非电类专业电工学课程的仿真辅助教学

时间：2024-05-22

唐圣学，陈丽，刘素贞

（河北工业大学电气学院，天津300130）

0 引言

“电工学”作为机械、能源等非电类专业的技术基础课程，随着新知识、新技术、新器件的层出不穷而使得涉及内容越来越多；同时在我国科技原始创新背景下，用人单位对高校毕业生电工电子技术的能力提出了更高的要求。因此有必要对“电工学”课程教学内容、教学手段、教学方法、实践手段等环节进行探索，以适应新形势，培养具备良好的实践技能和创新精神非电类专业的新型人才［1］。

在我校电工学精品课建设过程中，教研组教师以教学大纲为准绳，积极开展、探索仿真技术在教学过程中的方法和技术，最大的发挥仿真技术培养新型人才的功能。

1 电工学运用仿真技术的意义

仿真技术，即是人们根据仿真对象各要素性质、相互关系和规律，通过抽象建立能够描述该对象的结构和行为且具有一定逻辑关系、数学关系的理论模型，然后由计算机演示模型对象，用以分析和探索其规律，达到认识和理解对象的目的。仿真技术是认识客观对象的一种重要的技术手段，目前，国内已有高校将《仿真技术基础》作为仿真工程专业、自动控制专业、机械工程与自动化专业等本科专业而独立开设的专业必修课［2，3］。由此可见，在电工学课程教学过程中引入仿真技术同样具有非常重要的意义。

1.1 有助于增加感性认识，激发学习兴趣，加深对理论概念的理解

对于机械、能源、测控等非电类专业而言，电工学是一门重要的技术基础课；同时又是一门理论性、实践性都很强的课程，课程内容多，知识点分散，理解和掌握难度系数大。传统的教学模式重理论轻实践、重课堂轻课后、强调理性认识忽略感性认知，教学主要通过在黑板讲解来实现，即使采用多媒体课件，也只是知识点的直接传授，对学生的说教较多，缺少互动的交流，使学生学习觉得沉闷、枯燥，造成学生学习情绪低落，从而影响教学质量。仿真技术能模拟客观对象和实际应用环境，呈现一个虚拟的现实世界，从而增加学生的感性认识，帮助学生理解枯燥内容。

1.2 有助于改善学时少与内容多的矛盾

《电工学》作为非电类专业的技术基础课程，随着新知识、新技术、新器件的层出不穷，涉及内容越来越多，而该课程学时数却没有相应的增长，造成了学时少与内容多的矛盾。

在电工学理论教学过程中，需要引入大量的图表、曲线，用以辅助说明授课内容对象的各要素性质、相互关系和规律，现场完成这些工作，占用了教师大量的授课时间。采用仿真技术以后，可节省教师大量的板书时间，还增大了单位时间内对学生信息量的传授；另外，利用仿真技术能让学生在预习实验过程中演示操作一遍，破除学生的恐惧感和理解误操作产生的后果，从而养成良好的操作习惯，降低实验过程中对实验设备的损耗。

1.3 有助于增强学生的实践技能和创新精神

仿真技术不仅是一种有效的教学手段，也是信息时代、计算机时代的工科学生应该掌握的一种基本技能。计算机技术除了不能替人类思考问题外，几乎可以从事人类别的任何事情。仿真技术作为工程实践过程中分析问题、解决问题一种重要手段，是工程类学生必须掌握的基本技能和方法。因此，在教学过程中特意融入仿真技术的应用，可以对学生实践技能和创新精神的培养起着很大的促进作用。

2 仿真技术在教学中的实施

2.1 基本任务

仿真教学的基本任务就是为教学对象建立一个合理仿真模型，由计算机演示以达到帮助学生生动、形象地感知、认识和理解教学内容的目的。按照教学大纲要求，融会各种教学方法，设计合理的模型是仿真教学的前提。仿真教学要实现从以传授知识为主向以培养能力为主的转变，从被动接受为主向主动解惑为主，从以培养共性为主向以培养个性为主的素质教育模式的转变。

2.2 仿真教学的基本步骤

（1）根据所授知识点选择好仿真平台、建立合理的仿真模型。电工学的知识点多，涉及面广，对不同的内容可以选择不同的合理平台，但要注意以下三点：一，限于学生的计算机知识的不足，平台的种类不宜过多。笔者认为最好选择学生熟悉的或工程中常用普及的软件平台，甚至可以选择多媒体技术来仿真，例如：电机正反转的继电控制系统仿真，可以采用Flash 8.0编程来演示按钮、继电器的各个开关的动作顺序和系统的工作原理，这样形象生动、达到事半功倍的效果；二，其次，仿真平台的选择还应以教学内容为依据、以形象生动、方便容易操作为首选。三，仿真模型的建立要与教材相结合、与实践相结合，要与教学大纲合理的结合起来。

（2）明确授课内容的难点和重点，熟练掌握和运用仿真模型传授知识的手段和技巧，做到有效地演示对象的特征、关系和规律。

（3）结合仿真结果对所授的知识点的进行剖析和归纳，合理布置课后的验证性、综合性和设计性的仿真练习，以帮助巩固课堂所学知识。课后练习可以通过网上提供预先的电路、提示、实验数据和答案等方式，减少学生的工作量；另外，安排专门的开放式的实验室老师协助学生完成实验室的相关实践环节，解决仿真过程中出现的问题和难点。

2.3 仿真教学实例－日光灯的功率因素的提高

功率因素的提高是重要的知识点，实践性非常强。借助日光灯交流电路的相量图说明通过并联电容的方法可以提高电路的功率因素和推导求解补偿电容值是学生必须掌握的内容，为此，我们结合课本上的实例设计如图1所示电路，解释电路各个变量的变化关系和验证补偿电容值变化规律，并说明功率因素提高后可以减少线路、电源的损耗［4］。电路仿真环境选用 Matlab／Simulink实验平台，许多工程应用专业（如控制、信号处理、通讯、机械等）都采用其作为仿真技术课程的平台；也可以选用EWB软件仿真模拟，但其不足是仿真后的数据处理不如Matlab方便［5］。图2为Simulink环境下功率因素提高的电路仿真模型，仿真参数为秦曾煌主编的“电工学”（第六版）的第143页的例4.8.1的数据，与教材紧密联系。

图1 电容器与电感性负载并联以提高功率因素

图2 Simulink仿真电路模型

图3 电路变量随补偿电容值的增大变化曲线

对补偿电容扫描，得到图3所示的电路变量随并联补偿电容值增大的变化曲线。由图3（a）可见，并联电容前后，感性支路的电流不变，电容电流随电容线性增大，电路的总电流随电容先减小、后增大的变化，与图1（b）的相量图相符；由图3（b）可见，随电容的增大，电感支路的无功不变，电容的无功一直增大，电源的无功一直在向负方向增长，但是其绝对值却是先减小后增大。由此，可以得到原感性支路的工作状态不变，电路总的有功功率不变。在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换。这时电感性负载所需的无功功率，大部分或全部都是就近由电容器供给，即能量的互换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间，因而使电源容量能得到充分利用。同时，补偿电容的值不能无限的增大，当电容提供的无功等于电感支路的无功时，电源提供的无功等于0，此时达到了最佳补偿。同时，提出问题“能否采用串联电容的方式提高功率因素”让学生课后思考，并要求学生进行仿真模型验证，以巩固课堂所学内容，加深理解。