“新工科”背景下電力電子輔助教學平臺設計與實踐研究

王德光 陳心怡

摘要 針對“電力電子技術”課程實驗設備價格高昂和難以充分培養學生綜合實踐能力的問題，文章基于MATLAB GUI/Simulink開發環境，設計了一個面向新工科的電力電子輔助教學平臺，可用于學生自主學習和探索，解決學生動手能力弱的問題。將該新型教學模式在本科生中進行實踐研究，結果表明該授課方式能明顯提高學生的學習興趣和動手實踐能力。

關鍵詞 電力電子技術；可視化教學；虛擬仿真平臺；人機交互界面

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.021

“電力電子技術”是電氣工程、自動化和測控等專業本科生必修的一門專業主干課程。該課程教學的主要目的是使學生在掌握電力電子器件知識的基礎上，研究如何實現不同形式電能的高效轉換、穩定調節和控制[1]。該課程具有較強的理論性、實踐性和綜合性，采用傳統的教學模式授課無法調動學生的學習興趣和培養學生的動手實踐能力[2]。

新工科是以“工程實踐能力”為核心的一種工科教育模式，其要求學生在完成驗證性實驗的基礎上，能夠運用綜合知識，將電力電子基礎理論知識與電力電子工程技術相結合，將電氣系統與電子系統、控制系統相結合，加強電力電子和電力傳動與自動控制系統的進一步結合[3]。在電力電子技術課堂上，為貫徹“新工科”教育理念，教師應綜合培養學生實驗、分析、測試以及設計電力電子變換器控制系統的綜合實踐能力。由于受到實踐課程學時限制和實驗設備的局限性，難以充分培養學生的綜合實踐能力，進而出現理論與實踐脫節的現象[4]。因此，迫切需要設計一個直觀、高效的電力電子輔助教學平臺，促進學生的自主學習和探索，改善教學效果和培養學生的綜合實踐能力[5]。

電力電子電路的計算機仿真方法是構建電力電子輔助教學仿真平臺的基礎[6]。本文基于MATLAB /Simulink和圖形用戶界面（Graphical User Interface， GUI）設計了一個電力電子教學輔助仿真平臺。該平臺包括主界面、人機交互界面和仿真界面，涵蓋了交流電與直流電相互轉換的四種變流電力電子電路，為學生提供一個可以快速完成電路搭建的軟件平臺。同時，該平臺提供了開放的電路拓撲結構設計功能與參數調節功能，結合數據分析模塊，有助于學生理解和掌握綜合電力電子基礎理論與電力電子工程技術。

1電力電子教學輔助平臺總體設計

基于MATLAB/GUI和Simulink的開發環境，本文設計的電力電子教學輔助平臺采用自上而下的人機交互界面設計和回調函數驅動實現仿真，以此達到程序代碼與事件交互的目的。利用Simulink搭建主電路的拓撲結構，設置其相應的參數值；通過GUIDE設計用戶界面GUI達到預期的功能需求，按照事件驅動原則編寫控件的回調函數，最后通過m函數文件實現Simulink與GUI之間的參數傳遞和繪圖顯示。該平臺GUI設計流程如圖1所示。

輔助教學平臺的四個主要模塊包括示例電路模塊、控制信號自主設計模塊、主電路自主設計模塊和數據分析模塊。為適應電力電子技術課程的教學理論目標與實驗要求，在示例電路模塊中提供了完整的整流、斬波、逆變和調壓電路，以此夯實學生的電路基礎知識。控制信號自主設計模塊、主電路自主設計模塊和數據分析模塊能夠輔助學生進行綜合實驗設計，以此達到學生能夠運用綜合知識，將電力電子基礎理論與電力電子工程技術相結合的教學目標。電力電子輔助教學平臺設計總體框架如圖2所示。

2電力電子教學輔助平臺實現與實踐

本文以三相半波可控整流電路為例，闡述基于MATLAB GUI/Simulink的電力電子輔助教學平臺的人機交互界面展示和示例電路仿真界面（見圖3）。

2.1教學輔助平臺人機交互界面

電力電子教學輔助設計平臺人機交互界面如圖3所示。在“電力電子技術”授課過程中，教師調用示例電路模塊提供的典型電能轉化電路，向學生展示典型電路對應的電路拓撲結構，并進行相關參數的講解與介紹。同時，該平臺為使用者開放了參數設置功能，可通過調節電源、負載和控制參數改變電路的輸出數據結果。

此外，教師可通過提高課程設計的占分比，改變陳舊的考核方式，提升學生的綜合實踐能力和自主創新能力。學生可調用主電路自主設計模塊，選擇合適的元器件，并按照相應的電路拓撲結構進行電路連接，同時設定期望測量的輸出變量，完成上述步驟之后，進行相關參數設置，調用數據分析模塊，進行仿真數據的分析和相關變量波形圖的輸出。

2.2教學輔助平臺仿真界面

三相半波可控整流電路結構簡單、成本低廉，適用于一些對輸出電壓脈動和精度要求不高的場合，比如電動機的直流電源[7]。本文以示例電路模塊中三相半波可控整流電路仿真界面為例，介紹電力電子輔助教學仿真平臺界面的功能模塊和操作步驟。學生可調用圖3所示的人機交互界面，點擊示例電路模塊中三相半波可控整流電路，進入帶有仿真功能的程序平臺，其電路的相關參數均為默認最優值，仿真結果如圖4所示。此外，仿真程序為使用者提供了參數設置功能，學生能夠通過改變電源、負載和控制參數等，觀察相關變量波形圖的變化，完成仿真后，調用數據分析模塊進行仿真數據分析。

3電力電子技術課程改革與實踐

為提升“電力電子技術”課程教育教學質量，調動學生的學習興趣與培養學生的綜合實踐能力，滿足以“工程實踐能力”為核心的新工科教育模式，迫切需要對電力電子技術課程的教學模式和考核方式進行改革[8]。通過課程改革，使學生具備如下能力：①掌握電力電子器件的基礎知識和交流電與直流電相互轉換的四種變流電力電子電路，熟悉操作電力電子教學輔助設計平臺，獨立完成驗證性實驗以及自主設計實驗；②突破實踐課程學時和實驗設備的局限性，以掌握基礎知識為前提，提升綜合實踐能力，將電力電子基礎理論知識與電力電子工程問題相結合，提升學生獨立發現、思考、分析和解決工程問題的能力。

3.1教學模式改革

將單一的傳統講授教學模式轉變為引導與啟發式、實驗與討論式等面向新工科背景下的新型教學模式，充分調動學生的學習興趣與提高學生的綜合實踐能力。

3.1.1引導與啟發式教學

通過引經據典、舉例說明等方式開展緒論課程，強調本課程的現實意義與價值。引導學生舉出身邊采用電力電子技術的例子，激發學生的學習興趣和科學思維。通過實例，讓學生認識到電力電子技術課程在專業課程中的重要性。

3.1.2實驗與討論式教學

本課程的教學目標為培養學生實驗、分析、測試以及設計電力電子變換器控制系統的綜合實踐能力。借助電力電子教學輔助設計平臺和實物實驗教學環節，適當增加實驗環節的占分比，提升學生在實驗課程中的參與感，重點培養學生的動手能力，促進學生學以致用，讓課堂上學到的理論知識“活起來”。此外，為檢驗學生的學習效果，教師可使用“翻轉課堂”的授課模式，讓學生作為課堂的主人翁，通過PPT匯報等形式，展示其知識掌握程度，提升學生學習過程中的可控性、可觀性、靈活性。

3.2考核方式改革與實踐

大部分高校采用試卷考試的考核方式來檢測學生掌握知識的程度，該考核方式只能檢測學生的應試能力，無法客觀地反映學生動手實踐能力，與以“工程實踐能力”為核心的新工科教育模式不符。為了調動學生的學習興趣和提高其動手實踐能力，引入驗證性和自主設計電路仿真實驗、PPT成果匯報、課程設計報告的考核方式與試卷考試考核方式相結合。將原先平時成績（占比20%）和試卷考試成績（占比80%）改變為平時成績（占比10%）、驗證性和自主設計電路仿真實驗（占比20%）、PPT成果匯報（占比20%）、課程設計報告（占比20%）和試卷考查（30%）的綜合考查模式。

電力電子技術課程改革后的考核方式不僅注重學生對理論基礎知識的掌握，還注重調動學生的學習興趣，從而培養學生的綜合實踐能力，符合新工科的教育理念，使學生成為滿足社會發展與工業生產需求的專業技術人才。電力電子課程教學改革已在貴州大學電氣工程學院自動化專業2020級本科生中試用，結果顯示該年級學生的專業理論知識更加扎實，動手實踐能力明顯增強。

4結語

為適應“新工科”背景下的教學理念，本文基于MATLABGUI/Simulink開發環境，設計了一個電力電子教學輔助平臺，涵蓋了電力電子課程教學大綱要求的教學重難點，同時，學生能夠使用該平臺提供的電力電子器件，自主搭建并完成電能轉化電路的仿真實驗。此外，本文針對電力電子技術課程教學成果不佳等問題，提出“新工科”背景下的教學改革方式，并將其運用到本科生授課環節中。結果表明新型授課方式提高了學生的學習興趣以及綜合實踐能力。

基金項目：貴州省省級科技計劃資助項目（黔科合基礎-ZK[2022]一般103）；貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2022]138號）；貴州大學科研基金資助項目（貴大特崗合字[2021]04號）；貴州省教育廳創新群體（黔科合支撐[2021]012）。

參考文獻

[1]王兆安.電力電子技術（第5版）[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]孫毅超，馮樹先，姜寧秋，等.“電力電子技術”可視化教學平臺設計與實現[J].電氣電子教學學報，2022，44（1）：22-25.

[3]張巧杰，李慧，張利，等.新工科背景下電力電子技術分層實踐教學模式探索[J].中國現代教育裝備，2023（1）：99-101，107.

[4]宗哲英，張旭，郝永強，等.基于MATLAB GUI的電力電子技術虛擬實驗仿真平臺的設計與構建[J].實驗科學與技術，2018，16（3）： 146-149.182.

[5]劉曉紅，于艷.“電力電子技術”課程教學探索及實驗平臺的升級改造[J].科技與創新，2022（24）：120-122，126.

[6]王紅莉，趙琨.淺談計算機仿真軟件在電力電子技術教學中的應用關鍵要素探究[J].信息系統工程，2021（7）：160-162.

[7]鐘穎，榮軍，朱莉波，等.基于MATLAB的三相半波可控整流電路的仿真研究[J].電子技術，2015，44（2）：16-20.

[8]楊明，楊靖，王德光，等.基于工程教育理念的數據采集及處理技術課程教學改革與實踐研究[J].科教文匯（中旬刊）.2021（29）：97-99.