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。為了高效地利用在線平臺實現(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)計方案，以單相半波整流知識點為例，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)過程做了探索與實踐。實踐表明，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。

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，在該課程的長期教學(xué)中，因課程內(nèi)容理論性、工程性要求極強，致使學(xué)生為考試而考試、試后又全部遺忘，專業(yè)技能無法提高[2]。除此之外，工科院校著力于培養(yǎng)適應(yīng)新形勢需求的專業(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)中如何激勵學(xué)生獲得一定的科研能力與科研技巧也成為一大難點[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)計線上與線下教學(xué)，將兩者有機配合起來[4]。總而言之，混合式教學(xué)應(yīng)該更進一步地向適應(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)課程改革需要更進一步推進[5]。

“電力電子技術(shù)”課程難度大、實踐強，在推動混合式教改中，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)約實驗成本，又可對抽象問題直觀化，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，它不失為一個有效的實驗路徑。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，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

1.1　設(shè)計思想

（1）在線平臺設(shè)計。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)過了兩輪的建設(shè)與運維，課程采用“優(yōu)慕課”在線教育平臺進行建設(shè)，平臺下設(shè)有課程基本信息、單元學(xué)習(xí)、課程資源、課程活動、隨堂教學(xué)及課程問題討論等。在單元學(xué)習(xí)中按章節(jié)小節(jié)劃分知識點。為了融入仿真教學(xué)內(nèi)容，在需要引入仿真教學(xué)的知識點章節(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。每個重點及難點在單元學(xué)習(xí)相應(yīng)知識點中下設(shè)知識點導(dǎo)學(xué)、教學(xué)視頻、討論區(qū)及小作業(yè)。依托在線平臺實現(xiàn)知識點總結(jié)、實驗演示及作業(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)生相互之間的互動交流。

1.2　總體架構(gòu)

混合式教學(xué)設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。混合式教學(xué)設(shè)計包含3個核心階段：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，以此收集重難點問題；課中以課堂教學(xué)為主，采用“優(yōu)慕課”平臺輔助功能（如簽到、隨堂小測、課件等）；課后則重點體現(xiàn)對知識點的再次升華，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)、知識點導(dǎo)學(xué)等）再次總結(jié)知識點，學(xué)生可以在在線平臺上傳實驗報告，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)計架構(gòu)

2　課程實踐

“電力電子技術(shù)”課程授課過程中學(xué)生普遍反映出對變流技術(shù)理解不夠透徹，對知識與知識之間缺乏整體概念。例如整流電路，只知其是將交流轉(zhuǎn)換為直流，而不能理解開關(guān)器件在變流時是如何觸發(fā)的。除此之外，課程授課學(xué)時有限導(dǎo)致課程內(nèi)容無法在有限的時間發(fā)揮無限的效能。因此，可以利用線上資源去彌補學(xué)生理論知識和綜合知識的不足。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)實踐。

2.1　混合教學(xué)設(shè)計

（1）課前。在在線平臺發(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，剩余40分鐘以面授方式對“單相半波可控整流電路”的電路、工作原理、波形分析進行講授，并且借助在線平臺完成簽到、點名回答問題、隨堂小測等。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)詳細視頻，引導(dǎo)學(xué)生從視頻教學(xué)中掌握理論知識要點；二是發(fā)布課程作業(yè)——實際操作完成仿真實驗，并完成實驗報告；三是討論區(qū)設(shè)疑，并收集、回答討論區(qū)問題；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理論知識的重難點講解，而往往無法使學(xué)生建立深層次、系統(tǒng)化的知識體系。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，但是對電路是如何構(gòu)建的、驅(qū)動晶閘管導(dǎo)通的驅(qū)動電路是怎樣的工作的、晶閘管觸發(fā)脈沖信號與觸發(fā)角的關(guān)系是怎樣的、同步觸發(fā)信號如何構(gòu)建的等問題，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，晶閘管（Detailed Thyristor）的門極觸發(fā)信號往往給一個高于其門檻電壓的值即可。再加上在線下實驗中，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輸入大于0的值即可觸發(fā)，等于0則無觸發(fā)。但是這與實際不符，因為晶閘管的觸發(fā)脈沖信號的強弱與否與觸發(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隨著時間的推移也有可能會產(chǎn)生一定偏移。因此，晶閘管觸發(fā)電路就顯得極為抽象，仿真實驗中，需要根據(jù)整流變壓器實際的電壓輸入信號制作與之完全同步的觸發(fā)信號供給晶閘管。

按照圖3所示，在半個工頻周期內(nèi)，即0.01 s的時間內(nèi)，積分器的輸出值要達到5，觸發(fā)角α要達到180o。當(dāng)Constant設(shè)置為50時，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

運行仿真，觀察系統(tǒng)模型中的主要信號，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，由pulse可看出正好觸發(fā)角α=90o。如圖5所示為觸發(fā)角30°時的電路波形。

圖4 模型中的主要信號關(guān)系圖

圖5 α=30o時波形分析

由以上單相半波可控整流—同步觸發(fā)電路仿真實驗過程，學(xué)生在Matlab/Simulink中建立該模型，建模型的同時，學(xué)生再次對主電路以及晶閘管的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)得以深入理解，同時也了解到實際生產(chǎn)生活中構(gòu)建一個完整的系統(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)置對實驗仿真的影響，同時也理解了晶閘管觸發(fā)脈沖信號與觸發(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，仿真運行，展示了Us、Ud、ir、Ur以及觸發(fā)脈沖的波形，由此驗證了波形與理論講授相符。學(xué)生通過這一實驗仿真“回看”課堂的理論知識，不僅加深了對知識點的理解，而且從側(cè)面也使學(xué)生獲得了學(xué)習(xí)目標(biāo)達成的滿足感，激發(fā)了興趣，獲得了科研的動力。

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，視頻資源詳細展示實驗?zāi)繕?biāo)、實驗方法、實驗原理及實驗步驟等核心內(nèi)容。仿真教學(xué)欄目中還設(shè)置了知識點導(dǎo)學(xué)、討論區(qū)及小作業(yè)等子欄目，方便學(xué)生鞏固知識點、交流互動、上傳作業(yè)等。

2.3　教學(xué)效果分析

自2020年開始學(xué)校“電力電子技術(shù)”課程實施混合式教學(xué)，已經(jīng)過兩輪教學(xué)實踐。為了便于教學(xué)實驗對比分析，本文將2019級兩個班——19級電氣1班和19級電氣2班做一對比分析。19級電氣1班56人，該班教學(xué)方法既采用了“優(yōu)慕課”平臺，也實施了混合了仿真教學(xué)的教學(xué)設(shè)計方法；而19級電氣2班60人只采用了“優(yōu)慕課”平臺，未采用仿真教學(xué)輔助教學(xué)。分析兩個班級學(xué)生的期末考試成績，對比分析結(jié)果如圖6所示。由此可以看出，19級電氣1班的高分段人數(shù)比19級電氣2班多，主要原因是高分段學(xué)生普遍學(xué)習(xí)能力強，能夠有效學(xué)習(xí)到線上教學(xué)資源的知識。據(jù)平臺數(shù)據(jù)顯示，這部分學(xué)生在仿真教學(xué)討論區(qū)與老師互動多且提交的實驗報告質(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

本文依托“優(yōu)慕課”在線教育平臺實現(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)，對其進行了探索與實踐，得到了以下結(jié)論。

（1）以simulink平臺上實現(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，將一個抽象、綜合性實驗通過仿真模型構(gòu)建、參數(shù)設(shè)置及波形分析等步驟具體實現(xiàn)，學(xué)生通過實驗過程理解了晶閘管觸發(fā)脈沖信號與觸發(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)問題，同時學(xué)生也積累了一定的實驗經(jīng)驗和科研技巧。

（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”的融合，在混合式教學(xué)中融入虛擬仿真，彌補理論教學(xué)中無法解決的知識模塊化、抽象化問題，使得專業(yè)知識綜合化、系統(tǒng)化，在專業(yè)課的理論教學(xué)中起到輔助作用。同時，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)實踐的實驗數(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，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.

[2] 趙濤，徐友，高金鳳，等. 一流課程建設(shè)背景下的課程思政教學(xué)實踐: 以《電力電子技術(shù)》課程為例[J]. 中國電力教育，2021(7): 48-49.

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[7] 陳海郎. 基于云課堂的混合式教學(xué)設(shè)計與應(yīng)用實踐研究[J]. 計算機教育，2019(12): 97-101.

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年重點課程建設(shè)項目《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)機電工程學(xué)院講師，碩士，研究方向為電氣工程。

王關(guān)平（1975－），男，寧夏固原人，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院教授，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)電氣化。