基于虚拟现实技术的“电力电子”课程教学策略研究

［摘 要］ 电力电子是一门专业化、技术密集型学科，新时代，学生的学习需求相对较高，传统的教学方法很难满足他们的学习要求。因此，虚拟现实技术逐渐进入“电力电子”课程教学，为传统的教学模式注入了新活力。基于虚拟现实技术的“电力电子”课程教学策略研究，有望为教育工作者的教学实践提供一种新的思路。通过创建沉浸式的学习环境和实时互动性强的虚拟平台，可以有效增强学生的兴趣和实践能力，使复杂的电力电子概念更加生动易懂，激发了学生的创新思维，提高了整体教学效果。

［关键词］ 虚拟现实技术；电力电子；教学策略；教学模式创新

［基金项目］ 2022—2024年河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于Wed 3D技术的‘电力电子技术’课程混合教学平台开发与实践研究”（2022GJJG419）

［作者简介］ 董淑惠（1978—），女，青海西宁人，硕士，华北电力大学（保定）电气与电子工程学院讲师，主要从事风力发电控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）45-0153-04 ［收稿日期］ 2024-05-22

随着科学技术的不断进步和发展，虚拟现实（virtual reality， VR）作为一种先进的人机交互技术，已成为近年来最引人注目的技术创新之一。虚拟现实技术具有广泛的应用，包括科学可视化、飞行模拟、医学、遥感和远程控制、CAD/CAM、教育、娱乐等。虚拟现实技术的特点主要包括仿真、交互和想象。仿真是指虚拟现实系统对现实世界中的事物进行本质和内在模拟的能力；交互强调虚拟现实系统能够根据人类的操作做出反应，让操作员在虚拟环境中能够进行有效的操作；想象是指虚拟现实系统能够为操作者提供合理的想象空间，使他们在虚拟环境中探索各种可能性。

虚拟现实技术在“电力电子”课程教育领域的应用尚处在初级阶段。一些大学和教育机构开始尝试将虚拟现实技术引入课堂，通过模拟实验室环境、电路构建等互动环节，在虚拟空间中进行操作，更好地了解电力电子的工作原理和设计过程。这种新的教学方法有效提高了学生的学习热情和动手能力。在优势的背后，也有许多挑战：第一，虚拟现实技术对硬件设备的要求较高，在普通教育环境中的普及受到一定程度上的限制。第二，开发高质量的教学内容需要较丰富的跨学科专业知识和技术，这对教师团队提出了一定要求。在虚拟环境中如何有效评价学习效果也是教育者需要面对的问题。随着虚拟现实技术在电力电子教育领域的不断成熟和成本的降低，技术的应用更加广泛。教学内容发展也将趋于多样化，包括基础理论教学、实验操作演示、故障诊断和维护、结合人工智能等技术，可以实现个性化教学、路径推荐和智能评估，进一步提高教学效率和质量。虚拟现实技术为“电力电子”课程教育带来了新的生机与活力，尽管存在一些挑战，在提高学生体验和教学效果方面潜力很大。电力电子教育能够借助虚拟现实技术，通过不断探索和创新，培养出更多电力电子行业适应未来发展的高技术人才。

一、“电力电子”课程特点

“电力电子”课程以其独特的魅力和意义，成为连接理论与实践的桥梁，带领学生走进神秘的电气技术圣殿。

（一）基础知识与实践能力要求高

电力电子系统的高效可靠构建依赖于扎实的基础知识和实践能力。只有理论与实践紧密结合，才能培养出高素质电力电子领域专业人才，推动关键技术领域的不断进步和发展。电力电子技术的基础知识是该领域的核心，包括控制策略、电路拓扑、半导体器件的工作原理等。掌握这些概念对于理解和设计电力电子转换器十分关键。例如，掌握IGBT和MOSFET的工作原理可以选择正确的设备进行能量转换。同样，熟悉不同型号的整流器和逆变器的优点和缺点，可以在应用中合理地进行技术决策。然而，把理论基础知识与实际操作分割开来，较难支撑起真正的项目。因此，“电力电子”课程还应注重对学生实践能力的培养。这包括许多技能，如实验调试、模拟分析、电路设计和故障排除。通过在实验室实际操作，可以将抽象的理论转化为具体的技能，如在实验板上搭建和测试电力电子转换器或者是利用专业软件进行电路模拟。将新技术和材料应用于现有的电力电子系统，学习如何提高系统性能。这就要求学生不仅具备扎实的专业知识，还要有实践能力和创新精神。“电力电子”课程不仅把通过考试作为最终的目标，还要培养能够引领技术创新并且能够独立解决实际问题的专业工程师。这需要学校教育提供充分的理论基础知识教学和实践能力锻炼，鼓励学生跳出课本，将知识运用到实际的复杂挑战中。只有这样，电力电子技术的研究和学习才能真正发挥其应有的价值，为社会的可持续发展贡献力量。

（二）教学内容的抽象性、综合性和实践创新性

电力电子技术的学习要求学生具备扎实的理论基础，将理论知识与实践操作相结合，还需具备跨学科的综合分析能力和创新思维。“电力电子”课程教学内容和其他学科的教学相比有显著的特点，如内容的抽象性、综合性和实践创新性。

抽象性：电力电子技术涉及大量的理论教学知识点，包括波形分析、电路分析等，这些知识都较为抽象。例如，电路动态演示教学系统的设计，强调模型的完善和实验参数的自主设定性，这些都需要足够的理论知识储备量才能有效操作。电力电子中的抽象理念，如仪表工作原理和电路分析被认为是复杂的和抽象的，这要求学生能够将这些抽象概念具象化，便于对理论知识的理解和掌握［1］。

综合性：电力电子技术不仅包含丰富的理论知识，还包含多个领域的知识，如电力电子设备数学建模、稳定性分析、控制器设计等。电力电子技术的跨学科特性，使之成为一门综合性较强的课程。为提高学生的综合分析能力和教师教学质量，采用了仿真工具和项目实验式教学等方法，实现了理论与实践的紧密结合。电力电子技术教学内容的综合性在模块化实验教学法中也有体现，通过实验方法模块化和知识体系模块化的方式，加强了对学生实践能力的培养，推进了实验教学的全面发展。

实践创新性：电力电子技术的教学强调了理论知识的传授，除此之外还须加强培养学生的实践操作技能。通过引入工程实例化教学，将技术及主流产品与具体工程相结合，鼓励学生参与产品设计与制作，加强工程素质和意识的培养，提高其动手能力。理论教学与实践教学的一体化不仅提高了教学质量和教学效果，还加强了课程的实践创新性。

二、虚拟现实技术在“电力电子”课程教学中的应用策略

虚拟现实技术以其独特的沉浸式体验、实时交互性，为“电力电子”课程教学提供了全新的可能。通过构建虚拟实验室、模拟实际电路和设备，在安全的环境中实时进行实践操作，提高实验技能。同时，虚拟现实技术还可以以直观的形式呈现抽象的电力电子理论知识，帮助学生更好地理解和掌握相关概念，快速解决在学习中遇到的问题。

（一）沉浸式学习体验

为在电力电子技术教学中充分发挥虚拟现实技术的优势，教师须采用合理的教学策略。首先，教师应结合课程内容设计富有挑战性和趣味性的虚拟实验项目，激发学生的学习兴趣和动力。随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术不再是科幻小说中的概念，而是逐渐融入实践教学。特别是在电力电子专业领域，虚拟现实技术的应用不仅改变了传统的教学模式，还提供了前所未有的沉浸式学习体验。

电力电子学科涉及复杂的电路理论和抽象控制策略，传统教学方法难以使学生直观理解和掌握知识要点。此时，虚拟现实技术的介入通过模拟电力系统的真实环境带入一个三维的虚拟世界。在这个由数据和图像构建的世界里，学生可以近距离观察电力电子器件及其构成设备的工作状态，实时监控电路参数的变化，甚至可以人机互动式操作开关和调节控制器，从而获得身临其境的学习体验。这种沉浸式的体验不仅加深了学生对电力电子理论知识的理解，还激发了学生探索知识的欲望。虚拟现实技术在电力电子教学中的应用，不仅为学生提供了一个沉浸式的学习平台，也开辟了一条新的知识之路。这条道路不仅引导学生深入理解电力电子的奥秘，也为学生未来的职业生涯开辟了一条光明的道路。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，有理由相信这种沉浸式的教学体验将成为教育领域的一大趋势，带领学生走向更广阔的知识海洋。

（二）实时交互性

虚拟现实技术在电力电子教学中的实时交互，给传统的教育模式带来了革命性的变化。这样不仅提高了学习的乐趣和安全性，还有效提高了教学的效率和质量。虚拟现实技术在电力电子教学中的实时交互主要表现为：可视化虚拟实验室环境建设、故障诊断和维修培训、复杂概念可视化、远程协作与交互式学习、个性化学习路径与资源共享。

可视化虚拟实验室环境的构建。在电力电子教学中虚拟现实技术可以构建一个3D虚拟实时交互的实验室环境。模拟实验室的建设和运行能够在没有物理风险的情况下实时进行各种电路建设和实验操作。这个实时交互式模拟实验室允许随时自由探索和实验不同的电路组合，无须担心安全问题或设备损坏。通过这种实时互动学习模式，可以立即看到操作结果，及时调整实验策略，让学生在学习过程中获得真实的实验操作体验，从而加深其对电力电子原理的理解。

故障诊断和维修培训。在电力电子系统的维护教学中，可以跨时空预设一系列教学场景，学生不受时间和地点的限制随时进入虚拟教室进行学习。虚拟现实技术为故障诊断和维修培训提供了一个理想的平台。在虚拟环境中实时模拟各种故障情况，通过实时交互操作检测并解决实践问题。这种动手体验对于培养学生解决问题能力和动手技能至关重要，同时也避免了实际设备可能产生的维护成本。

复杂概念的可视化。电力电子专业的课程大多是复杂的理论和抽象的概念，在传统的教学方法中较难完全掌握，复杂概念可视化解决了这一问题。VR系统可以实时监控操作，一旦出现错误或操作不当，系统会立即给出提示或纠正，帮助使用者快速理解和纠正错误。例如，教师可以在教学过程中呈现电阻器、电容器、电感器、电流、电磁场分布等现象。学生通过VR头戴设备实时观察这些通常看不见的物理现象，并以更直观的方式掌握知识要点。通过这种实时交互反馈机制，有效避免了传统实验中等待教师逐一检查所导致的时间延迟，提高了学习效率。

远程协作和互动学习。虚拟现实技术支持虚拟环境中的远程协作，允许学生在不同的地理位置组成团队，进入同一个虚拟环境进行协作和互动。在虚拟空间中相互交流和讨论，实时分享彼此的发现和成果，这种协作模式不仅锻炼了学生的团队合作能力，还提高了互动性和趣味性。互动方式打破了地域限制，促进了国际学术交流与合作。学生可以通过虚拟现实技术与世界各地的同学一起解决问题，拓宽视野并提高团队合作能力。

个性化学习路径的定制。虚拟现实技术可以根据学习进度和需求提供个性化的学习路径。通过在虚拟环境中收集的数据和学习反馈，制订适合每名学生的学习计划和难度，确保学习节奏根据学生不同的学习情况量身定制。

资源共享。通过虚拟现实技术平台，可以实时广泛共享和传播高质量的电力电子教学资源。不同地区和背景的学生可以根据自己的情况实时访问相同的学习内容，并享受平等的教育机会。这种开放的资源共享模式，不仅拓宽了教育的边界，也为电力电子知识的普及和推广提供了有力支撑。

虚拟现实技术在电力电子教学中的实时交互表现是多方面的。通过互动仿真、跨时空教学、协同学习、即时反馈、资源共享，极大地丰富了电力电子教育的教学手段，提高了教学质量，培养了更多电力电子技术专业人才。随着虚拟现实技术的不断成熟和发展，未来的电力电子教学将更加高效、生动、个性。

三、教学模式与创新

（一）利用虚拟现实技术进行实验教学

传统的电力电子实验教学受物理空间和设备数量的限制，在进行实验操作时会感到拥挤，由于设备成本较高，学校难以配备足够的实验设备。虚拟现实技术的引入有效地解决了这一问题。通过头戴式显示器可以在虚拟实验室环境中模拟各种电力电子设备的操作，不受时间和空间的限制。这种沉浸式的学习体验让学生感觉置身于真实的实验室，极大地提高了实验操作的真实性、互动性和有效性。