王琪 鈕燕燕 羅印升 薛波 張陽(yáng) 肖海飛

摘? ? 要：針對(duì)電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)銜接性差、學(xué)生學(xué)習(xí)效率低等問(wèn)題，提出一種基于“理論教學(xué)—案例分析—實(shí)踐教學(xué)”的全新教學(xué)模式。在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間加入案例分析環(huán)節(jié)，發(fā)揮案例分析的橋梁與緩沖作用，使得學(xué)生通過(guò)案例分析充分理解理論知識(shí)，并為后續(xù)實(shí)踐教學(xué)做好鋪墊。列舉的單相交流調(diào)壓電路和直流升降壓斬波電路實(shí)例充分驗(yàn)證了該教學(xué)模式的有效性。

關(guān)鍵詞：電氣;專(zhuān)業(yè)課程;教學(xué)模式;案例分析

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-7394（2021）02-0102-09

電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)屬于老牌工科專(zhuān)業(yè)，在國(guó)內(nèi)外以工科為主的院校中均有設(shè)置。該專(zhuān)業(yè)旨在培養(yǎng)電氣工程、控制工程、信息工程等學(xué)科方向的專(zhuān)門(mén)技術(shù)人才[1]。近年來(lái)，電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)發(fā)展迅猛，人才需求量大，這對(duì)該專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。因此，新形勢(shì)、新常態(tài)下電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程改革勢(shì)在必行[2]。

教學(xué)模式改革屬于電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程改革的一個(gè)重要分支，課程的改革最終需要通過(guò)教學(xué)模式來(lái)體現(xiàn)其有效性，因此新的教學(xué)模式探索顯得至關(guān)重要[3]。當(dāng)前電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)模式普遍存在以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）專(zhuān)業(yè)課程門(mén)類(lèi)繁多，理論教學(xué)難度大，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式不能支撐學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的深刻理解;（2）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)銜接性較差，即學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解尚且模糊，隨后進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)中的技術(shù)性知識(shí)更難掌握。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于案例分析的全新教學(xué)模式，即將案例分析作為一座橋梁，在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間建立有效聯(lián)系。一方面使學(xué)生得以通過(guò)案例分析充分理解理論知識(shí)，另一方面則為后續(xù)相關(guān)實(shí)踐教學(xué)做好鋪墊。

1? ? 教學(xué)模式實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中所提出的基于“理論教學(xué)—案例分析—實(shí)踐教學(xué)”這一教學(xué)模式的有效性，現(xiàn)以電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程“電力電子技術(shù)”中單相交流調(diào)壓電路和直流升降壓斬波電路兩節(jié)內(nèi)容作為實(shí)例驗(yàn)證。所使用教材為王兆安、劉進(jìn)軍主編，機(jī)械工業(yè)出版社出版的《電力電子技術(shù)》（第5版）。

1.1? 單相交流調(diào)壓電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1.1? 單相交流調(diào)壓電路的理論教學(xué)

圖1為單相交流調(diào)壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由輸入交流電[u1]，反向并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管VT1和VT2，以及負(fù)載電阻[R]組成。[uo]和[io]分別表示[R]的輸出電壓和輸出電流[4]。其工作原理可概括為：在交流電源[u1]的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的觸發(fā)延遲角[α]進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)輸出電壓大小。由于[α]采用相位控制，輸出電壓波形為電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓波形相同，因此通過(guò)觸發(fā)延遲角[α]的相位變化即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。

1.1.2? 單相交流調(diào)壓電路的案例分析

為充分理解單相交流調(diào)壓電路的理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)案例分析在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中的橋梁與緩沖作用，本文中基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建單相交流調(diào)壓電路的實(shí)際案例，并進(jìn)行案例分析。

圖2為主電路模型，將交流電通過(guò)變壓器接入電路中，作為主電路的電源，然后用兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)，負(fù)載端選用阻感負(fù)載[5]。

控制電路模型主要用來(lái)控制主電路中晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，如圖3所示，將輸出負(fù)載端的電壓作為反饋與給定值比較，二者的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅器進(jìn)而作為PI（Proportional integral，PI）調(diào)節(jié)器的輸入，將PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與鋸齒波相比較，從而產(chǎn)生一定頻率的PWM（Pulse width modulation，PWM）控制信號(hào)。

單相交流調(diào)壓電路案例分析的仿真結(jié)果如圖4所示，通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角[α]，來(lái)改變負(fù)載端的電壓。圖4（a）為[α]等于0[°]時(shí)負(fù)載電壓波形變壓器的輸出波形，未經(jīng)過(guò)調(diào)壓電路，顯示標(biāo)準(zhǔn)的正弦波;圖4（b）為[α]等于30[°]時(shí)負(fù)載電壓波形，30[°]以前負(fù)載端的電壓值為0，30[°]以后負(fù)載與輸入電源并聯(lián)，電壓值等于電源電壓;同理，當(dāng)[α]等于60[°]、90[°]和120[°]時(shí)的輸出電壓波形，其分析方法與[α]等于30[°]相同。

1.1.3? 單相交流調(diào)壓電路的實(shí)踐教學(xué)

在單相交流調(diào)壓電路的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)搭建硬件實(shí)物[6]，觀察負(fù)載端輸出波形，并與理論教學(xué)和案例分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而進(jìn)一步驗(yàn)證理論教學(xué)與案例分析的有效性。

單相交流調(diào)壓電路的硬件實(shí)物圖如圖5所示，其中，主電路由電源、變壓器、阻感負(fù)載組成，控制電路由直流電壓源、單片機(jī)、運(yùn)算放大器和脈沖變壓器組成，可以對(duì)晶閘管進(jìn)行有效地控制[7]。

單相交流調(diào)壓電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角[α]，利用示波器測(cè)量負(fù)載的波形，見(jiàn)圖6。圖6（a）、圖6（b）分別為[α]等于0[°]和30[°]時(shí)負(fù)載端電壓的輸出波形，不難看出，實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真案例分析中的結(jié)果相吻合，從而驗(yàn)證了案例分析對(duì)實(shí)踐教學(xué)的輔助作用，展現(xiàn)了仿真案例分析在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間的橋梁作用。

1.2? 直流升降壓斬波電路實(shí)例驗(yàn)證

1.2.1? 直流升降壓斬波電路的理論教學(xué)

直流升降壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，為了保證負(fù)載電壓[u0]和電感電流[IL]基本為恒值，在分析電路原理時(shí)假設(shè)電路中的電感電容均為理想狀態(tài)?；竟ぷ髟砜筛爬椋寒?dāng)開(kāi)關(guān)V導(dǎo)通時(shí)，電源E的電流經(jīng)V向電感L充電，電感儲(chǔ)存能量，電源和電感的電流分別為[i1]和[IL]。當(dāng)開(kāi)關(guān)V關(guān)斷時(shí)，電感釋放其之前儲(chǔ)存的能量，電流為[i2]，電容[C]維持負(fù)載端電壓恒定，并向負(fù)載[R]供電。輸出電壓隨著占空比[α]的變化而變化，當(dāng)0<α<1/2時(shí)為降壓模式，當(dāng)1/2<α<1時(shí)為升壓模式，從而實(shí)現(xiàn)直流升降壓的功能。

1.2.2? 直流升降壓斬波電路的案例分析

為充分理解直流升降壓斬波電路的理論知識(shí)，再一次驗(yàn)證仿真案例分析在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中的橋梁作用，本文基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建了直流升降壓斬波電路的仿真案例，并進(jìn)行分析。

直流升降壓斬波電路的主電路模型如圖8所示，包括開(kāi)關(guān)管（Mosfet）、二極管、電感和電容，輸出電壓采用大電容濾波。

控制電路模型如圖9所示，如升壓模式下的給定值18 V與負(fù)載輸出端的電壓實(shí)際值U0進(jìn)行比較，二者的誤差送入PI調(diào)節(jié)器， PI調(diào)節(jié)器的結(jié)果接入限幅器，最后和三角波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生PWM波。

圖10為直流升降壓斬波電路仿真案例分析的結(jié)果：圖10（a）為初始輸入電源電壓，可以看出在很短的時(shí)間內(nèi)輸入電源電壓快速響應(yīng)，并迅速穩(wěn)定在12 V;降壓模式下改變?chǔ)林?，輸出電壓可降? V，見(jiàn)圖10（b）;升壓模式下同樣改變?chǔ)林?，輸出電壓可升?8 V，見(jiàn)圖10（c）。

1.2.3? 直流升降壓斬波電路的實(shí)踐教學(xué)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證直流升降壓斬波電路中理論教學(xué)與案例分析的有效性，本文也搭建了該電路的硬件實(shí)物[8]，如圖11所示：包含主電路和控制電路兩部分;所用的電子元器件包括Mosfet、單片機(jī)、電感和電容等;儀器儀表包含萬(wàn)用表、穩(wěn)壓源和示波器等。

圖12為直流升降壓斬波電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖12（a）為實(shí)驗(yàn)中的輸入電源電壓，接近于12 V;通過(guò)改變單片機(jī)中輸出PWM波的占空比，使得占空比降低，電壓隨之逐漸降低，當(dāng)占空比變?yōu)?3%左右時(shí)，得到降壓模式下的輸出電壓6 V，見(jiàn)圖12（b）;而當(dāng)控制占空比升高時(shí)，電壓亦隨之升高，當(dāng)占空比為60%左右時(shí)，得到升壓模式下的輸出電壓18 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真案例分析中的結(jié)果幾乎完全吻合，如圖12（c）所示。

2? ? 結(jié)論

本文提出一種基于“理論教學(xué)—案例分析—實(shí)踐教學(xué)”的全新教學(xué)模式，并通過(guò)電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程“電力電子技術(shù)”中的單相交流調(diào)壓電路和直流升降壓斬波電路兩節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（1）在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間加入仿真案例分析環(huán)節(jié)是可行的，可提高理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的銜接性。

（2）案例分析的橋梁與緩沖作用明顯，既可幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，也可實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)技術(shù)知識(shí)的預(yù)習(xí)。

因此，基于“理論教學(xué)—案例分析—實(shí)踐教學(xué)”的全新教學(xué)模式具有一定的推廣價(jià)值。

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責(zé)任編輯? ? 張棟梁