电力电子技术课程辅助教学系统的设计与实现

2019-04-28陈新河刘艳丽汪世义

安庆师范大学学报(自然科学版) 2019年1期

陈新河，刘艳丽，邵瑞，汪世义

（巢湖学院电子工程学院，安徽巢湖238000）

电力电子技术是一门以电力电子器件对电能进行控制和转换技术的科学，它在自动化、能源、环保和交通运输等方面有着重要作用[1-2]。该课程因波形图多、图形复杂、公式多、实践性强被公认为电气工程等专业的“困难”课程。为提高该课程的教学效果和学生的实践能力，高校相关教师分别从教学内容、教学方法、教学手段和实践教学等方面进行改革和实践[2-6]，并取得了一定的效果，但仍未能充分发挥学生的主观能动性、未能充分利用网络资源、未能利用学生的课外时间、未能形成专业而综合的教学系统。基于此特点，并结合其他课程计算机辅助教学研究和实践的经验[7-10]，本文提出了一种基于网络数据、Active X控件和应用软件嵌入的电力电子技术课程的辅助教学系统。

1 教学系统设计

该辅助教学系统采用客户(Client)/服务器(Server)的设计理念。系统相关的资源和数据被储存在网络服务器（网端数据库）中，客户（学生）通过操作要求将所需资源加载到客户端本地，以图像、声音和动画等相应媒体响应，并将必要的数据上传至网端数据库中存储。

根据电力电子技术课程教学的实际需要，将该教学系统主要分为理论知识、实践知识和知识练测等三大子系统，具体模块划分如图1所示。三大子系统分别对应于课程理论知识、课程实践知识和课程知识评价。进入系统学习前，利用登录模块登记和管理合法用户信息。理论知识学习子系统包含系统知识模块、典型知识模块和动画演示模块，分别对课程知识的细节、重点和难点进行展开；实践知识学习子系统包括电力电子器件参数模块、典型电路计算模块、实验参考模块和网络查询模块，分别从元器件、计算、实验和新知识联系实践；知识练测评价子系统包括知识练习模块和知识测试模块，分别完成知识的反复练习和最终评价等功能。

1）登录模块：该模块进行用户注册、用户登录和用户管理。普通用户在该模块中可以完成注册和登录功能；管理员通过“管理”按钮登录后，在弹出对话框中利用账号或姓名可对用户账号、姓名和密码等进行删除、修改和权限修改等操作。

2）理论知识子系统：该部分包含系统知识、典型知识和动画演示3个功能模块。系统知识模块将存储在数据库中PPS格式的电力电子技术知识文件加载到客户端，按照用户指定的章节详细展示；典型知识模块是将各个章节的重点知识以图片、公式和总结性语句提供给用户浏览学习。课程知识中的难点利用动画演示模块来突破，课程中难以理解的电路中的能量流动、能量交互、波形形成和公式关系都直观地显示出来，既可以观察瞬间状态，也可以考量整体变化过程。

3）实践知识子系统：该部分包括器件参数模块、典型计算模块、实验参考模块和网络查询模块。器件参数模块为电力电子电路设计时选择主器件提供参数查询方便，使用时输入主器件类型，在弹出的主器件详细列表中选择具体的主器件，即可在用户界面中查阅该器件的参数。典型计算模块是对电力电子技术课程中常见的典型电路进行辅助计算，该模块根据用户选择电路类型和输入参数，给出计算结果和相关电路图等信息，其操作流程如图2所示。实验参考模块为用户提供了电力电子技术各个实验的实验目的、实验原理、实验步骤、实验思考题、实验电路和实验注意事项等信息，用户只要选定某个具体的实验项目，其对应的相关信息就会在用户界面上显示。网络查询模块是为避免新知识、新元器件未被包含入该系统中而加入，用户通过模块中嵌入的搜索工具，对未知知识进行网络查询，其返回的查询结果显示在系统界面供用户参阅学习。

图1 系统功能模块划分图

图2 典型计算操作流程图

4）知识练测子系统：该部分包括知识练习模块和知识测试模块，其中试题库的组织、试题的抽取和测试评判是该部分的核心部分。试题库中各章节的试题比例是按教学大纲中各章节在整体教学中的比重进行分配，如“整流电路”章节教学占整个教学量的20%，则该章节习题数应该为整个习题库习题的20%左右；习题库中习题类型包括选择题、判断题和简答题等；各习题的题干、选项和答案分别被存储在数据库中各记录的相应字段中。知识练习时，系统根据学生所选知识点章节，在对应的习题库中随机抽取习题，并在学生作答后给出习题的正确答案，用文字和声音提示作答是否正确；知识测试时，系统根据各章节知识点的比重在对应习题库中随机抽取相应量的测试试题（如“整流电路”部分将抽取20题作为测试试题），学生作答完毕或学生主动停止测试后，系统结合学生作答结果和试题正确答案，将测试的结果分析提供给学生，并对学生测试成绩进行更新。其中测试结果分析主要包含测试总习题数、正确习题数、错误习题数、测试成绩等。

2 技术实现

2.1 交互操作

交互操作一般需要通过ActiveX技术实现，该技术通常通过可被嵌入的ActiveX控件进行界面开发，可以简化开发难度，降低开发成本，增加程序的移植性[5]。本教学系统为简化用户操作、提高用户体验、构建良好的人机交互界面，利用ActiveX控件实现用户输入和系统反馈的双向互动。其中用户输入操作采用选项卡控件实现不同模块间的选择和转换，按钮实现选择和确认，单选按钮和组框实现单选，多选框控件实现多选，编辑框实现文本输入，树形控件和列表框实现目录显示和选择等。系统响应输出采用文本框和图片框分别实现文字和图片的显示，通过动画控件实现动画的播放等。使用ActiveX控件进行具体程序开发时，一般需要进行对控件对象的建立、注册、修改属性、绑定变量以及对控件进行方法的实现和调用等操作。

2.2 应用软件嵌入

为更完整、更全面地展现电力电子技术课程的相关学习资料、丰富课程的学习方式、降低课程的学习难度，系统设计利用Microsoft Office PowerPoint、Adobe Reader、Flash Player和Internet Explorer11等应用软件的嵌入，完成对PPT、PDF、SWF和网络资源进行操作。这些应用软件并未集成到开发平台，或者集成到开发平台的控件版本比较低，需要一些特殊的处理才能完成相应程序的使用和操作。下边以PowerPoint嵌入为例，介绍应用软件在系统中嵌入方法和步骤。

第1步：安装应用软件。在教学系统开发的操作系统中安装应用软件（Microsoft Office2013），保证该系统中存在支持PowerPoint创建和使用的类库。

第2步：加入类库。在开发的系统中加入PowerPoint所需要的类库。通过“项目”菜单中的“添加类”菜单项，选择“TypeLib”中的“MFC类”，在注册表中选择“Microsoft PowerPoint 15.0 Object Library”类库，从其对应的接口中选择“_Application、Presentations”等7个接口加入右侧，确定完成后，就会在教学系统开发的项目中形成与上述接口对应的“CApplication”和“CPresentations”等7个类。

第3步：添加头文件并建立对象。在需要使用PowerPoint应用软件的界面对应的类中加入这些类对应的头文件，并为其建立对象。本系统在“PPSStudy”类中添加了“CPresentation.h”“CPresentations.h”和“CSlide.h”等7个头文件，并建立与之对应的“app”“presentation”等7个类的对象。

第4步：添加操作控件，实现操作方法。在操作界面上添加相应操作控件，如“打开”“下一页”等操作按钮，并对这些按钮实现操作方法。如“打开”按钮的实现方法，利用打开文件对话框“CFileDialog”类的“FileDlg（）”方法打开一个“.PPT”或“.PPS”为后缀的文件，待验明文件的合法性后，通过“CApplication”类的对象“app”的“get_Presentations（）”打开PPT应用程序，将获得的应用程序句柄赋值给“CPresentations”类的对象“presentations”，利用该对象的“OpenOld（）”方法，打开所选定的PPT文件。

3 界面实例

打开辅助教学系统，通过登录进入学习界面，如图3所示。整体界面包括标题栏、学习模块选择区和客户操作区。学习模块分别为系统知识模块、元件参数模块、典型知识模块、动画演示模块、典型计算模块、联网查询模块、知识练习模块和知识检测模块等。系统知识模块是对电力电子技术课程知识系统性学习的模块，其中包含该课程的各个知识点，涵盖知识要点、知识重点、知识难点和知识的应用介绍。通过选择模块左侧的课程章节节点知识导航，配合使用界面上的各种操作按钮，来打开和浏览章节的详细知识。

图4显示为典型计算模块界面，该模块为方便使用者快速而准确计算电力电子技术中典型电路的电路参数而设立。该模块同时具备相应电路计算和学习功能。在计算时不但帮助计算电路参数，而且展示该电路的电路结构和计算公式，方便使用者知道内部如何进行计算，理解其中原理。使用过程中，首先选择相应的电路类型，然后在对应的参数框中填入相应的已知参数，点击“计算参数”按钮，模块就会计算出电路参数，并展示电路结构和计算公式。