李 芳，劉潤華，任旭虎

(中國石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266580)

“電工電子學(xué)”是非電類專業(yè)的一門實(shí)踐性課程。近年來，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬成為可能。我們構(gòu)建了電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)，有效地將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了融合。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

電工電子學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由基本電路實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)和電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)四部分構(gòu)成，如圖1所示。基本電路與模擬電路兩類實(shí)驗(yàn)，由于不同實(shí)驗(yàn)之間差異較大，我們對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了單獨(dú)的設(shè)計(jì)。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，我們采用組件化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建了“標(biāo)準(zhǔn)器件庫”［1］。另外對(duì)于所有實(shí)驗(yàn)具有的公共功能，如:布線/拆線功能、連線正確性檢查、電路邏輯功能的模擬和輸出結(jié)果的計(jì)算等專門抽取出來，形成“公共功能組件”。憑借“標(biāo)準(zhǔn)器件庫”和“”公共功能組件“”開發(fā)了功能強(qiáng)大的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)通用平臺(tái)［2］。

對(duì)于電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)，由于學(xué)生需要通過實(shí)驗(yàn)掌握各種控制電器內(nèi)部主要部件的工作原理，我們將按鈕、交流接觸器和熱繼電器等主要控制電器作剖面處理，模擬并彰現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而對(duì)所有實(shí)驗(yàn)的公共功能仍形成“公共功能組件”。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 理論教學(xué)中的應(yīng)用

在“電工電子學(xué)”課程中有些概念較為抽象，比如電機(jī)控制部分，學(xué)生對(duì)于控制電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)動(dòng)作缺乏直觀感性認(rèn)識(shí)，即便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生也只能看到外部動(dòng)作結(jié)果，不能直觀地看到控制電器內(nèi)部部件的相關(guān)動(dòng)作。我們通過虛擬實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了上述不足。

下面以電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制電路為例加以說明，具體電路如圖2所示。首先按實(shí)驗(yàn)要求連接好電路，如圖2(a)所示。合上閘刀開關(guān)，這時(shí)由于未觸動(dòng)啟動(dòng)按鈕，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，如圖2(b)所示。按下啟動(dòng)按鈕，接觸器線圈通電，促使動(dòng)鐵心左移，帶動(dòng)常開主觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)行，結(jié)果如圖2(c)所示。如果松開啟動(dòng)按鈕，線圈失電，從而使得動(dòng)鐵心在支撐彈簧的作用下右移，帶動(dòng)主觸點(diǎn)恢復(fù)常態(tài)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，恢復(fù)到圖2(b)所示狀態(tài)。

通過理論教學(xué)時(shí)的演示，學(xué)生不僅可以直觀地看到電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，還可以清楚地看到按鈕和交流接觸器內(nèi)部相關(guān)部件的連動(dòng)過程。整個(gè)教學(xué)過程無需過多說明，學(xué)生就能理解和掌握這個(gè)控制電路的工作原理，同時(shí)對(duì)各個(gè)控制器件的工作機(jī)理也有了更深的了解。

圖2 虛擬場景下異步電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制電路

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

我們現(xiàn)以數(shù)字電路中“組合邏輯電路的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行討論。學(xué)生通過組合邏輯電路的學(xué)習(xí)，就可在平臺(tái)上自行設(shè)計(jì)一些實(shí)用電路，如三人表決電路、交通燈失靈檢測電路和電動(dòng)機(jī)故障報(bào)警電路等。這些電路是否滿足設(shè)計(jì)要求，只需通過平臺(tái)測試即可。圖3是根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選用集成芯片74LS00 和74LS10 設(shè)計(jì)生成的三人表決電路。在平臺(tái)中提供了種類齊全的基本元器件、集成芯片和儀器設(shè)備，學(xué)生可以在其中選擇符合自己設(shè)計(jì)要求的芯片和儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)過程中所有操作(包括接線和測試數(shù)據(jù))與實(shí)際過程相似，操作起來非常方便。學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，可及時(shí)通過調(diào)整電路參數(shù)或優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，甚至還可對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行故障測試，而不必?fù)?dān)心元器件和儀器設(shè)備的損壞。

由于虛擬實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)環(huán)境下的操作，學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)不再受到空間和時(shí)間的限制，完全可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)不再受到實(shí)驗(yàn)條件的約束，使學(xué)生可以充分發(fā)揮主觀能動(dòng)力和創(chuàng)造力。

圖3 數(shù)字電路虛擬操作平臺(tái)—三人表決電路

3 結(jié)語

本文闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建思想以及在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。我們認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，有效地搭建起了理論知識(shí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。通過虛擬實(shí)驗(yàn)這種實(shí)驗(yàn)形式，不僅可以解決理論教學(xué)中的一些難點(diǎn)問題，還可緩解目前制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的各種客觀因素所帶來的問題，也為將來開展開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有利條件。

［1］ 范新偉，申瑞民，申麗萍. 虛擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化的研究和解決方案［J］. 北京:計(jì)算機(jī)仿真，2005，22(1):175-179.

［2］ 周鵬，李芳. 數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用［J］.北京:現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19(2):121-123.

［3］ 孫俊卿，羅云林，黃建宇等. 虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 天津:實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009，6:119-122.