虚拟仿真在混合式教学中的应用研究——以“电力电子技术”课程为例

刘　燕　王关平　杨婉霞　李红岭　

虚拟仿真在混合式教学中的应用研究——以“电力电子技术”课程为例

刘燕王关平杨婉霞李红岭

（甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070）

混合式教学是课程改革的趋势。为了高效地利用在线平台实现混合式教学，提出在混合式教学中融入虚拟仿真教学，结合“电力电子技术”课程混合教学设计方案，以单相半波整流知识点为例，对教学内容、教学方式、教学过程做了探索与实践。实践表明，融入了虚拟仿真的混合式教学可以引导学生提高专业技能及科研水平，并且其更充分体现了“混合教学”的教学优势。

混合式教学；电力电子技术；仿真教学；Matlab

引言

“电力电子技术”作为电气专业及信息化专业核心课程一直以来在专业培养中起着承前启后的作用[1]。然而，在该课程的长期教学中，因课程内容理论性、工程性要求极强，致使学生为考试而考试、试后又全部遗忘，专业技能无法提高[2]。除此之外，工科院校着力于培养适应新形势需求的专业人才，亟需从课程改革中加大专业技术培养及科研能力培养，那么单从《电力电子技术》混合式教学中如何激励学生获得一定的科研能力与科研技巧也成为一大难点[3]。更重要的是，混合式教学不光是线上与线下的“混”，更重要的是“合”，即在混合式教学中如何去设计线上与线下教学，将两者有机配合起来[4]。总而言之，混合式教学应该更进一步地向适应现代技术、提升创新能力与科研能力等方向发展，混合式教学课程改革需要更进一步推进[5]。

“电力电子技术”课程难度大、实践强，在推动混合式教改中，笔者做出了一些尝试——在混合式教学中融入虚拟仿真教学。虚拟仿真既可节约实验成本，又可对抽象问题直观化，而且它更能体现学生的专业能力及科研创新能力。更重要的是，在疫情等影响下，它不失为一个有效的实验路径。Matlab仿真软件是众多仿真软件中较为常用的软件，它可以搭建模型、编程、分析数据等，既适应于工程应用又能满足科研探索要求的交互式环境[6]。本研究以该仿真软件作为混合式教学中的一大“利器”，将其融入混合式教学平台，创新引导学生学好专业技能以及提高科研水平。

1　总体设计

1.1　设计思想

（1）在线平台设计。本研究所在大学的“电力电子技术”混合式课程建设于2020年，目前已经经过了两轮的建设与运维，课程采用“优慕课”在线教育平台进行建设，平台下设有课程基本信息、单元学习、课程资源、课程活动、随堂教学及课程问题讨论等。在单元学习中按章节小节划分知识点。为了融入仿真教学内容，在需要引入仿真教学的知识点章节下设相应的仿真教学，虚拟仿真软件采用Matlab/Simulink仿真软件。

（2）在线教学与资源管理一站式设计。每个重点及难点在单元学习相应知识点中下设知识点导学、教学视频、讨论区及小作业。依托在线平台实现知识点总结、实验演示及作业提交等服务，而且下设的讨论区方便了老师设疑、学生答疑以及学生相互之间的互动交流。

1.2　总体架构

混合式教学设计架构如图1所示。混合式教学设计包含3个核心阶段：课前、课中和课后[7]。课前以单元导学、发布任务为主，以此收集重难点问题；课中以课堂教学为主，采用“优慕课”平台辅助功能（如签到、随堂小测、课件等）；课后则重点体现对知识点的再次升华，在此提出混合仿真教学，利用线上配套资源（如仿真视频教学、知识点导学等）再次总结知识点，学生可以在在线平台上传实验报告，在讨论区中解惑答疑、相互沟通交流。

图1 混合教学设计架构

2　课程实践

“电力电子技术”课程授课过程中学生普遍反映出对变流技术理解不够透彻，对知识与知识之间缺乏整体概念。例如整流电路，只知其是将交流转换为直流，而不能理解开关器件在变流时是如何触发的。除此之外，课程授课学时有限导致课程内容无法在有限的时间发挥无限的效能。因此，可以利用线上资源去弥补学生理论知识和综合知识的不足。以下以单相半波可控整流电路为样例，阐述基于虚拟仿真的混合式教学实践。

2.1　混合教学设计

（1）课前。在在线平台发布课前预习任务：一是上传制作的5分钟左右的视频，引导学生从视频中了解什么叫整流；二是设疑，例如“整流需要哪些装置完成”，收集并总结学生的答案。

（2）课中。利用课堂10分钟复习晶闸管的知识，剩余40分钟以面授方式对“单相半波可控整流电路”的电路、工作原理、波形分析进行讲授，并且借助在线平台完成签到、点名回答问题、随堂小测等。因面授部分抽象难懂，可以在此部分穿插仿真教学，以已建立好的仿真模型为例展示。

（3）课后。在线平台上完成以下四部分内容：一是上传课堂教学中的仿真教学详细视频，引导学生从视频教学中掌握理论知识要点；二是发布课程作业——实际操作完成仿真实验，并完成实验报告；三是讨论区设疑，并收集、回答讨论区问题；四是展示成果、共享优秀作业。

2.2　虚拟仿真教学

课堂授课只是完成了对理论知识的重难点讲解，而往往无法使学生建立深层次、系统化的知识体系。比如单相半波可控整流电路（如图2），这部分内容的教学目标是掌握其电路、工作原理及波形，但是对电路是如何构建的、驱动晶闸管导通的驱动电路是怎样的工作的、晶闸管触发脉冲信号与触发角的关系是怎样的、同步触发信号如何构建的等问题，学生很难深入理解。

图2 单相半波可控整流电路

通常在理论授课时，晶闸管（Detailed Thyristor）的门极触发信号往往给一个高于其门槛电压的值即可。再加上在线下实验中，这部分门极触发在“暗箱”中，学生通常只需知道其门极有个输入大于0的值即可触发，等于0则无触发。但是这与实际不符，因为晶闸管的触发脉冲信号的强弱与否与触发有很大关系，触发脉冲发生器即便再精确，触发角α随着时间的推移也有可能会产生一定偏移。因此，晶闸管触发电路就显得极为抽象，仿真实验中，需要根据整流变压器实际的电压输入信号制作与之完全同步的触发信号供给晶闸管。

按照图3所示，在半个工频周期内，即0.01 s的时间内，积分器的输出值要达到5，触发角α要达到180º。当Constant设置为50时，Gain1模块的比例因子应该设置为1/36。

图3 仿真模型构建

运行仿真，观察系统模型中的主要信号，程序如下：

>>subplot(3,1,1);plot(t,Us);

>>hold on; plot(linspace(0,0.08,500), zeros(1,500),'-.r');

>>axis([0 0.08 -55 55]);

>>subplot(3,1,2);plot(t,juchi);

>>hold on;plot(t,bijiao,'r');plot(linspace(0,0.08,500),

zeros(1,500),'-.r')

>>axis([0 0.08 -0.7 5.5]);

>>subplot(3,1,3);plot(t,pulse);

>>hold on;plot(linspace(0,0.08,500),zeros(1,500),'-.r');

>>axis([0 0.08 -0.5 2]);

如图4所示为电源（Us）、锯齿波（juchi）、触发脉冲（pulse）的信号，由pulse可看出正好触发角α=90º。如图5所示为触发角30°时的电路波形。

图4 模型中的主要信号关系图

图5 α=30º时波形分析

由以上单相半波可控整流—同步触发电路仿真实验过程，学生在Matlab/Simulink中建立该模型，建模型的同时，学生再次对主电路以及晶闸管的驱动电路结构得以深入理解，同时也了解到实际生产生活中构建一个完整的系统电路需要哪些元器件。建模后设置积分器（intrgrator）以及单稳态触发器（Monostable）的参数，学生在此可自行探索不同参数设置对实验仿真的影响，同时也理解了晶闸管触发脉冲信号与触发角的关系、锯齿波同步触发电路与电源（Us）的相位关系、产生触发脉冲需要调节哪些参数等等。最后，仿真运行，展示了Us、Ud、ir、Ur以及触发脉冲的波形，由此验证了波形与理论讲授相符。学生通过这一实验仿真“回看”课堂的理论知识，不仅加深了对知识点的理解，而且从侧面也使学生获得了学习目标达成的满足感，激发了兴趣，获得了科研的动力。

在此，这部分仿真教学应整合到单元学习——单相半波可控整流电路下，在该子栏目下设置仿真教学，并上传录制好的教学视频资源，视频资源详细展示实验目标、实验方法、实验原理及实验步骤等核心内容。仿真教学栏目中还设置了知识点导学、讨论区及小作业等子栏目，方便学生巩固知识点、交流互动、上传作业等。

2.3　教学效果分析

自2020年开始学校“电力电子技术”课程实施混合式教学，已经过两轮教学实践。为了便于教学实验对比分析，本文将2019级两个班——19级电气1班和19级电气2班做一对比分析。19级电气1班56人，该班教学方法既采用了“优慕课”平台，也实施了混合了仿真教学的教学设计方法；而19级电气2班60人只采用了“优慕课”平台，未采用仿真教学辅助教学。分析两个班级学生的期末考试成绩，对比分析结果如图6所示。由此可以看出，19级电气1班的高分段人数比19级电气2班多，主要原因是高分段学生普遍学习能力强，能够有效学习到线上教学资源的知识。据平台数据显示，这部分学生在仿真教学讨论区与老师互动多且提交的实验报告质量较高。因此，融入仿真教学后的混合式教学可以在提升学生专业能力和科研兴趣方面起到作用。

图6 教学效果分析

3　结束语

本文依托“优慕课”在线教育平台实现混合式教学，并结合Matlab/Simulink仿真软件，将虚拟仿真教学融入“电力电子技术”混合式教学，对其进行了探索与实践，得到了以下结论。

（1）以simulink平台上实现锯齿波同步移相触发电路控制单相半波可控整流电路为例，将一个抽象、综合性实验通过仿真模型构建、参数设置及波形分析等步骤具体实现，学生通过实验过程理解了晶闸管触发脉冲信号与触发角的关系、锯齿波同步触发电路与电源Us的相位关系、产生触发脉冲需要调节哪些参数等相关问题，同时学生也积累了一定的实验经验和科研技巧。

（2）混合式教学不仅是线上线下的“资源”融合，更主要的是“知识”的融合，在混合式教学中融入虚拟仿真，弥补理论教学中无法解决的知识模块化、抽象化问题，使得专业知识综合化、系统化，在专业课的理论教学中起到辅助作用。同时，教师的教学水平和科研能力也得到了提升，学生也因此得到了专业锻炼以及培养了科研兴趣。教学实践的实验数据表明该混合式教学方法具有一定的科学性，可以为后续的混合式教改提供一定的理论指导。

[1] 张扬，王晔枫，夏双，等. “以学生发展为中心”的“电力电子技术”课程教学研究[J]. 科教文汇(中旬刊)，2021(8): 98-100.

[2] 赵涛，徐友，高金凤，等. 一流课程建设背景下的课程思政教学实践: 以《电力电子技术》课程为例[J]. 中国电力教育，2021(7): 48-49.

[3] 刘建，秦源，陈冬梅，等. 科研育人视角下大学生创新型人才培养现实困境与实施路径[J]. 未来与发展，2022，46(6): 86-91.

[4] 张策，徐晓飞，初佃辉，等. 建设中国特色MOOC，推动教学提质升级: 述评、模式、应用及思考[J]. 高等理科教育，2020(6): 46-61.

[5] 赖枫鹏，李治平，孟雅，等. 线上线下混合式教学在高校教学中的发展探讨[J]. 中国地质教育，2021，30(1): 56-59.

[6] 黄冬梅，马乐，王树鑫，等. Matlab仿真软件在《电力电子技术》教学实践中的应用[J]. 软件，2022，43(3): 10-12.

[7] 陈海郎. 基于云课堂的混合式教学设计与应用实践研究[J]. 计算机教育，2019(12): 97-101.

Research on the Application of Virtual Simulation in Blended Teaching——Taking Course of "Power Electronics Technology" as an Example

Blended teaching is the trend of curriculum reform. In order to effectively utilize Online platforms to realize blended teaching, it is proposed to integrate virtual simulation teaching into blended teaching. Combined with the blended teaching design scheme in the course of "Power Electronics Technology", and taking the knowledge points of single-phase half wave rectification as an example, the teaching content, teaching methods, and teaching process are explored and practiced. Practice shows that blended teaching integrated with virtual simulation can guide students to improve their professional skills and scientific research level, and it fully reflects the teaching advantages of "blended teaching".

blended teaching; power electronics technology; simulation teaching; Matlab

G642

A

1008-1151(2023)09-0089-03

2022-11-24

甘肃省教育科学“十四五”规划2021年度一般规划课题《新工科背景下农业院校电气专业混合式教学的探索与实践——以电力电子技术为例》（GS[2021]GHB1947）；甘肃农业大学2022年重点课程建设项目《现代电子技术》（GAU-ZDKC-202209）。

刘燕（1987－），女，甘肃兰州人，甘肃农业大学机电工程学院讲师，硕士，研究方向为电气工程。

王关平（1975－），男，宁夏固原人，甘肃农业大学机电工程学院教授，博士，研究方向为农业电气化。