楊蕾

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，難以開(kāi)展設(shè)計(jì)類(lèi)、綜合類(lèi)、工程類(lèi)實(shí)驗(yàn)，已不能滿(mǎn)足電氣專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的問(wèn)題，采用虛擬仿真技術(shù)，圍繞實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性、綜合性、工程性，對(duì)電機(jī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近工程實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有助于培養(yǎng)適應(yīng)電氣技術(shù)和行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 電機(jī) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 實(shí)踐能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0135-04

Research on Virtual Simulation Technology in Electrical Engineering Experiment Teaching

YANG Lei

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， Shaanxi Province， 710055 China）

Abstract： In view of the limitations of traditional electrical experiment teaching， it is difficult to carry out design， comprehensive and engineering experiments， which can not meet the training of applied talents in electrical specialty. The virtual simulation experiment platform is designed by using virtual simulation technology. Focusing on the design， comprehensiveness and engineering of the experiment， the experimental content is close to the actual engineering problems. Through the virtual simulation experiment， it is helpful to cultivate high-quality professionals with innovative spirit and practical ability to adapt to the development trend of electrical technology and industry.

Key Words： Virtual simulation; Electrical engineering; Experiment teaching; Practical ability

目前的高等教育中，越來(lái)越強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教育成為理工科教育的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，隨著各學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和學(xué)生人數(shù)的增多，傳統(tǒng)的電氣實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器功能很難滿(mǎn)足學(xué)生的需求，由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容長(zhǎng)期不變，不僅束縛了學(xué)生的創(chuàng)新思維，更無(wú)法適應(yīng)電氣行業(yè)的快速發(fā)展，因此能夠與實(shí)物相配合的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的概念開(kāi)始成為學(xué)校關(guān)注的重點(diǎn)。

虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種基于軟件技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化，具備諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以與實(shí)物實(shí)驗(yàn)室互補(bǔ);（2）可以輔助高校的科研工作;（3）實(shí)驗(yàn)安全，易于維護(hù);（4）可以重復(fù)多次試驗(yàn)以研究單個(gè)變量或參數(shù)的變化對(duì)實(shí)際問(wèn)題總體系統(tǒng)的影響，而這在實(shí)際問(wèn)題中是不可能做到的;簡(jiǎn)單易懂，結(jié)果比較直觀(guān)。

1? 電機(jī)學(xué)課程開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

“電機(jī)學(xué)”是電氣工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的必修核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其講授的內(nèi)容對(duì)電氣專(zhuān)業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)具有重要的作用，課程內(nèi)容綜合多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，理論性強(qiáng)、概念抽象與工程實(shí)際聯(lián)系密切。“電機(jī)學(xué)”課程的電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理知識(shí)點(diǎn)中，電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生無(wú)法直觀(guān)地對(duì)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)知，學(xué)生普遍反映理解困難;當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由于電力設(shè)備具有高電壓、大電流的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有一定的危險(xiǎn)性;在電機(jī)的設(shè)計(jì)、加工制造、測(cè)試等方面存在設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、工藝要求高、操作復(fù)雜、專(zhuān)業(yè)性要求苛刻、實(shí)驗(yàn)配套成本高、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)困難等問(wèn)題。因此，利用虛擬仿真技術(shù)可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器在拓展性弱，難以開(kāi)展設(shè)計(jì)類(lèi)、綜合類(lèi)、工程類(lèi)實(shí)驗(yàn)等方面的不足。

2? 電機(jī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)“電機(jī)學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題與不足，利用虛擬仿真技術(shù)，圍繞實(shí)驗(yàn)的工程性、設(shè)計(jì)性、綜合性，建立了分層次、模塊化、重基礎(chǔ)、強(qiáng)能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（見(jiàn)圖1）。

認(rèn)知類(lèi)實(shí)驗(yàn)圍繞基礎(chǔ)理論知識(shí)，利用虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)、視頻、聲音等多媒體技術(shù)，展示一些不易直觀(guān)認(rèn)知的電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及抽象的概念原理。通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示使學(xué)生掌握電機(jī)的工作原理，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自主選擇拆裝工具、設(shè)計(jì)拆裝順序進(jìn)行電機(jī)典型結(jié)構(gòu)拆裝，了解典型部件的基本結(jié)構(gòu)及電機(jī)的重要組成。工程實(shí)踐類(lèi)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)構(gòu)建高仿真度的工程實(shí)踐場(chǎng)景，模擬設(shè)備發(fā)生故障，運(yùn)用交互式實(shí)驗(yàn)方法，安全地操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，處理短路、起火等典型故障，讓學(xué)生熟悉故障處理的流程。綜合設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)是以解決實(shí)際工程問(wèn)題為目標(biāo)，借助虛擬仿真技術(shù)，融入項(xiàng)目需求分析、電機(jī)設(shè)計(jì)、虛擬制造、模擬測(cè)試等多個(gè)環(huán)節(jié)，形成一套完整的工程綜合訓(xùn)練，將相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)交叉綜合應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析問(wèn)題、培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思維、提升解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。各類(lèi)實(shí)驗(yàn)后期都將會(huì)持續(xù)完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不斷融入新的科研成果，促進(jìn)教學(xué)深入改革。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可為學(xué)生提供一個(gè)資源豐富、功能強(qiáng)大的學(xué)習(xí)平臺(tái)，提高教學(xué)質(zhì)量。

3? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例

3.1 電機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

電機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、虛擬拆卸、虛擬裝配和實(shí)驗(yàn)測(cè)試4個(gè)模塊組成。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊主要是了解電機(jī)類(lèi)型、原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成部件，如直流電機(jī)、交流電機(jī)、同步電機(jī)，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等，如圖2所示。

虛擬拆卸模塊和虛擬裝配模塊是在了解各個(gè)部件在電機(jī)結(jié)構(gòu)中位置的基礎(chǔ)上，根據(jù)拆裝說(shuō)明進(jìn)行電機(jī)及其典型部件的拆裝操作，設(shè)定拆裝順序和拆裝工具，拆卸及裝配以3D動(dòng)畫(huà)的形式顯示了電機(jī)的拆卸和裝配過(guò)程，如圖3所示。學(xué)生操作正確給予分值，如果操作錯(cuò)誤給予提示則無(wú)分值。實(shí)驗(yàn)測(cè)試模塊是學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成后隨機(jī)抽取定量試題進(jìn)行測(cè)試，用以鞏固知識(shí)。在學(xué)生對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆解、重組的過(guò)程中不僅能夠直觀(guān)地認(rèn)識(shí)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還可以激發(fā)學(xué)生對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，比如改變定轉(zhuǎn)子的位置、改變電機(jī)的勵(lì)磁方式等。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電機(jī)拆裝步驟有了更深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)課本里的抽象概念有了更加直觀(guān)的理解，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣。

3.2 變壓器故障處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

隨著電力工業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，變電站運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜化，在校大學(xué)生僅僅局限于課程學(xué)習(xí)的理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，必須結(jié)合實(shí)際電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，學(xué)習(xí)相關(guān)電力設(shè)備原理及操作過(guò)程。由于電力資源涉及高危高壓環(huán)境，不能人為設(shè)置故障來(lái)訓(xùn)練學(xué)生的技術(shù)水平，因此利用虛擬仿真技術(shù)，建立三維立體環(huán)境使學(xué)生切身融入到虛擬環(huán)境中，模擬變壓器正?；蚬收蠣顟B(tài)，使學(xué)生安全地、身臨其境地完成各項(xiàng)認(rèn)知和操作任務(wù)。

變壓器故障處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由變電站巡檢漫游、變壓器認(rèn)知、變壓器起火故障處理3個(gè)模塊組成。變電站巡檢漫游模塊主要是了解變電站工作區(qū)域以及一次主設(shè)備布局。在變壓器認(rèn)知模塊，學(xué)生可通過(guò)鍵盤(pán)鼠標(biāo)前后移動(dòng)并360°旋轉(zhuǎn)設(shè)備，便于近距離觀(guān)察變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解各組成部件及作用。通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示其工作原理，并可進(jìn)行繞組聯(lián)結(jié)方式及排列順序的學(xué)習(xí)。在變壓器起火故障處理模塊中，通過(guò)在虛擬場(chǎng)景中模擬變壓器起火，使學(xué)生學(xué)習(xí)故障處理流程及安全操作規(guī)范，使學(xué)生在校內(nèi)獲得與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)類(lèi)似的工作經(jīng)驗(yàn)，提高專(zhuān)業(yè)技術(shù)素養(yǎng)。

3.3 電機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)是以某電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證為主線(xiàn)，將電機(jī)設(shè)計(jì)、虛擬裝配、系統(tǒng)測(cè)試等多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)整合與貫穿，將復(fù)雜的電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算以模塊化互交式的設(shè)計(jì)流程呈現(xiàn)，形成一套符合工程實(shí)際的滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行需求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)由知識(shí)認(rèn)知、電機(jī)設(shè)計(jì)與裝配、電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試模擬3個(gè)模塊組成。知識(shí)認(rèn)知模塊的學(xué)習(xí)內(nèi)容包括電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件、永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)部件、永磁電機(jī)運(yùn)行原理等。在電機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，擬定的工程需求下，學(xué)生自主擬定電機(jī)額定值，綜合考慮各種工程約束因素，開(kāi)展電機(jī)的設(shè)計(jì)，包括交流繞組結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、定子鐵芯尺寸設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。在虛擬環(huán)境中模擬組裝電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力總成，加深對(duì)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。在系統(tǒng)測(cè)試模塊，對(duì)整車(chē)進(jìn)行加速、最高車(chē)速、爬坡能力、續(xù)駛里程4個(gè)方面的測(cè)試。通過(guò)虛擬裝配和整車(chē)測(cè)試結(jié)果，不斷改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)成性能目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)參數(shù)是開(kāi)放的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論不唯一，因此提供了豐富的電機(jī)與整車(chē)匹配探索研究?jī)?nèi)容。學(xué)生在試圖達(dá)成目標(biāo)的過(guò)程中，不斷嘗試、調(diào)試、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，探究電機(jī)與系統(tǒng)的內(nèi)在匹配規(guī)律，將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，從電機(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)制造、一直到系統(tǒng)測(cè)試全流程貫通，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的訓(xùn)練效果，極大提升了學(xué)生的工程綜合能力。

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可以更加貼近工程實(shí)際，有效解決以往受實(shí)驗(yàn)設(shè)備或場(chǎng)地限制，用抽象的示意模型代替復(fù)雜受控對(duì)象的問(wèn)題。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，可以使學(xué)生對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)機(jī)理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行更深入的了解，有助于其對(duì)相關(guān)知識(shí)更加全面的理解和掌握，為學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)提供了一條可行的途徑。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)順應(yīng)了以教育信息化工作為主線(xiàn)的高等教育改革發(fā)展趨勢(shì)，也滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新的需要。

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