电气类专业课程教学模式的探索

王琪 钮燕燕 罗印升 薛波 张阳 肖海飞

摘    要：针对电气类专业课程传统教学模式存在的理论教学与实践教学衔接性差、学生学习效率低等问题，提出一种基于“理论教学—案例分析—实践教学”的全新教学模式。在理论教学和实践教学之间加入案例分析环节，发挥案例分析的桥梁与缓冲作用，使得学生通过案例分析充分理解理论知识，并为后续实践教学做好铺垫。列举的单相交流调压电路和直流升降压斩波电路实例充分验证了该教学模式的有效性。

关键词：电气;专业课程;教学模式;案例分析

中图分类号：G642                 文献标识码：A               文章编号：2095-7394（2021）02-0102-09

电气类专业属于老牌工科专业，在国内外以工科为主的院校中均有设置。该专业旨在培养电气工程、控制工程、信息工程等学科方向的专门技术人才[1]。近年来，电气类专业发展迅猛，人才需求量大，这对该专业的人才培养提出了更高的要求。因此，新形势、新常态下电气类专业课程改革势在必行[2]。

教学模式改革属于電气类专业课程改革的一个重要分支，课程的改革最终需要通过教学模式来体现其有效性，因此新的教学模式探索显得至关重要[3]。当前电气类专业课程的教学模式普遍存在以下两个问题：（1）专业课程门类繁多，理论教学难度大，传统的课堂教学模式不能支撑学生对专业知识的深刻理解;（2）理论教学与实践教学衔接性较差，即学生对理论知识的理解尚且模糊，随后进行实践教学，导致实践教学中的技术性知识更难掌握。

针对上述问题，本文提出了一种基于案例分析的全新教学模式，即将案例分析作为一座桥梁，在理论教学和实践教学之间建立有效联系。一方面使学生得以通过案例分析充分理解理论知识，另一方面则为后续相关实践教学做好铺垫。

1    教学模式实例验证

为验证本文中所提出的基于“理论教学—案例分析—实践教学”这一教学模式的有效性，现以电气类专业课程“电力电子技术”中单相交流调压电路和直流升降压斩波电路两节内容作为实例验证。所使用教材为王兆安、刘进军主编，机械工业出版社出版的《电力电子技术》（第5版）。

1.1  单相交流调压电路实验验证

1.1.1  单相交流调压电路的理论教学

图1为单相交流调压电路的拓扑结构，由输入交流电[u1]，反向并联的两个晶闸管VT1和VT2，以及负载电阻[R]组成。[uo]和[io]分别表示[R]的输出电压和输出电流[4]。其工作原理可概括为：在交流电源[u1]的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角[α]进行控制，从而调节输出电压大小。由于[α]采用相位控制，输出电压波形为电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压波形相同，因此通过触发延迟角[α]的相位变化即可实现输出电压的控制。

1.1.2  单相交流调压电路的案例分析

为充分理解单相交流调压电路的理论知识，实现案例分析在理论教学和实践教学中的桥梁与缓冲作用，本文中基于MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建单相交流调压电路的实际案例，并进行案例分析。

图2为主电路模型，将交流电通过变压器接入电路中，作为主电路的电源，然后用两个晶闸管反并联，负载端选用阻感负载[5]。

控制电路模型主要用来控制主电路中晶闸管的导通与关断，如图3所示，将输出负载端的电压作为反馈与给定值比较，二者的误差信号经过限幅器进而作为PI（Proportional integral，PI）调节器的输入，将PI调节器的输出信号与锯齿波相比较，从而产生一定频率的PWM（Pulse width modulation，PWM）控制信号。

单相交流调压电路案例分析的仿真结果如图4所示，通过改变晶闸管的触发角[α]，来改变负载端的电压。图4（a）为[α]等于0[°]时负载电压波形变压器的输出波形，未经过调压电路，显示标准的正弦波;图4（b）为[α]等于30[°]时负载电压波形，30[°]以前负载端的电压值为0，30[°]以后负载与输入电源并联，电压值等于电源电压;同理，当[α]等于60[°]、90[°]和120[°]时的输出电压波形，其分析方法与[α]等于30[°]相同。

1.1.3  单相交流调压电路的实践教学

在单相交流调压电路的实践教学环节中，通过搭建硬件实物[6]，观察负载端输出波形，并与理论教学和案例分析的结果进行对比分析，从而进一步验证理论教学与案例分析的有效性。

单相交流调压电路的硬件实物图如图5所示，其中，主电路由电源、变压器、阻感负载组成，控制电路由直流电压源、单片机、运算放大器和脉冲变压器组成，可以对晶闸管进行有效地控制[7]。

单相交流调压电路的实验结果如图6所示，通过改变晶闸管的触发角[α]，利用示波器测量负载的波形，见图6。图6（a）、图6（b）分别为[α]等于0[°]和30[°]时负载端电压的输出波形，不难看出，实践教学中的实验结果与仿真案例分析中的结果相吻合，从而验证了案例分析对实践教学的辅助作用，展现了仿真案例分析在理论教学和实践教学之间的桥梁作用。

1.2  直流升降压斩波电路实例验证

1.2.1  直流升降压斩波电路的理论教学

直流升降压斩波电路的拓扑结构如图7所示，为了保证负载电压[u0]和电感电流[IL]基本为恒值，在分析电路原理时假设电路中的电感电容均为理想状态。基本工作原理可概括为：当开关V导通时，电源E的电流经V向电感L充电，电感储存能量，电源和电感的电流分别为[i1]和[IL]。当开关V关断时，电感释放其之前储存的能量，电流为[i2]，电容[C]维持负载端电压恒定，并向负载[R]供电。输出电压随着占空比[α]的变化而变化，当0<α<1/2时为降压模式，当1/2<α<1时为升压模式，从而实现直流升降压的功能。

1.2.2  直流升降压斩波电路的案例分析

為充分理解直流升降压斩波电路的理论知识，再一次验证仿真案例分析在理论教学和实践教学中的桥梁作用，本文基于MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建了直流升降压斩波电路的仿真案例，并进行分析。

直流升降压斩波电路的主电路模型如图8所示，包括开关管（Mosfet）、二极管、电感和电容，输出电压采用大电容滤波。

控制电路模型如图9所示，如升压模式下的给定值18 V与负载输出端的电压实际值U0进行比较，二者的误差送入PI调节器， PI调节器的结果接入限幅器，最后和三角波进行比较，从而产生PWM波。

图10为直流升降压斩波电路仿真案例分析的结果：图10（a）为初始输入电源电压，可以看出在很短的时间内输入电源电压快速响应，并迅速稳定在12 V;降压模式下改变α值，输出电压可降为6 V，见图10（b）;升压模式下同样改变α值，输出电压可升为18 V，见图10（c）。

1.2.3  直流升降压斩波电路的实践教学

为了进一步验证直流升降压斩波电路中理论教学与案例分析的有效性，本文也搭建了该电路的硬件实物[8]，如图11所示：包含主电路和控制电路两部分;所用的电子元器件包括Mosfet、单片机、电感和电容等;仪器仪表包含万用表、稳压源和示波器等。

图12为直流升降压斩波电路的实验结果：图12（a）为实验中的输入电源电压，接近于12 V;通过改变单片机中输出PWM波的占空比，使得占空比降低，电压随之逐渐降低，当占空比变为33%左右时，得到降压模式下的输出电压6 V，见图12（b）;而当控制占空比升高时，电压亦随之升高，当占空比为60%左右时，得到升压模式下的输出电压18 V，实验结果与仿真案例分析中的结果几乎完全吻合，如图12（c）所示。

2    结论

本文提出一种基于“理论教学—案例分析—实践教学”的全新教学模式，并通过电气类专业课程“电力电子技术”中的单相交流调压电路和直流升降压斩波电路两节内容进行了实例验证，得到如下结论：

（1）在理论教学和实践教学之间加入仿真案例分析环节是可行的，可提高理论教学与实践教学的衔接性。

（2）案例分析的桥梁与缓冲作用明显，既可帮助学生加深对理论知识的理解，也可实现学生对技术知识的预习。

因此，基于“理论教学—案例分析—实践教学”的全新教学模式具有一定的推广价值。

参考文献：

[1] 张良力， 王斌， 陈华丽， 等. 电气专业导论研讨课教学设计与课程实施[J]. 教育教学论坛， 2020（32）： 141-142.

[2] 黄秀玉. 中职农村电气技术专业教学模式改革探析[J]. 新课程教学，2020（12）： 77.

[3] 罗昕， 魏海燕. 高职院校电气自动化专业工学结合教学模式[J]. 电子制作， 2020（12）： 64-65.

[4] 欧阳峰. 晶闸管单相交流调压电路的设计及仿真[J]. 数码世界， 2017（12）： 75-76.

[5] 谢积锦， 李红星， 何永玲， 等. 单相交流调压阻感负载电路的仿真教学研究[J]. 山东化工， 2020（5）： 177-178.

[6] 郑富豪， 郭秀娟， 魏立明. 交流电力控制中的单相交流调压电路[J]. 黑龙江科技信息， 2016（15）： 71.

[7] 张阳. 单相交流调压器设计[D]. 常州： 江苏理工学院， 2018.

[8] 肖海飞. 升降压斩波电路设计[D]. 常州： 江苏理工学院， 2018.

责任编辑    张栋梁