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摘要：首先探讨了实践教学的意义与方式，在此基础上提出了将可视化教学手段引入“电力电子技术”实践教学的新方法。该方法基于MATLAB平台，把复杂的电路动态过程制作为三维动画，相对硬件电路实验具有清楚展现电路变化的全貌的显著特点，可以极大增强学生的感性认识，巩固对理论知识的理解。
关键词：可视化；电力电子；MATLAB
作者简介：夏小虎（1975-），男，安徽巢湖人，合肥学院机械工程系，讲师；张春鹏（1980-），男，山东庆云人，合肥学院机械工程系，实验师。（安徽 合肥 230022）
基金项目：本文系合肥学院青年教师课程教学研究项目（项目编号：K0605）的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）12-0146-02
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和变换的技术。[1]“电力电子技术”课程主要包括电力电子电路的电磁过程、基本原理、控制方法、设计计算、实验技能等内容。该课程上承“电路分析”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”等专业基础理论课，下接“电机拖动与自动化”、“机电传动控制”等一系列专业课，将电气工程领域的重要知识点在理论与实践两个层面有机结合，是自动化专业的核心课程之一。目前，培养具有实践动手能力的应用型人才是包括合肥学院在内的众多高校的人才培养目标之一。与此相适应的是，各种实践环节的教学得到重视与加强。本文结合“电力电子技术”课程教学体会，对该课程实践教学环节的意义和方式进行深入研究，并介绍了利用科学与工程计算软件MATLAB实现可视化电路的实践教学方式。
一、实践教学的意义和方式
一般认为，学习的过程是：从理论到实践是第一次飞跃，从实践再回到理论是第二次飞跃。[2]过去理解的实践更多是指学生毕业后参加工作，现在的实践则更多指教学过程中让学生真刀实枪的参加生产实践。这一变化的意义是力图加速第一次飞跃进程，使学生在毕业后更好地适应实际工作，成为学有所用的为社会接纳的实用人才。高校教学并不是岗前培训。本科教学的实践环节更重要的意义在哪里？笔者认为，本科教学的实践环节更重要的意义是使第二次飞跃提前，即从实践再回到理论。此时理论必然深刻而升华。如果这一提前出现在学生未毕业前，必将带来课堂与实践相互促进的生动活泼的教学局面，即所谓“授之以鱼未若授之以渔”。
本着这一教学理念，实践教学的组织应该以提高学生的专业理论素质为最终目标。以电气类课程教学为例，笔者在组织合肥学院自动化专业课堂和实践教学中，切身感受到教学难点是如何让学生真正理解有关电子电气的基本概念，如电流、电压、电容、电感和功率等。这些概念的建立与否将很大程度上决定未来电气工程师的专业理论修养。在“电力电子技术”这一课程教学中的问题尤为突出。该课程具有很强的工程应用背景，综合了学生在一、二年级学习的电气工程基本概念。所以实验室实践教学在使学生熟悉电气设备的同时，更重要的是帮助学生巩固理解基本概念。但是，电现象不可见，所以仅凭在实验室的硬件动手操作并不能完全透彻理解上述概念，需要另辟蹊径，调动其他可行的实践教学手段辅助课堂理论教学，以达到教学目的。
二、教学案例
实践教学的形式多样，借助计算机技术的可视化教学方兴未艾。[3-6]下面介绍一种基于MATLAB的可视化实践教学方案。近年来，美国Dartmouth大学Charles R. Sullivan提出了一种电路三维动画实现方案，[7]将电路的动态变化以动画的形式实时展现，电容、电感等元件上的电流电压参数变化可以让观众一目了然，印象深刻。
这一研究成果基于MATLAB（Matrix Laboratory）软件平台，该软件为目前科学与工程计算使用最广泛的工具之一。Charles R. Sullivan开发了制作三维动画电路的函数库，其核心是实现电压和电流的可视化，使用者在MATLAB开发环境中根据对路动态分析获得电路中各元件的电压电流矢量，然后调用上述函数库即可制作出所需的三维动画电路。另外值得关注的是，Charles R. Sullivan的这一研究工作获得美国国家自然基金委员会（United States National Science Foundation）部分资助。下面以“电力电子技术”课程中六种直流-直流变换电路之一（DC-DC Converter）降压斩波电路（Buck Converter）分析为例说明上述方法的可行性与有效性。降压斩波电路结构如图1所示。图中开关管G导通，直流电源V向电感L、电容C和电阻R馈送电能。G关断，L，C通过二极管D支路将储能向R释放。L，C电压电流存在相位差，故向电阻释放能量不同步。L，C之间还有能量交换。该电路的工作原理详见文献[1]，此处不再赘述。
首先，此电路包含电阻电容和电感三种负载，涉及到“电路分析”中二阶电路的动态分析的知识点，其次还要考虑开关管的导通与关断引起的电源电压对电路的影响。另外，当电感和电容等储能元件的值选取不同的值，电阻负载上可能出现电流不连续的情况，这些都增加了教学难度，使课堂上单纯的讲解和板书显得苍白无力。在实验室使用示波器观看电路图形也是局限于一两点。（据笔者了解，多数高校的学生实验室中示波器的最高配置为双踪示波器。）
将该电路制作成三维动画，将整个电路系统各元件线路的电流电压变化实时动态的展现，学生可以获得对整个电路动态变化直观的感性认识，极大地促进他们对理论的认知和理解，也使教学过程相对轻松许多。降压斩波电路的动画实现和部分截图如图2所示。将一个开关周期平均分为100个时间点，100帧静态图连成动画，并可以连续重复播放多个周期，真实复现实际电路。图2选取了16帧，显示了一个周期内电路变化全貌。图3、4、5分别为第1、50 和99帧。图中立体化显示了电源电压和电容电压，流过各支路的电流以箭头线表示，箭头方向与电流方向一致，长短表示电流大小。
三、结论
本文讨论了实践教学的意义与方式，提出了将可视化教学手段引入“电力电子技术”实践教学的新方法。该方法基于MATLAB平台，把复杂的电路动态过程制作为三维动画，相对硬件电路实验具有清楚展现电路变化的全貌的显著特点，可以很好地增强学生的感性认识，巩固对理论知识的理解。
这一方法在欧美国家电气工程教学中已经引起关注和研究兴趣，也顺应我国现有的应用型本科院校的人才培养目标和教育部卓越工程师培养计划中关于工科人才素质培养要求，应该值得教学一线人员的研究与探索。
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]顾秉林.加强实践教育 培养创新人才——在清华大学第22次教育工作讨论会开幕式上的讲话[J].清华大学教育研究,2004,(6).
[3]U.Drofenik,J.W.Kolar,P.J.van Duijsen,and P.Bauer,“New web-based interactive e-learning in power electronics and electrical machines”[C].Proceedings of 2001 IEEE Industry Applications Society 36th Annual Meeting,2001:1858.
[4]Dick White and Roger Doering,Electrical Engineering Uncovered,[M].Prentice Hall,second edition,2001.
[5]U.Drofenik and J.W.Kolar,“Interactive power electronics seminar(iPES)—a web-based introductory power electronics course employing java-applets”[C].Proceedings of Power Electronics Specialists Conference,2002:443.
[6]F.A.S.Gonvalves and C.A. Canesin,“Java applets for a WWW-HTML based course in power electronics”[C].IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference,2001:85-90.
[7]C.R.Sullivan.“Three dimensional circuit animations visualize voltage”[C].ASEE 2002 Annual Conference,2002.
（责任编辑：苏宇嵬）
关键词：可视化；电力电子；MATLAB
作者简介：夏小虎（1975-），男，安徽巢湖人，合肥学院机械工程系，讲师；张春鹏（1980-），男，山东庆云人，合肥学院机械工程系，实验师。（安徽 合肥 230022）
基金项目：本文系合肥学院青年教师课程教学研究项目（项目编号：K0605）的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）12-0146-02
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和变换的技术。[1]“电力电子技术”课程主要包括电力电子电路的电磁过程、基本原理、控制方法、设计计算、实验技能等内容。该课程上承“电路分析”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”等专业基础理论课，下接“电机拖动与自动化”、“机电传动控制”等一系列专业课，将电气工程领域的重要知识点在理论与实践两个层面有机结合，是自动化专业的核心课程之一。目前，培养具有实践动手能力的应用型人才是包括合肥学院在内的众多高校的人才培养目标之一。与此相适应的是，各种实践环节的教学得到重视与加强。本文结合“电力电子技术”课程教学体会，对该课程实践教学环节的意义和方式进行深入研究，并介绍了利用科学与工程计算软件MATLAB实现可视化电路的实践教学方式。
一、实践教学的意义和方式
一般认为，学习的过程是：从理论到实践是第一次飞跃，从实践再回到理论是第二次飞跃。[2]过去理解的实践更多是指学生毕业后参加工作，现在的实践则更多指教学过程中让学生真刀实枪的参加生产实践。这一变化的意义是力图加速第一次飞跃进程，使学生在毕业后更好地适应实际工作，成为学有所用的为社会接纳的实用人才。高校教学并不是岗前培训。本科教学的实践环节更重要的意义在哪里？笔者认为，本科教学的实践环节更重要的意义是使第二次飞跃提前，即从实践再回到理论。此时理论必然深刻而升华。如果这一提前出现在学生未毕业前，必将带来课堂与实践相互促进的生动活泼的教学局面，即所谓“授之以鱼未若授之以渔”。
本着这一教学理念，实践教学的组织应该以提高学生的专业理论素质为最终目标。以电气类课程教学为例，笔者在组织合肥学院自动化专业课堂和实践教学中，切身感受到教学难点是如何让学生真正理解有关电子电气的基本概念，如电流、电压、电容、电感和功率等。这些概念的建立与否将很大程度上决定未来电气工程师的专业理论修养。在“电力电子技术”这一课程教学中的问题尤为突出。该课程具有很强的工程应用背景，综合了学生在一、二年级学习的电气工程基本概念。所以实验室实践教学在使学生熟悉电气设备的同时，更重要的是帮助学生巩固理解基本概念。但是，电现象不可见，所以仅凭在实验室的硬件动手操作并不能完全透彻理解上述概念，需要另辟蹊径，调动其他可行的实践教学手段辅助课堂理论教学，以达到教学目的。
二、教学案例
实践教学的形式多样，借助计算机技术的可视化教学方兴未艾。[3-6]下面介绍一种基于MATLAB的可视化实践教学方案。近年来，美国Dartmouth大学Charles R. Sullivan提出了一种电路三维动画实现方案，[7]将电路的动态变化以动画的形式实时展现，电容、电感等元件上的电流电压参数变化可以让观众一目了然，印象深刻。
这一研究成果基于MATLAB（Matrix Laboratory）软件平台，该软件为目前科学与工程计算使用最广泛的工具之一。Charles R. Sullivan开发了制作三维动画电路的函数库，其核心是实现电压和电流的可视化，使用者在MATLAB开发环境中根据对路动态分析获得电路中各元件的电压电流矢量，然后调用上述函数库即可制作出所需的三维动画电路。另外值得关注的是，Charles R. Sullivan的这一研究工作获得美国国家自然基金委员会（United States National Science Foundation）部分资助。下面以“电力电子技术”课程中六种直流-直流变换电路之一（DC-DC Converter）降压斩波电路（Buck Converter）分析为例说明上述方法的可行性与有效性。降压斩波电路结构如图1所示。图中开关管G导通，直流电源V向电感L、电容C和电阻R馈送电能。G关断，L，C通过二极管D支路将储能向R释放。L，C电压电流存在相位差，故向电阻释放能量不同步。L，C之间还有能量交换。该电路的工作原理详见文献[1]，此处不再赘述。
首先，此电路包含电阻电容和电感三种负载，涉及到“电路分析”中二阶电路的动态分析的知识点，其次还要考虑开关管的导通与关断引起的电源电压对电路的影响。另外，当电感和电容等储能元件的值选取不同的值，电阻负载上可能出现电流不连续的情况，这些都增加了教学难度，使课堂上单纯的讲解和板书显得苍白无力。在实验室使用示波器观看电路图形也是局限于一两点。（据笔者了解，多数高校的学生实验室中示波器的最高配置为双踪示波器。）
将该电路制作成三维动画，将整个电路系统各元件线路的电流电压变化实时动态的展现，学生可以获得对整个电路动态变化直观的感性认识，极大地促进他们对理论的认知和理解，也使教学过程相对轻松许多。降压斩波电路的动画实现和部分截图如图2所示。将一个开关周期平均分为100个时间点，100帧静态图连成动画，并可以连续重复播放多个周期，真实复现实际电路。图2选取了16帧，显示了一个周期内电路变化全貌。图3、4、5分别为第1、50 和99帧。图中立体化显示了电源电压和电容电压，流过各支路的电流以箭头线表示，箭头方向与电流方向一致，长短表示电流大小。
三、结论
本文讨论了实践教学的意义与方式，提出了将可视化教学手段引入“电力电子技术”实践教学的新方法。该方法基于MATLAB平台，把复杂的电路动态过程制作为三维动画，相对硬件电路实验具有清楚展现电路变化的全貌的显著特点，可以很好地增强学生的感性认识，巩固对理论知识的理解。
这一方法在欧美国家电气工程教学中已经引起关注和研究兴趣，也顺应我国现有的应用型本科院校的人才培养目标和教育部卓越工程师培养计划中关于工科人才素质培养要求，应该值得教学一线人员的研究与探索。
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]顾秉林.加强实践教育 培养创新人才——在清华大学第22次教育工作讨论会开幕式上的讲话[J].清华大学教育研究,2004,(6).
[3]U.Drofenik,J.W.Kolar,P.J.van Duijsen,and P.Bauer,“New web-based interactive e-learning in power electronics and electrical machines”[C].Proceedings of 2001 IEEE Industry Applications Society 36th Annual Meeting,2001:1858.
[4]Dick White and Roger Doering,Electrical Engineering Uncovered,[M].Prentice Hall,second edition,2001.
[5]U.Drofenik and J.W.Kolar,“Interactive power electronics seminar(iPES)—a web-based introductory power electronics course employing java-applets”[C].Proceedings of Power Electronics Specialists Conference,2002:443.
[6]F.A.S.Gonvalves and C.A. Canesin,“Java applets for a WWW-HTML based course in power electronics”[C].IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference,2001:85-90.
[7]C.R.Sullivan.“Three dimensional circuit animations visualize voltage”[C].ASEE 2002 Annual Conference,2002.
（责任编辑：苏宇嵬）