唐圣學，陳 麗，劉素貞

（河北工業(yè)大學 電氣學院，天津300130）

0 引言

“電工學”作為機械、能源等非電類專業(yè)的技術基礎課程，隨著新知識、新技術、新器件的層出不窮而使得涉及內(nèi)容越來越多；同時在我國科技原始創(chuàng)新背景下，用人單位對高校畢業(yè)生電工電子技術的能力提出了更高的要求。因此有必要對“電工學”課程教學內(nèi)容、教學手段、教學方法、實踐手段等環(huán)節(jié)進行探索，以適應新形勢，培養(yǎng)具備良好的實踐技能和創(chuàng)新精神非電類專業(yè)的新型人才［1］。

在我校電工學精品課建設過程中，教研組教師以教學大綱為準繩，積極開展、探索仿真技術在教學過程中的方法和技術，最大的發(fā)揮仿真技術培養(yǎng)新型人才的功能。

1 電工學運用仿真技術的意義

仿真技術，即是人們根據(jù)仿真對象各要素性質(zhì)、相互關系和規(guī)律，通過抽象建立能夠描述該對象的結(jié)構(gòu)和行為且具有一定邏輯關系、數(shù)學關系的理論模型，然后由計算機演示模型對象，用以分析和探索其規(guī)律，達到認識和理解對象的目的。仿真技術是認識客觀對象的一種重要的技術手段，目前，國內(nèi)已有高校將《仿真技術基礎》作為仿真工程專業(yè)、自動控制專業(yè)、機械工程與自動化專業(yè)等本科專業(yè)而獨立開設的專業(yè)必修課［2，3］。由此可見，在電工學課程教學過程中引入仿真技術同樣具有非常重要的意義。

1.1 有助于增加感性認識，激發(fā)學習興趣，加深對理論概念的理解

對于機械、能源、測控等非電類專業(yè)而言，電工學是一門重要的技術基礎課；同時又是一門理論性、實踐性都很強的課程，課程內(nèi)容多，知識點分散，理解和掌握難度系數(shù)大。傳統(tǒng)的教學模式重理論輕實踐、重課堂輕課后、強調(diào)理性認識忽略感性認知，教學主要通過在黑板講解來實現(xiàn)，即使采用多媒體課件，也只是知識點的直接傳授，對學生的說教較多，缺少互動的交流，使學生學習覺得沉悶、枯燥，造成學生學習情緒低落，從而影響教學質(zhì)量。仿真技術能模擬客觀對象和實際應用環(huán)境，呈現(xiàn)一個虛擬的現(xiàn)實世界，從而增加學生的感性認識，幫助學生理解枯燥內(nèi)容。

1.2 有助于改善學時少與內(nèi)容多的矛盾

《電工學》作為非電類專業(yè)的技術基礎課程，隨著新知識、新技術、新器件的層出不窮，涉及內(nèi)容越來越多，而該課程學時數(shù)卻沒有相應的增長，造成了學時少與內(nèi)容多的矛盾。

在電工學理論教學過程中，需要引入大量的圖表、曲線，用以輔助說明授課內(nèi)容對象的各要素性質(zhì)、相互關系和規(guī)律，現(xiàn)場完成這些工作，占用了教師大量的授課時間。采用仿真技術以后，可節(jié)省教師大量的板書時間，還增大了單位時間內(nèi)對學生信息量的傳授；另外，利用仿真技術能讓學生在預習實驗過程中演示操作一遍，破除學生的恐懼感和理解誤操作產(chǎn)生的后果，從而養(yǎng)成良好的操作習慣，降低實驗過程中對實驗設備的損耗。

1.3 有助于增強學生的實踐技能和創(chuàng)新精神

仿真技術不僅是一種有效的教學手段，也是信息時代、計算機時代的工科學生應該掌握的一種基本技能。計算機技術除了不能替人類思考問題外，幾乎可以從事人類別的任何事情。仿真技術作為工程實踐過程中分析問題、解決問題一種重要手段，是工程類學生必須掌握的基本技能和方法。因此，在教學過程中特意融入仿真技術的應用，可以對學生實踐技能和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)起著很大的促進作用。

2 仿真技術在教學中的實施

2.1 基本任務

仿真教學的基本任務就是為教學對象建立一個合理仿真模型，由計算機演示以達到幫助學生生動、形象地感知、認識和理解教學內(nèi)容的目的。按照教學大綱要求，融會各種教學方法，設計合理的模型是仿真教學的前提。仿真教學要實現(xiàn)從以傳授知識為主向以培養(yǎng)能力為主的轉(zhuǎn)變，從被動接受為主向主動解惑為主，從以培養(yǎng)共性為主向以培養(yǎng)個性為主的素質(zhì)教育模式的轉(zhuǎn)變。

2.2 仿真教學的基本步驟

（1）根據(jù)所授知識點選擇好仿真平臺、建立合理的仿真模型。電工學的知識點多，涉及面廣，對不同的內(nèi)容可以選擇不同的合理平臺，但要注意以下三點：一，限于學生的計算機知識的不足，平臺的種類不宜過多。筆者認為最好選擇學生熟悉的或工程中常用普及的軟件平臺，甚至可以選擇多媒體技術來仿真，例如：電機正反轉(zhuǎn)的繼電控制系統(tǒng)仿真，可以采用Flash 8.0編程來演示按鈕、繼電器的各個開關的動作順序和系統(tǒng)的工作原理，這樣形象生動、達到事半功倍的效果；二，其次，仿真平臺的選擇還應以教學內(nèi)容為依據(jù)、以形象生動、方便容易操作為首選。三，仿真模型的建立要與教材相結(jié)合、與實踐相結(jié)合，要與教學大綱合理的結(jié)合起來。

（2）明確授課內(nèi)容的難點和重點，熟練掌握和運用仿真模型傳授知識的手段和技巧，做到有效地演示對象的特征、關系和規(guī)律。

（3）結(jié)合仿真結(jié)果對所授的知識點的進行剖析和歸納，合理布置課后的驗證性、綜合性和設計性的仿真練習，以幫助鞏固課堂所學知識。課后練習可以通過網(wǎng)上提供預先的電路、提示、實驗數(shù)據(jù)和答案等方式，減少學生的工作量；另外，安排專門的開放式的實驗室老師協(xié)助學生完成實驗室的相關實踐環(huán)節(jié)，解決仿真過程中出現(xiàn)的問題和難點。

2.3 仿真教學實例－日光燈的功率因素的提高

功率因素的提高是重要的知識點，實踐性非常強。借助日光燈交流電路的相量圖說明通過并聯(lián)電容的方法可以提高電路的功率因素和推導求解補償電容值是學生必須掌握的內(nèi)容，為此，我們結(jié)合課本上的實例設計如圖1所示電路，解釋電路各個變量的變化關系和驗證補償電容值變化規(guī)律，并說明功率因素提高后可以減少線路、電源的損耗［4］。電路仿真環(huán)境選用 Matlab／Simulink實驗平臺，許多工程應用專業(yè)（如控制、信號處理、通訊、機械等）都采用其作為仿真技術課程的平臺；也可以選用EWB軟件仿真模擬，但其不足是仿真后的數(shù)據(jù)處理不如Matlab方便［5］。圖2為Simulink環(huán)境下功率因素提高的電路仿真模型，仿真參數(shù)為秦曾煌主編的“電工學”（第六版）的第143頁的例4.8.1的數(shù)據(jù)，與教材緊密聯(lián)系。

圖1 電容器與電感性負載并聯(lián)以提高功率因素

圖2 Simulink仿真電路模型

圖3 電路變量隨補償電容值的增大變化曲線

對補償電容掃描，得到圖3所示的電路變量隨并聯(lián)補償電容值增大的變化曲線。由圖3（a）可見，并聯(lián)電容前后，感性支路的電流不變，電容電流隨電容線性增大，電路的總電流隨電容先減小、后增大的變化，與圖1（b）的相量圖相符；由圖3（b）可見，隨電容的增大，電感支路的無功不變，電容的無功一直增大，電源的無功一直在向負方向增長，但是其絕對值卻是先減小后增大。由此，可以得到原感性支路的工作狀態(tài)不變，電路總的有功功率不變。在電感性負載上并聯(lián)了電容器以后，減少了電源與負載之間的能量互換。這時電感性負載所需的無功功率，大部分或全部都是就近由電容器供給，即能量的互換現(xiàn)在主要或完全發(fā)生在電感性負載與電容器之間，因而使電源容量能得到充分利用。同時，補償電容的值不能無限的增大，當電容提供的無功等于電感支路的無功時，電源提供的無功等于0，此時達到了最佳補償。同時，提出問題“能否采用串聯(lián)電容的方式提高功率因素”讓學生課后思考，并要求學生進行仿真模型驗證，以鞏固課堂所學內(nèi)容，加深理解。

3 結(jié)束語

總之，仿真教學相對于傳統(tǒng)的板書教學在很多方面具有明顯的優(yōu)勢，靈活有效的使用仿真技術是對非電類專業(yè)電工學教學的一個很好的補充和拓展，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一個重要手段，同時，也是我校電工電子網(wǎng)絡教學和虛擬實驗室建設的內(nèi)涵。

［1］ 張惠娟，等，以科研促教學，帶動本科生科技創(chuàng)新，電氣電子教學學報，2009，31（1）

［2］ 張幅偉，提高電工學教學質(zhì)量初探，教育與教學研究，2009，23（3）

［3］ 劉軍，李旭霞，引入網(wǎng)絡與仿真技術建立電子技術實驗教學系統(tǒng)，電氣電子教學學報，2007，29（6）

［4］ 秦曾煌，電工學（第六版），高等教育出版社，2004

［5］ 薛定宇，陳陽真，系統(tǒng)仿真技術與應用，清華大學出版社，2002