“电工电子技术”课程教学中虚拟仿真的探索与应用

摘要：为提高“电工电子技术”课程教学质量，提升学生对知识的掌握能力．文章将虚拟仿真技术引入课程教学中，以Matlab仿真软件为基础，对单相交流调压电路进行模拟。实践证明，该方法可以提高学生的参与度，增强学生对理论知识的掌握，提升学生的动手能力以及分析和解决问题的能力。因此，在今后的教学活动中，可以继续引入类似的方法。

关键词：电工电子技术；虚拟仿真；Matlab；教学

中图法分类号：G712 文献标识码：A

在高职院校中，“电工电子技术”是电气工程、机电工程、车辆工程等专业的重要课程，因此该课程的教学质量直接影响学生的学习质量。该课程具有理论性、技术性、实践性等特点，在教学过程中要综合提高学生的理论水平和实践水平［１］ 。当电路环境和运行情况较为复杂时，学生难以进行深入的理解。而仿真模拟软件可以模拟电路的运行情况，已经成为一项实用的教学辅助工具。因此，本文以Ｍａｔｌａｂ 仿真软件为基础，对单相交流调压电路进行模拟，得出仿真波形图，从而探究新的教学模式。

１ 虚拟仿真技术

随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术已经应用于各个行业，尤其是对于一些难以通过理论计算和实验得出结果的领域，该技术更为适用。而在电子技术方面，利用虚拟仿真软件，通过模型的建立，对电路的环境和运行模式进行模拟，可以还原出接近真实的运行情况。

当前，“电子电工技术”课程在实验教学过程中往往存在以下问题：（１）部分实验仪器较为昂贵，受到经费的影响，无法购进部分仪器；（２）部分实验设备使用年限较长或维护不当，造成设备无法使用；（３）实验设备数量有限而学生人数较多，无法满足使用需求；（４）实验过程中有弱电也有强电，若操作不当，则很可能给学生带来伤害；（５）实验设备可实现既有线路的运行，但难以实现多工况的运行；（６）受到实验课时和实验场地的影响，“电工电子技术”课程实验只能在固定的实验室进行，若学生要在课余时间进行实验，提升自己的学习水平，则传统的实验方式难以满足其要求［２］ 。而虚拟仿真技术可以弥补上述不足，满足教学需求，提高教学质量。在以往的教学活动中，实物的示波器通常只能同时显示多路信号，而采用虚拟仿真技术则能够同时观察多路波形。另外，当模拟脉冲出现丢失、短路、开路等故障或修改电路参数时，能够直观、方便地观察工作电路运行环境和输出波形的变化。这可以加深学生的印象，使学生主动思考，有利于培养学生的创新能力和探索能力。

目前，主流的虚拟仿真软件主要有ＥＷＢ，Ｍａｔｌａｂ，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ，Ｐｒｏｔｅｕｓ，Ｐｓｐｉｃｅ，Ｐｒｏｔｅｕｓ 等，这些软件都可满足当前的教学需求。

２ 应用现状

虚拟仿真技术具有诸多优点，如可操作性强、成本低、实验效果好等，因此在教学中被广泛应用［３］ 。

其中，Ｍａｔｌａｂ 是最为常用的仿真软件之一，它是由美国ＭａｔｈＷｏｒｋｓ 公司开发，可以进行系统建模、矩阵计算、数值分析、仿真运算等操作［４］ 。在教学实践中，师生可以根据不同的工况条件调试电路，模拟还原运行结果。因此，仿真模拟的应用可以提高学生的参与度和学习的积极性，便于学生对电路知识的理解和掌握［５］ 。

３ 实际应用

３．１ 创设情境，有效激发兴趣

兴趣是最好的老师，在高职教学中也不例外。由于“电工电子技术”课程具有较强的专业性，学习起来较为枯燥，因此激发学生的学习兴趣可以提升教学质量。通过虚拟仿真技术，可以创造实际的工作情境，从而充分发挥学生的主观能动性和主体作用［６］ 。与枯燥的理论相比，学生对直观的电路环境和运行情况更感兴趣，因此教师需要因势利导，激发学生的求知欲，进而提升教学效果［７］ 。

３．２ 搭建模型

为将虚拟仿真技术更好地融入教学中，本文以较为基础的单相交流调压电路作为实验模型。单相交流调压电路系统由以下元件组成：交流电压源、电阻电感负载、同步脉冲发生器和晶闸管。其基本工作原理如下：先将２ 个晶闸管反并联，然后再将其串联到交流电路，控制晶闸管就可以实现交流输出的控制。

在每半个周波内控制晶闸管开通相位，即可对输出电压进行调解［８］ 。

本文使用Ｍａｔｌａｂ （ Ｒ２０１４ｂ）进行模拟，引导学生搭建如图１ 所示的单相交流调压阻感性负载电路仿真模型。再对晶闸管和其他电路元器件的参数进行设置，其中电源峰值电压为１００ Ｖ，频率为５０ Ｈｚ；电感为８ ｍＨ， 负载电阻为１０ Ω； 脉冲信号为ＰｕｌｓｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ，Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ１ 脉冲高度为１５ Ｖ，周期为０．０２ ｓ，占空比为２５％；触发延迟角α 可以根据实际工况进行调解。待上述参数设置完成后， 即可启动ＳＩＭＵＬＩＮＫ 开始仿真运算，仿真结果可通过示波器模块进行观测。

３．３ 模拟结果

当α＝３０°时的模拟结果如图２ 所示，显示的波形从上至下分别是脉冲信号、电源信号、负载电压、负载电流、晶闸管电流和脉冲信号１。

通过调解α 角度，能够生成其他的仿真波形（如α＝４５°，α＝６０°，α ＝ ９０°）。由仿真结果能够发现，当负载是阻感负载时，输出的电流和电压具有不同的波形，负载电流无法发生突变，因此负载电压波形超前于负载电流波形；受电感元件自身特性的影响，其会出现反电势作用，当电源电压过零且感应电势大于零时，晶闸管则处于导通的状态，此时电路的导通还能持续一段时间。输出电压负半周过零时则会出现一段正电压，正半周过零时也是如此。上述模拟结果与教材和实际情况一致，证明了模拟结果的准确性［９］ 。

为更直观、精确地反映电路中任意节点的电压信号波形或电流信号波形，可以通过在电路中相应点增加示波器来实现。

为提高教学质量，让学生加深对该电路结构的理解，以便為日后学习更复杂的电路打下基础，可以将模型中的负载设置为阻性负载。具体操作为在电阻模块ＳｉｍＰｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ／ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ／ Ｓｅｒｉｅｓ ＲＬＣ Ｂｒａｎｃｈ中，把电路单相交流调压电路的负载变为电阻负载。

３．４ 丰富实践，提升教学质量

实践是提升教学质量，培养学生动手能力的重要保障。将虚拟仿真技术应用到“电工电子技术”课程的教学活动中，通过建立仿真模型，可以使波形直观地显现出来，还能通过调解参数，得到多工况的运行结果，不仅可以提高学生的动手实践能力，还可以使其将理论和实践相结合，实现知识拓展、思维发散，有利于学生今后的学习和工作。在实践过程中， 往往也会遇到很多问题，在解决问题的过程中，可以提高学生的参与度和分析、解决问题的能力，从而有助于提升学生的创新能力。

４ 结束语

在“电工电子技术”课程教学活动中，理论和实践是密不可分的。为提高该课程的教学质量，既离不开理论的指导，也离不开动手实践，打牢理论基础才能更好地实践，动手实践才能更好地理解理论知识。将Ｍａｔｌａｂ 虚拟仿真技术引入教学活动中，可以激发学生对该课程的兴趣，还可以弥补仪器缺乏、场地较小等不足，最终达到理想的教学效果。

参考文献：

［１］ 邹旺，吉畅，何超．基于“学习通”和Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 仿真的电工与电子技术实验课程教学改革研究［Ｊ］．电脑知识与技术，２０２２，１８（２０）：１６４?１６５＋１７８．

［２］ 许津铭．电工与电子技术基础课程虚拟仿真教学探讨［Ｊ］．中国现代教育装备，２０２２（１）：２４?２５＋３１．

［３］ 董昱．虚拟仿真技术在中职电工电子技术教学中的应用［Ｊ］．电子技术与软件工程，２０２１（１６）：３９?４０．

［４］ 王艳红，冯俊杰．基于“理论＋仿真＋實践”电工电子技术课程教学改革的实践［Ｊ］．电脑知识与技术，２０２２，１８（２０）：１４４?１４５．

［５］ 洪明虎，陈静，李曙生，等．虚拟仿真技术在汽车电工电子技术课程实践教学中的应用［Ｊ］．汽车实用技术，２０２２，４７（１０）：１３０?１３３．

［６］ 徐亚宏．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０ 在电工电子技术实验教学中的应用［Ｊ］．现代职业教育，２０２１（１８）：１７２?１７３．

［７］ 王高腾，李永涛．ＬＴｓｐｉｃｅ 在“电工电子技术”课堂教学中的应用［Ｊ］．电子制作，２０２２，３０（２）：４５?４７．

［８］ 杨婷．新工科背景下电工电子技术实验教学示范中心的建设［Ｊ］．电气电子教学学报，２０２１，４３（６）：１６５?１６９．

［９］ 刘克旺，金龙国．电工与电子技术应用课程教学改革探究与实践［Ｊ］．内蒙古煤炭经济，２０２１（５）：２２５?２２６．

作者简介：王艳霞（１９８３—），本科，副教授，研究方向：物联网应用技术。