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电力电子技术课程理实一体化教学研究

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摘要:介绍电力电子技术课程理实一体化教学的必要性和实施过程。利用Proteus仿真软件进行电路搭接,可以使复杂的电路分析变得清晰,让学生可以更加直观地理解电路输出波形,同时结合电力电子实验项目,使抽象枯燥的专业课变得生动具体。

关键词:电力电子技术;理实一体化;Proteus仿真

电力电子技术是我校电力系统自动化技术专业和电子信息工程技术专业的一门专业核心课程,对于专业、专业群建设及培养学生岗位职业能力都有重要意义。该课程是集电力、电子和控制3个学科交叉而形成,可以看成是弱电控制强电的技术[1]。随着电力电子技术的飞速发展,其应用范围十分广泛,新技术、新发明突飞猛进,已渗透到国民经济及日常生活各领域。由于我校电力电子技术课程开设时间较晚,且实验室配套不完善,其课程建设也相对滞后,原有以理论知识讲解为主的教学模式已经不适应高职院校培养现代化应用技术型人才的要求。为适应技术发展需要,同时结合电力院校特点,课题组对电力电子技术课程进行了理实一体化的教学探索和研究。

1课程教学现状

目前,电力电子技术课程在教学过程中普遍采用以理论讲解为主、实验为辅的教学方式。在传统教学过程中,由于电力电子技术课程存在大量的理论推导、数学计算、电路输出波形分析,对高职高专院校学生来讲难度比较大,学生普遍感觉内容抽象、枯燥、难懂。具体可以归纳为以下3个方面的教学问题。理论复杂,教学方法单一:电力电子技术课程中各种变流电路参数的选择和计算涉及高等数学,学生理解困难,各种变流电路的波形抽象,上课老师仍大多只做课件上的静态分析,导致学生学习积极性降低,从而影响教学质量。理论与实践教学严重脱节:传统教学中,电力电子技术课程采用先理论后实验的教学模式,理论课与实验课明显分开,学生学完理论知识再到实验室做实验,间隔时间比较长,学生对以前学过的理论知识容易遗忘,理论和实践联系不紧密。实验学时少且存在安全风险:由于学校不断更新人才培养计划,理论课学时被压缩,实践学时更少,存在重理论轻实践的现象。电力电子技术实验存在一定的安全风险,所以现在大多数院校实验项目开设也比较少。

2理实一体化教学改革

针对当前我校电力电子技术课程存在的教学问题,课题组提出了电力电子技术理实一体化教学方案。“理实一体化教学”(又叫理论与实践一体化或“教学做”一体化教学)是高职教学中进行探索、创新的一种教学模式,一位专业课教师既担任理论教学,同时又从事实践教学,将有关的专业设备和教学设备同置一室,将理论课与生产实习、实践性教学环节重新分解、整合,安排在专业教室中进行教学[2]。电力电子技术作为一门应用性和实践性很强的专业课程,非常适合进行理实一体化教学改革。很多高职高专院校老师都在理实一体化教学模式上做了一定的探索研究。在文献[3]中提出了电力电子技术课程可视化实践教学,采用MATLAB平台,把复杂的电路动态过程制作为三维动画,可以显示出电路的变化过程,方便学生理解。但该方法仅适合老师教学,并不适合学生实验实践。在文献[4]中提出了虚实结合的电力电子技术理实一体化教学改革方案,即虚拟仿真和实验环节相结合的教学模式,但是并未说明采用何种仿真软件和实施方案。在文献[5]中通过自身教学实践,利用激发学生学习兴趣、充分利用网络教学、完善课程评价体系、利用计算机仿真丰富实践教学环节等方法来提高该课程的教学质量。

3理实一体化教学改革实施

随着教学改革的不断深入以及人才培养计划的调整,专业课程的课时大多被压缩。为达到预期的教学效果,必须对该课程的课程安排、教学方法和教学手段等进行改革[6]。课程安排:传统的教学时间为每节课2学时,在讲完理论知识之后,学生很少有时间对刚讲过的理论知识进行消化吸收,更没有办法对其进行实践;到第二次上课时,前面讲过的理论也忘得差不多了[7]。因此,课题组将上课地点改在电力电子实验室,课程安排上采用4学时连排的方式,即先讲解2学时理论,其后的2学时安排学生在实验台上做实验,这样可以避免因为理论课讲完后,时间间隔久,学生再单独来做实验,容易遗忘学过的理论知识。而且4学时连排可以保证实验时间,让学生有充分的时间完成每个实验,提高学生的动手能力。教学方法:这门课程的特点是有大量的电路图和输出波形图,学生很难通过想象去分析波形图。课题组老师采用课件讲解+虚拟仿真+实验操作的虚实教学法,借助计算机辅助软件对电路进行仿真,再结合电力电子实验台输出波形,可以让学生非常清晰地观察分析波形图。这种教学法既可以让学生自己通过仿真软件搭接电路,理解书本上复杂的电路波形,同时还可以通过实验验证书本上的计算公式,从而让学生真正理解理论知识。Proteus是将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件组成三合一的设计平台,非常适合教学科研中的电路设计和仿真。电力电子技术作为以电路为基础的课程,利用Proteus软件来仿真教学,可以提高学生的学习兴趣和积极性。考核方式:传统教学中,理论课以期末试卷成绩70%+平时成绩20%+考勤10%来对学生进行考核评价,常会出现学生期末突击复习就可以及格,但学生并没有真正理解和掌握本课程知识,以致于学生考完就忘完。因此,本课题组提出新型考核方式,即期末试卷成绩50%+实验成绩40%+考勤10%的考核方式。实验以过程考核为主,过程考核主要是对每组3名同学的电路接线和实验结果、实验报告进行评价。

4教学案例

整流电路是电力电子技术中最常用的一种电力变换电路。下面介绍利用Proteus仿真软件搭接单相半波可控整流电路,可控硅触发采用单结晶体管触发电路,并让学生在电力电子实验台上完成单相可控半波整流电路实验。图1所示为单相半波可控整流电路。传统教学方法是老师对电路原理进行讲解,直接将波形图给出,学生很难理解可控硅导通与关断条件,且无法直观反映负载电阻R的大小对电路输出波形的影响。利用Proteus软件来搭接电路模型。可以用虚拟示波器观察电路各点电压波形,还可以改变RV1阻值实时观察其对输出电压波形的影响。图3是单相半波可控整流负载电压波形图。另外,本校已经配套了天凯公司生产的电力电子实验台。该实验台可以完成电力电子技术课程中每个部分的电力变换实验。所以,老师讲授理论知识之后,可以马上进行该部分实验内容,这样就实现了理论和实践的紧密结合。

5结语

电力电子技术课程采用Proteus仿真软件和电力电子实验台相结合的理实一体化教学方法,使复杂的电路波形分析变得形象具体,其中的电路实验项目可以真正让学生在“学中做”“做中学”。最后,课题组通过实践证明,采用电力电子技术理实一体化教学模式,不仅使课堂内容更加丰富和有趣味性,而且极大地提高了学生的电路分析能力和创新设计能力,其教学经验值得借鉴推广。

参考文献:

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]张德秀.“理实一体化”教学模式的研究与实践[J].市场论坛,2012(5):113-134.

[3]夏小虎,张春鹏,冯敏亮.“电力电子技术”课程可视化实践教学改革与探索[J].中国电力教育,2011(22):147-148.

[4]王波.虚实结合、理实一体化的电力电子技术课程改革的探索与实践[J].时代教育,2015,(14):28-28.

[5]宗哲英,郝敏.关于电力电子技术课程实践与探讨[J].内蒙古农业大学学报,2013,15(1):81-82.

[6]杨奕.电力电子技术课程教学改革初探[J].南通大学学报,2006,3(22):95-96.

[7]杜红艳.电力电子技术理实一体化教学研究分析[J].价值工程,2011,11:278-278.

作者:谭阳;徐静 单位:重庆电力高等专科学校

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