于培養學生的創新能力和探索能力。

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前的教學需求。

２ 應用現狀

虛擬仿真技術具有諸多優點，如可操作性強、成本低、實驗效果好等，因此在教學中被廣泛應用［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，可以進行系統建模、矩陣計算、數值分析、仿真運算等操作［４］ 。在教學實踐中，師生可以根據不同的工況條件調試電路，模擬還原運行結果。因此，仿真模擬的應用可以提高學生的參與度和學習的積極性，便于學生對電路知識的理解和掌握［５］ 。

３ 實際應用

３．１ 創設情境，有效激發興趣

興趣是最好的老師，在高職教學中也不例外。由于“電工電子技術”課程具有較強的專業性，學習起來較為枯燥，因此激發學生的學習興趣可以提升教學質量。通過虛擬仿真技術，可以創造實際的工作情境，從而充分發揮學生的主觀能動性和主體作用［６］ 。與枯燥的理論相比，學生對直觀的電路環境和運行情況更感興趣，因此教師需要因勢利導，激發學生的求知欲，進而提升教學效果［７］ 。

３．２ 搭建模型

為將虛擬仿真技術更好地融入教學中，本文以較為基礎的單相交流調壓電路作為實驗模型。單相交流調壓電路系統由以下元件組成：交流電壓源、電阻電感負載、同步脈沖發生器和晶閘管。其基本工作原理如下：先將２ 個晶閘管反并聯，然后再將其串聯到交流電路，控制晶閘管就可以實現交流輸出的控制。

在每半個周波內控制晶閘管開通相位，即可對輸出電壓進行調解［８］ 。

本文使用Ｍａｔｌａｂ （ Ｒ２０１４ｂ）進行模擬，引導學生搭建如圖１ 所示的單相交流調壓阻感性負載電路仿真模型。再對晶閘管和其他電路元器件的參數進行設置，其中電源峰值電壓為１００ Ｖ，頻率為５０ Ｈｚ；電感為８ ｍＨ， 負載電阻為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％；觸發延遲角α 可以根據實際工況進行調解。待上述參數設置完成后， 即可啟動ＳＩＭＵＬＩＮＫ 開始仿真運算，仿真結果可通過示波器模塊進行觀測。

３．３ 模擬結果

當α＝３０°時的模擬結果如圖２ 所示，顯示的波形從上至下分別是脈沖信號、電源信號、負載電壓、負載電流、晶閘管電流和脈沖信號１。

通過調解α 角度，能夠生成其他的仿真波形（如α＝４５°，α＝６０°，α ＝ ９０°）。由仿真結果能夠發現，當負載是阻感負載時，輸出的電流和電壓具有不同的波形，負載電流無法發生突變，因此負載電壓波形超前于負載電流波形；受電感元件自身特性的影響，其會出現反電勢作用，當電源電壓過零且感應電勢大于零時，晶閘管則處于導通的狀態，此時電路的導通還能持續一段時間。輸出電壓負半周過零時則會出現一段正電壓，正半周過零時也是如此。上述模擬結果與教材和實際情況一致，證明了模擬結果的準確性［９］ 。

為更直觀、精確地反映電路中任意節點的電壓信號波形或電流信號波形，可以通過在電路中相應點增加示波器來實現。

為提高教學質量，讓學生加深對該電路結構的理解，以便為日后學習更復雜的電路打下基礎，可以將模型中的負載設置為阻性負載。具體操作為在電阻模塊ＳｉｍＰｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ／ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ／ Ｓｅｒｉｅｓ ＲＬＣ Ｂｒａｎｃｈ中，把電路單相交流調壓電路的負載變為電阻負載。

３．４ 豐富實踐，提升教學質量

實踐是提升教學質量，培養學生動手能力的重要保障。將虛擬仿真技術應用到“電工電子技術”課程的教學活動中，通過建立仿真模型，可以使波形直觀地顯現出來，還能通過調解參數，得到多工況的運行結果，不僅可以提高學生的動手實踐能力，還可以使其將理論和實踐相結合，實現知識拓展、思維發散，有利于學生今后的學習和工作。在實踐過程中， 往往也會遇到很多問題，在解決問題的過程中，可以提高學生的參與度和分析、解決問題的能力，從而有助于提升學生的創新能力。

４ 結束語

在“電工電子技術”課程教學活動中，理論和實踐是密不可分的。為提高該課程的教學質量，既離不開理論的指導，也離不開動手實踐，打牢理論基礎才能更好地實踐，動手實踐才能更好地理解理論知識。將Ｍａｔｌａｂ 虛擬仿真技術引入教學活動中，可以激發學生對該課程的興趣，還可以彌補儀器缺乏、場地較小等不足，最終達到理想的教學效果。

參考文獻：

［１］ 鄒旺，吉暢，何超．基于“學習通”和Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 仿真的電工與電子技術實驗課程教學改革研究［Ｊ］．電腦知識與技術，２０２２，１８（２０）：１６４?１６５＋１７８．

［２］ 許津銘．電工與電子技術基礎課程虛擬仿真教學探討［Ｊ］．中國現代教育裝備，２０２２（１）：２４?２５＋３１．

［３］ 董昱．虛擬仿真技術在中職電工電子技術教學中的應用［Ｊ］．電子技術與軟件工程，２０２１（１６）：３９?４０．

［４］ 王艷紅，馮俊杰．基于“理論＋仿真＋實踐”電工電子技術課程教學改革的實踐［Ｊ］．電腦知識與技術，２０２２，１８（２０）：１４４?１４５．

［５］ 洪明虎，陳靜，李曙生，等．虛擬仿真技術在汽車電工電子技術課程實踐教學中的應用［Ｊ］．汽車實用技術，２０２２，４７（１０）：１３０?１３３．

［６］ 徐亞宏．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０ 在電工電子技術實驗教學中的應用［Ｊ］．現代職業教育，２０２１（１８）：１７２?１７３．

［７］ 王高騰，李永濤．ＬＴｓｐｉｃｅ 在“電工電子技術”課堂教學中的應用［Ｊ］．電子制作，２０２２，３０（２）：４５?４７．

［８］ 楊婷．新工科背景下電工電子技術實驗教學示范中心的建設［Ｊ］．電氣電子教學學報，２０２１，４３（６）：１６５?１６９．

［９］ 劉克旺，金龍國．電工與電子技術應用課程教學改革探究與實踐［Ｊ］．內蒙古煤炭經濟，２０２１（５）：２２５?２２６．

作者簡介：王艷霞（１９８３—），本科，副教授，研究方向：物聯網應用技術。