基于雨課堂與Matlab 仿真的農(nóng)業(yè)院校電力電子技術(shù)混合教學(xué)研究

摘要：電力電子技術(shù)作為農(nóng)業(yè)院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修課，包含大量的抽象電路知識(shí)。為了在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)盡可能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將電力電子技術(shù)課程打造成國(guó)家或省級(jí)一流課程，將Matlab仿真引入電力電子技術(shù)課程教學(xué)中，使學(xué)生能夠直觀地理解抽象的知識(shí)。同時(shí)，結(jié)合雨課堂的互動(dòng)方式，開(kāi)展基于雨課堂與Matlab仿真的電力電子技術(shù)混合教學(xué)研究。結(jié)果表明，電力電子技術(shù)課程的教學(xué)效果得到顯著提高，可為其他同類課程的教學(xué)模式改革提供思路。

關(guān)鍵詞：電力電子； 雨課堂； 仿真； 混合教學(xué)

中圖分類號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2024）03-0135-03

電力電子技術(shù)是高校自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修課，內(nèi)容包括電力電子器件、交流-直流變換器、直流-直流變換器、直流-交流變換器和交流-交流變換器的工作原理及其參數(shù)推導(dǎo)公式[1]。但電氣專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感覺(jué)課程內(nèi)容多且抽象，很難在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成課程的學(xué)習(xí)。為此，將Matlab/Simulink軟件引入電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中，通過(guò)搭建電力電子電路仿真模型來(lái)更加直觀地展示電路中各關(guān)鍵參數(shù)的變化情況[2]，從而使學(xué)生更好地掌握抽象的知識(shí)點(diǎn)。但學(xué)生仍需加強(qiáng)對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的課前準(zhǔn)備和課后鞏固[3]，從而更好地將課外學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)有效結(jié)合，提高整體的教學(xué)效果[4]，這也是當(dāng)前電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革亟待解決的問(wèn)題[5-6]。雨課堂作為一種新型的線上智慧教學(xué)工具[7-8]，可以幫助教師更加便利地完成課前及課后教學(xué)活動(dòng)，有助于增進(jìn)教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。因此，在引入Matlab仿真軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合雨課堂，開(kāi)展電力電子技術(shù)課程混合教學(xué)研究，以適應(yīng)新時(shí)代工程技術(shù)人才培養(yǎng)的需求。

1 基于雨課堂和Matlab 仿真的混合教學(xué)設(shè)計(jì)

雨課堂是由學(xué)堂在線與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的智慧教學(xué)工具，可通過(guò)整合課件、視頻、作業(yè)、測(cè)試、討論等教學(xué)資源來(lái)增強(qiáng)課堂教學(xué)體驗(yàn)和師生互動(dòng)，使教學(xué)活動(dòng)更加便利。引入Matlab仿真的教學(xué)模式是利用仿真軟件搭建電路模型，提供電路的仿真過(guò)程，使學(xué)生通過(guò)圖形變化可直觀地理解電路的相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高教學(xué)質(zhì)量。電力電子技術(shù)混合教學(xué)方法包括課前、課中和課后3個(gè)環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.1 課前預(yù)習(xí)

在學(xué)習(xí)課程前，教師對(duì)電力電子技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分類，提煉出適合電路仿真的知識(shí)點(diǎn)，再結(jié)合學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)，錄制關(guān)于仿真電路的視頻，并配有教師講解，以幫助學(xué)生直觀地了解電路關(guān)鍵參數(shù)的變化情況。教師通過(guò)雨課堂將錄制好的視頻推送給學(xué)生，要求學(xué)生完成預(yù)習(xí)任務(wù)。為測(cè)試學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，可在雨課堂上布置一些與電路相關(guān)的問(wèn)題，再推送給學(xué)生。學(xué)生回答問(wèn)題后，點(diǎn)擊提交，平臺(tái)將自動(dòng)評(píng)分并顯示正確答案。在這一過(guò)程中，學(xué)生可以及時(shí)了解自己對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握情況，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出一些需要解決的難點(diǎn)，使課前預(yù)習(xí)更加全面。教師通過(guò)雨課堂對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果進(jìn)行分析，并反饋預(yù)習(xí)結(jié)果，從而更好地開(kāi)展課堂教學(xué)。

1.2 課中教學(xué)

教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，組織學(xué)生以小組形式交流和討論預(yù)習(xí)結(jié)果，總結(jié)學(xué)習(xí)要點(diǎn)和遇到的共性問(wèn)題，其他小組學(xué)生也可以對(duì)相關(guān)問(wèn)題發(fā)表意見(jiàn)或提出解決方案。在此過(guò)程中，教師提供有效的引導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)，以加深學(xué)生對(duì)重點(diǎn)及難點(diǎn)知識(shí)的理解。這種交流與討論可以有效促進(jìn)師生之間的互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的自主探索意識(shí)。在小組討論中，教師以鼓勵(lì)和肯定為主，引導(dǎo)學(xué)生朝著正確的方向，找到錯(cuò)誤源。同時(shí)，重點(diǎn)講解學(xué)生的常見(jiàn)問(wèn)題，對(duì)非常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)輔導(dǎo)，此時(shí)，初步完成教學(xué)計(jì)劃。引入Matlab下Simulink電力電子模塊庫(kù)中的相關(guān)模塊，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整電力電子仿真電路的負(fù)載和參數(shù)設(shè)置等，并融入一些開(kāi)放性的與電力電子電路相關(guān)的任務(wù)或問(wèn)題，讓學(xué)生帶著任務(wù)或問(wèn)題完成相應(yīng)的電路仿真過(guò)程，可在理解相關(guān)電路知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力，完成教學(xué)計(jì)劃。

1.3 課后復(fù)習(xí)

為評(píng)估學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度，應(yīng)改進(jìn)傳統(tǒng)的線下課后作業(yè)方式。教師通過(guò)雨課堂給學(xué)生布置不同難易程度的課后作業(yè)，以測(cè)試學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。學(xué)生完成作業(yè)后，教師通過(guò)雨課堂對(duì)作業(yè)完成情況進(jìn)行分析，以了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，同時(shí)可幫助教師進(jìn)行教學(xué)總結(jié)，更好地調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)方案，最終形成良好的教與學(xué)循環(huán)，提高教學(xué)效果。

2 混合教學(xué)模式的實(shí)施過(guò)程

以單相橋式全控整流電路為例，展示基于雨課堂和Matlab仿真的課堂教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施過(guò)程。

2.1 課前

將單相橋式全控整流電路的仿真電路及其仿真過(guò)程的講解視頻發(fā)布到雨課堂所在班級(jí)，同時(shí)設(shè)置一些有探究性的判斷題和選擇題。單相橋式全控整流電路的仿真電路如圖2所示。

問(wèn)題1：通過(guò)仿真講解視頻，將交流電壓直接輸入該電路能否達(dá)到整流效果？

問(wèn)題2：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐芬獙?shí)現(xiàn)整流，圖2電路中的4個(gè)晶閘管，VT1～VT4的導(dǎo)通順序是下面哪個(gè)選項(xiàng)？

（A）VT1先導(dǎo)通，180°后VT2導(dǎo)通；（B）VT1、VT4同時(shí)導(dǎo)通，180°后VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通；（C）VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，180°后VT3、VT4同時(shí)導(dǎo)通。

輸入電壓的波形如圖3所示。輸出電壓的波形如圖4所示。

問(wèn)題3：輸入電壓的波形經(jīng)過(guò)整流后得到的輸出電壓的波形是圖4中的哪個(gè)選項(xiàng)？

通過(guò)課前的預(yù)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步掌握單相橋式全控整流電路實(shí)現(xiàn)整流的方法，但還沒(méi)有深入研究單相整流電路中整流輸出電壓和電流隨負(fù)載性質(zhì)不同而產(chǎn)生的變化情況。

2.2 課中

為討論單相橋式全控整流電路中整流輸出電壓和電流隨負(fù)載性質(zhì)不同而產(chǎn)生的變化情況，在電路中接入阻感性負(fù)載的仿真電路，并由學(xué)生分組探究電感對(duì)電路電流的阻礙作用、改變觸發(fā)延遲角α的大小，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生深入思考觸發(fā)角對(duì)整流電壓和電流波形的影響，探究整流輸出電壓和電流波形隨電感值的變化情況。通過(guò)討論和探究，學(xué)生可以直觀地了解整流電路輸出電壓和電流隨負(fù)載性質(zhì)不同而產(chǎn)生的變化情況。阻感性負(fù)載的單相橋式全控整流電路如圖5所示。

2.3 課后

通過(guò)雨課堂給學(xué)生布置單相橋式全控整流電路的課后習(xí)題，以幫助學(xué)生鞏固課堂知識(shí)。學(xué)生完成雨課堂課后習(xí)題情況如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

為驗(yàn)證基于雨課堂與Matlab仿真的電力電子技術(shù)課程的教學(xué)效果，在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)2021—2022學(xué)年的秋季學(xué)期為2019級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生上課時(shí)，采用傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式作為對(duì)照；在2022—2023學(xué)年的秋季學(xué)期為2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生上課時(shí)，采用基于雨課堂與Matlab仿真的混合教學(xué)模式。課后對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果表明，基于雨課堂與Matlab仿真相結(jié)合的教學(xué)方法貫穿課前、課中和課后全過(guò)程，加強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的熱情，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到有效提高，實(shí)現(xiàn)了課程的教學(xué)目標(biāo)，滿足了更深層次培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求。綜上所述，基于雨課堂與Matlab仿真的混合教學(xué)模式在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的電力電子技術(shù)課程中取得了積極成效，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，更重要的是其能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新精神，可為培育出新時(shí)代的創(chuàng)新型工程人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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