“新工科”背景下电力电子辅助教学平台设计与实践研究

王德光 陈心怡

摘要 针对“电力电子技术”课程实验设备价格高昂和难以充分培养学生综合实践能力的问题，文章基于MATLAB GUI/Simulink开发环境，设计了一个面向新工科的电力电子辅助教学平台，可用于学生自主学习和探索，解决学生动手能力弱的问题。将该新型教学模式在本科生中进行实践研究，结果表明该授课方式能明显提高学生的学习兴趣和动手实践能力。

关键词 电力电子技术；可视化教学；虚拟仿真平台；人机交互界面

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.021

“电力电子技术”是电气工程、自动化和测控等专业本科生必修的一门专业主干课程。该课程教学的主要目的是使学生在掌握电力电子器件知识的基础上，研究如何实现不同形式电能的高效转换、稳定调节和控制[1]。该课程具有较强的理论性、实践性和综合性，采用传统的教学模式授课无法调动学生的学习兴趣和培养学生的动手实践能力[2]。

新工科是以“工程实践能力”为核心的一种工科教育模式，其要求学生在完成验证性实验的基础上，能够运用综合知识，将电力電子基础理论知识与电力电子工程技术相结合，将电气系统与电子系统、控制系统相结合，加强电力电子和电力传动与自动控制系统的进一步结合[3]。在电力电子技术课堂上，为贯彻“新工科”教育理念，教师应综合培养学生实验、分析、测试以及设计电力电子变换器控制系统的综合实践能力。由于受到实践课程学时限制和实验设备的局限性，难以充分培养学生的综合实践能力，进而出现理论与实践脱节的现象[4]。因此，迫切需要设计一个直观、高效的电力电子辅助教学平台，促进学生的自主学习和探索，改善教学效果和培养学生的综合实践能力[5]。

电力电子电路的计算机仿真方法是构建电力电子辅助教学仿真平台的基础[6]。本文基于MATLAB /Simulink和图形用户界面（Graphical User Interface， GUI）设计了一个电力电子教学辅助仿真平台。该平台包括主界面、人机交互界面和仿真界面，涵盖了交流电与直流电相互转换的四种变流电力电子电路，为学生提供一个可以快速完成电路搭建的软件平台。同时，该平台提供了开放的电路拓扑结构设计功能与参数调节功能，结合数据分析模块，有助于学生理解和掌握综合电力电子基础理论与电力电子工程技术。

1电力电子教学辅助平台总体设计

基于MATLAB/GUI和Simulink的开发环境，本文设计的电力电子教学辅助平台采用自上而下的人机交互界面设计和回调函数驱动实现仿真，以此达到程序代码与事件交互的目的。利用Simulink搭建主电路的拓扑结构，设置其相应的参数值；通过GUIDE设计用户界面GUI达到预期的功能需求，按照事件驱动原则编写控件的回调函数，最后通过m函数文件实现Simulink与GUI之间的参数传递和绘图显示。该平台GUI设计流程如图1所示。

辅助教学平台的四个主要模块包括示例电路模块、控制信号自主设计模块、主电路自主设计模块和数据分析模块。为适应电力电子技术课程的教学理论目标与实验要求，在示例电路模块中提供了完整的整流、斩波、逆变和调压电路，以此夯实学生的电路基础知识。控制信号自主设计模块、主电路自主设计模块和数据分析模块能够辅助学生进行综合实验设计，以此达到学生能够运用综合知识，将电力电子基础理论与电力电子工程技术相结合的教学目标。电力电子辅助教学平台设计总体框架如图2所示。

2电力电子教学辅助平台实现与实践

本文以三相半波可控整流电路为例，阐述基于MATLAB GUI/Simulink的电力电子辅助教学平台的人机交互界面展示和示例电路仿真界面（见图3）。

2.1教学辅助平台人机交互界面

电力电子教学辅助设计平台人机交互界面如图3所示。在“电力电子技术”授课过程中，教师调用示例电路模块提供的典型电能转化电路，向学生展示典型电路对应的电路拓扑结构，并进行相关参数的讲解与介绍。同时，该平台为使用者开放了参数设置功能，可通过调节电源、负载和控制参数改变电路的输出数据结果。

此外，教师可通过提高课程设计的占分比，改变陈旧的考核方式，提升学生的综合实践能力和自主创新能力。学生可调用主电路自主设计模块，选择合适的元器件，并按照相应的电路拓扑结构进行电路连接，同时设定期望测量的输出变量，完成上述步骤之后，进行相关参数设置，调用数据分析模块，进行仿真数据的分析和相关变量波形图的输出。

2.2教学辅助平台仿真界面

三相半波可控整流电路结构简单、成本低廉，适用于一些对输出电压脉动和精度要求不高的场合，比如电动机的直流电源[7]。本文以示例电路模块中三相半波可控整流电路仿真界面为例，介绍电力电子辅助教学仿真平台界面的功能模块和操作步骤。学生可调用图3所示的人机交互界面，点击示例电路模块中三相半波可控整流电路，进入带有仿真功能的程序平台，其电路的相关参数均为默认最优值，仿真结果如图4所示。此外，仿真程序为使用者提供了参数设置功能，学生能够通过改变电源、负载和控制参数等，观察相关变量波形图的变化，完成仿真后，调用数据分析模块进行仿真数据分析。

3电力电子技术课程改革与实践

为提升“电力电子技术”课程教育教学质量，调动学生的学习兴趣与培养学生的综合实践能力，满足以“工程实践能力”为核心的新工科教育模式，迫切需要对电力电子技术课程的教学模式和考核方式进行改革[8]。通过课程改革，使学生具备如下能力：①掌握电力电子器件的基础知识和交流电与直流电相互转换的四种变流电力电子电路，熟悉操作电力电子教学辅助设计平台，独立完成验证性实验以及自主设计实验；②突破实践课程学时和实验设备的局限性，以掌握基础知识为前提，提升综合实践能力，将电力电子基础理论知识与电力电子工程问题相结合，提升学生独立发现、思考、分析和解决工程问题的能力。

3.1教学模式改革

将单一的传统讲授教学模式转变为引导与启发式、实验与讨论式等面向新工科背景下的新型教学模式，充分调动学生的学习兴趣与提高学生的综合实践能力。

3.1.1引导与启发式教学

通过引经据典、举例说明等方式开展绪论课程，强调本课程的现实意义与价值。引导学生举出身边采用电力电子技术的例子，激发学生的学习兴趣和科学思维。通过实例，让学生认识到电力电子技术课程在专业课程中的重要性。

3.1.2實验与讨论式教学

本课程的教学目标为培养学生实验、分析、测试以及设计电力电子变换器控制系统的综合实践能力。借助电力电子教学辅助设计平台和实物实验教学环节，适当增加实验环节的占分比，提升学生在实验课程中的参与感，重点培养学生的动手能力，促进学生学以致用，让课堂上学到的理论知识“活起来”。此外，为检验学生的学习效果，教师可使用“翻转课堂”的授课模式，让学生作为课堂的主人翁，通过PPT汇报等形式，展示其知识掌握程度，提升学生学习过程中的可控性、可观性、灵活性。

3.2考核方式改革与实践

大部分高校采用试卷考试的考核方式来检测学生掌握知识的程度，该考核方式只能检测学生的应试能力，无法客观地反映学生动手实践能力，与以“工程实践能力”为核心的新工科教育模式不符。为了调动学生的学习兴趣和提高其动手实践能力，引入验证性和自主设计电路仿真实验、PPT成果汇报、课程设计报告的考核方式与试卷考试考核方式相结合。将原先平时成绩（占比20%）和试卷考试成绩（占比80%）改变为平时成绩（占比10%）、验证性和自主设计电路仿真实验（占比20%）、PPT成果汇报（占比20%）、课程设计报告（占比20%）和试卷考查（30%）的综合考查模式。

电力电子技术课程改革后的考核方式不仅注重学生对理论基础知识的掌握，还注重调动学生的学习兴趣，从而培养学生的综合实践能力，符合新工科的教育理念，使学生成为满足社会发展与工业生产需求的专业技术人才。电力电子课程教学改革已在贵州大学电气工程学院自动化专业2020级本科生中试用，结果显示该年级学生的专业理论知识更加扎实，动手实践能力明显增强。

4结语

为适应“新工科”背景下的教学理念，本文基于MATLABGUI/Simulink开发环境，设计了一个电力电子教学辅助平台，涵盖了电力电子课程教学大纲要求的教学重难点，同时，学生能够使用该平台提供的电力电子器件，自主搭建并完成电能转化电路的仿真实验。此外，本文针对电力电子技术课程教学成果不佳等问题，提出“新工科”背景下的教学改革方式，并将其运用到本科生授课环节中。结果表明新型授课方式提高了学生的学习兴趣以及综合实践能力。

基金项目：贵州省省级科技计划资助项目（黔科合基础-ZK[2022]一般103）；贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2022]138号）；贵州大学科研基金资助项目（贵大特岗合字[2021]04号）；贵州省教育厅创新群体（黔科合支撑[2021]012）。

参考文献

[1]王兆安.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]孙毅超，冯树先，姜宁秋，等.“电力电子技术”可视化教学平台设计与实现[J].电气电子教学学报，2022，44（1）：22-25.

[3]张巧杰，李慧，张利，等.新工科背景下电力电子技术分层实践教学模式探索[J].中国现代教育装备，2023（1）：99-101，107.

[4]宗哲英，张旭，郝永强，等.基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计与构建[J].实验科学与技术，2018，16（3）： 146-149.182.

[5]刘晓红，于艳.“电力电子技术”课程教学探索及实验平台的升级改造[J].科技与创新，2022（24）：120-122，126.

[6]王红莉，赵琨.浅谈计算机仿真软件在电力电子技术教学中的应用关键要素探究[J].信息系统工程，2021（7）：160-162.

[7]钟颖，荣军，朱莉波，等.基于MATLAB的三相半波可控整流电路的仿真研究[J].电子技术，2015，44（2）：16-20.

[8]杨明，杨靖，王德光，等.基于工程教育理念的数据采集及处理技术课程教学改革与实践研究[J].科教文汇（中旬刊）.2021（29）：97-99.