专业认证背景下电力电子技术实验教学改革探索*

2022-06-25严慧敏杨天烨

中国教育技术装备 2022年24期

严慧敏杨天烨

摘要以专业认证对创新型人才与复合型人才培养的要求为目标，基于新购置的电力电子实验平台，采用仿真技术与模糊数学进行电力电子技术实验教学改革。通过仿真模型搭建、仿真参数设置、软件编程在线测试，将课程内容和实践环节相结合，满足线上线下教学要求，提高学生的创新创业能力；在综合考虑影响实验考核各因素及其权重的基础上，应用模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，建立实验考核模型，有效激发学生的实验积极性，促进教学目标达成。

关键词专业认证；电力电子技术；实验教学；模糊综合评价；教学改革；仿真实验

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0135-05

0 引言

电力电子技术是电气类和自动化类专业的核心课程，理论性、综合性、应用性强，是横跨电子学、电力学、控制学的交叉学科[1]。电力电子技术被广泛应用于电力系统直流输电、新能源发电等领域，渗透科技、国防、经济、生活等各个领域。实验教学是理论教学的补充与提高，可以让学生加深理解理论知识，在创新型人才培养中发挥着举足轻重的作用[2-5]。

专业认证是河海大学自动化及电气专业建设迎来的重大发展机遇。以认证促改革，修订培养计划及教学大纲，进一步规范专业人才培养体系和各教学环节，使专业人才培养质量保证体系符合国际互认标准。通过专业认证，为本专业的国际影响力奠定基础。2020年初新冠疫情暴发，学校要求在防控期间一律采取线上教学。学校有不少国外留学生，考虑到国外的防控情况，留学生一律采用线上教学的方式完成学习任务。因此，基于专业认证要求，防控时期线上线下教学呈现常态化，教师要做好线上线下授课的双重准备。

1 实验教学现状

教师上实验课时首先讲解实验过程及实验中的注意事项，学生根据实验指导书完成实验内容。这种模式存在以下弊端：

1）实验按实验指导书的要求完成，一般为验证性实验，创新能力培养不够；

2）电力电子实验由于电压较高，对实验操作过程的正确性要求很高，虽然实验前强调了注意事项，但仍存在器件损坏现象；

3）实验现场时间有限，教师不能科学合理考核每个学生的实践能力，很难提高学生积极性。

2020年，河海大学电力电子实验室在“中央高校改善办学条件专项资金”支持下，购置MCL-III电力电子及电气传动实验装置，每台实验装置均配一台电脑，实验条件得到较大改善。该实验系统使用几个大型开发设计软件，主要有MATLAB、LabVIEW 8.5和CCS3.3，由这些软件共同参与实验的运行。如在MATLAB的Simulink独特的模型文件的支持下，能够构建多种电路的仿真实验。实验者可以根据自己对系统和编程的理解，修改原有提供的MDL模型文件或建立新的MDL文件，实现新的算法和思路。

2 实验教学改革探索

2.1 实验内容改革

为了满足专业认证中毕业指标点及线上线下的教学要求，电力电子技术实验在原来的基础上开发了仿真实验。通过搭建仿真电路能直观地观察输出结果，通过调试器件的不同参数，可动态观察实验结果。仿真实验可满足线上线下教学的要求，学生可以在实验室完成实验，也可以在家完成实验，增强实验的灵活性及机动性。另外，录制实验视频，详细介绍实验的方法、内容及仿真电路的搭建等相关事项，为学生线上实验提供支撑。

2.1.1 基于MATLAB/Simulink的仿真电路（以三相桥式全控整流电路为例）

三相桥式全控整流电路中，阴极连接在一起的三个可控硅（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的三个可控硅（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。每个时刻由一个共阴极组可控硅和一个共阳极组可控硅同时导通，形成向负载供电的回路。可控硅导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，触发脉冲相位依次差60°。带电阻负载工作时，各自然换向点既是相电压的交点，也是线电压的交点。三相桥式全控整流Simulink仿真电路如图1所示，设置元件的仿真参数，进行实验电路仿真，修改仿真参数，直到输出满意的仿真结果。

2.1.2 仿真实验结果及分析

波形图从上到下分别是输入测交流电压波形、可控硅的电压电流波形、负载测电压电流波形，其中黄色为电流波形，蓝色为电压波形（本刊电子版可见）。图2、图3分别是触发角为30°、60°时三相桥式全控整流电路的仿真结果，由仿真图可知，线上的仿真实验和线下的实验室操作达到同样的实验效果。

2.2 实验考核的提升

为了客观、全面反映学生的学习状况，了解教师是否达到预期教学效果，采用模糊综合评价法[6-7]评定学生的实验成绩。模糊综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价。首先由评议者给出每项评价指标因素及权重，得到模糊评判矩阵，由模糊评判矩阵计算出权重向量，再用模糊矩阵的合成运算求得综合评价的标准化模糊向量，对归一化处理后的向量按照等级分值求出定量结果。

2.2.1 模糊综合评价指标体系

科学评判体系的建立有利于调动学生的实验热情，提高实验教学质量，在综合考虑影响实验考核众多因素的情况下，结合专业认证要求建立综合评价指标体系，如表1所示。

学生线下实验成绩主要由平时成绩、实验操作、实验报告组成：平时成绩由课堂纪律遵守情况、预习报告书写情况、实验提问回答情况、实验态度组成；实验操作由实验设备使用情况、实验数据测量及记录情况、实验工作台整理情况、软件开发能力及创新能力组成；实验报告由实验报告提交情况、实验数据处理情况、实验结论、实验思考题完成情况组成。

线上实验通过教学平台、QQ群或微信群进行实时教学互动，平时成绩由上线情况、回答实验提问情况、预习报告书写情况、线上互动情况组成；实验操作由搭建仿真电路情况、实验数据测量及记录情况、仿真软件掌握情况、软件开发能力及创新能力组成；实验报告线上、线下统一标准。

2.2.2 学生成绩评定模糊综合评价步骤为：

1）确定一级指标因素及权重；

2）确定二级指标因素及权重；

3）确定某学生的成绩评定情况（表2）；

4）求出学生一级指标的评判矩阵及一级评判向量；

5）求出二级指标的决策矩阵及二级综合评判模糊向量，得到最终的成绩评定结果。

根据表2可得到该学生一级指标的评判矩阵分别为：

模糊综合评判向量Bi=Ai*Ri（Ai为相应的权重集，Ri为单因素评判矩阵），得到一级评判向量分别为：

从而得到二级决策矩阵为：

根据Bi=Ai*Ri，求得二级综合评判模糊向量为B=[0.225 0.568 0.175 0.032 0]，0.568（良）数值最大，按照最大隶属度法，故该生的最终成绩为“良”。若将最终成绩换算成百分制，则令V=

[优良中及格不及格]=[95 85 75 65 55]。