馬強　劉靜

摘 要：基于成果導向的人才培養(yǎng)需要相關(guān)課程教學方法的改進。針對電工電子技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗設(shè)計了虛擬仿真操作方式，能夠有效解決學生獨立完成實驗的問題，客觀反映同學對相關(guān)知識的掌握和運用能力，有助于教師對教學方法的進一步改進。

關(guān)鍵詞：成果導向 課程實驗 虛擬仿真 獨立 教學方法

《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程是湖北文理學院交通設(shè)備與控制工程專業(yè)的學科基礎(chǔ)課程，對知識的應用能力有較高要求。該課程共設(shè)置12個實驗項目，包含電路分析、交流電與電機、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)四部分內(nèi)容，能夠?qū)碚撝R的具體應用起到重要補充作用。一般情況下實驗項目由同學通過對應的實驗設(shè)備在規(guī)定的時間內(nèi)操作完成，達到對相關(guān)知識的掌握情況的檢測。在實際開展過程中，由于受到實驗設(shè)備數(shù)量有限、設(shè)備老化等因素的影響，不能保證每個同學都可以獨立完成相關(guān)實驗，對同學是否真正掌握相關(guān)知識點的應用無法做出準確判斷。因此該實驗教學方法有待進一步改善。

虛擬仿真技術(shù)隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸成為重要的設(shè)計與分析手段。采用虛擬仿真的方法可以保證在設(shè)置相同的前提下，取得較好的一致性結(jié)論，特別適合應用于課程實驗的操作。

OBE（Outcome Based Education，OBE）理念是一種以成果為目標導向的教育方式，它以學生為中心，讓學生在完成最終目標的過程中可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，采用所學的各種知識，可以充分體現(xiàn)學生的知識運用能力。

本文將以“星-三角轉(zhuǎn)換器”設(shè)計實驗為例，探討OBE理念下如何應用Multisim仿真軟件開展虛擬仿真實驗設(shè)計與分析，為該課程的教學改革提供借鑒。

1 虛擬實驗項目設(shè)計

“星-三角轉(zhuǎn)換器”是異步電機降壓啟動的重要方式之一，該實驗能夠反映同學對電機繞組連接形式的理解和變換過程中電壓、電流的改變情況。使用實驗臺進行該項實驗容易造成臺面連接線雜亂、連接錯誤后不容易判斷改正等問題。將此項目變換為虛擬仿真實驗可以避免以上問題。

1.1 實驗目的設(shè)定

“星-三角轉(zhuǎn)換器”的功能是對異步電機進行降壓啟動，從而達到降低啟動電流、同電網(wǎng)其他用電設(shè)備安全運行的目的。因此本實驗的核心內(nèi)容有兩點：一是同學獨立完成星-三角轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)（不包含繼電器部分）；二是根據(jù)完成的電路進行數(shù)據(jù)測量并分析降壓前后電壓、電流及轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

根據(jù)OBE理念，本虛擬仿真實驗的實驗目的為三個：

（1）學生能夠正確完成星-三角轉(zhuǎn)換器的電路圖，并運行無誤；

（2）學生能夠選擇并正確設(shè)置測量儀表，獲得電壓、電流等數(shù)據(jù)；

（3）學生能夠?qū)y量的數(shù)據(jù)進行正確分析，得到星三角降壓前后的電壓、電流及轉(zhuǎn)矩關(guān)系。

1.2 實驗操作

“星-三角轉(zhuǎn)換器”的本質(zhì)是將正常運行時三角形連接的定子繞組在啟動的時候首先按照星型連接，在電機運行一定時間后自動再將定子繞組連接為三角形，工作原理如圖1所示。

Multisim軟件中雖然有異步電機模塊，但是該模塊的定子繞組卻不能改變連接形式，因此不能直接使用。從OBE的角度，這里需要同學能夠根據(jù)星三角變換的本質(zhì)，自己尋找合適的元件，滿足繞組連接方式變化的要求。

該實驗的電路圖主要由三個元件組成：三相電源、三相對稱定子繞組和轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中三相電源選擇元件庫中“電源組”中“POWER_SOURCES”系列中的“THREE_PHASE_WYE”電源，如下圖2。三相對稱定子繞組可以認為由三個一樣的RL電路組成，電阻R可以選擇元件庫中“Basic”組中“RESISTOR”系列中默認的1.0K歐姆的電阻。電感L可以選擇元件庫中“Basic”組中“INDUCTOR”系列中默認的1mH的電感，組合后的RL電路如下圖3。對RL電路繪制過程再重復2次操作，獲得一組對稱的三相定子繞組電路。轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇元件庫中的“Electro_Mechanical”組中的“SUPPLEMENTARY_SWITCHES”系列中的“3PDT_SB”元件，如圖4。雙擊這些元件，可以進入?yún)?shù)修改頁面，針對實驗需要進行參數(shù)修改。

將所有元件連接并整理，同時為便于觀察，設(shè)置一個電壓表測量A相繞組兩端電壓；設(shè)置一個示波器，用A通道觀察電壓UAB，用B通道觀察A項繞組電壓UA，設(shè)置一個探針用于觀察A相中的電流，完整電路如圖5。

轉(zhuǎn)換開關(guān)初始位于星型連接狀態(tài)。點擊運行，在一定時間間隔后對轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換操作，觀察電壓表讀數(shù)變化和示波器波形變化。

2 實驗數(shù)據(jù)分析設(shè)計

星三角轉(zhuǎn)換器的作用就是降低電機啟動時過大的電流，同時考察在降低電流的同時定子上電壓的變化情況，因此設(shè)計了以下的基本數(shù)據(jù)表1：

完成實驗項目建模后，運行仿真程序并根據(jù)表1進行數(shù)據(jù)記錄，可以得出結(jié)論：使用星型連接進行電機啟動時電流相對電機正常使用三角形連接運行時的電流小的多，最終實現(xiàn)降低啟動電流的作用。圖6-圖8分別給出了兩種連接形式下的電壓、電流、波形。

3 實驗改革成效分析

湖北文理學院交控專業(yè)開設(shè)的《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程目前共有4個課程目標，其中三個課程目標由課程實驗的數(shù)據(jù)來支撐，具體是：能夠根據(jù)實驗項目對實驗數(shù)據(jù)進行正確采集與記錄；能夠利用實驗數(shù)據(jù)對電工電子相關(guān)的基礎(chǔ)理論進行分析與驗證；能夠在實驗團隊中體現(xiàn)組織協(xié)調(diào)能力。最后一個課程目標將由最后一個自主設(shè)計實驗體現(xiàn)，2—3人形成一個小組，完成自主實驗的設(shè)計、實現(xiàn)、采集與分析。

交控專業(yè)2021班通過完實驗臺成星三角轉(zhuǎn)換器設(shè)計實驗。由于實驗設(shè)備只有11臺，所以2—3人一組使用一臺設(shè)備，不能保證每位同學獨立完成操作，也不能充分發(fā)揮同學的主動性。而交控專業(yè)2022班通過虛擬仿真的方式完成該實驗，每位同學通過電路分析、元件選擇與連接、數(shù)據(jù)記錄與分析等操作獨立完成，實現(xiàn)了對相關(guān)知識的獨立運用，掌握了該內(nèi)容，達到了該實驗的設(shè)置目的。

表2為課程實驗改革前后不同年級同學的課程目標達成情況分析。通過對最后的課程分析情況可以看出：進行實驗課程改革后同學們在實驗相關(guān)的成績有所提高，反映出了同學們的實踐能力得到進一步鍛煉，體現(xiàn)了現(xiàn)階段開展教學方法改革的必要性。

4 結(jié)束語

課程實驗是課程教學的重要組成，也是對課程知識點的應用體現(xiàn)。本文從OBE理念出發(fā)，對電工電子技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗設(shè)計進行了改進，通過采用仿真實驗的方式，實現(xiàn)每位同學都獨立建模操作、獨立運用知識、獨立數(shù)據(jù)分析，充分反映了同學對相關(guān)知識的運用成效，也有利于教師根據(jù)同學完成情況進行針對性輔導和教學方法的改進。

基金項目：湖北文理學院教學研究項目“基于OBE 和CDIO 理念的交通控制課程群育人模式研究與實踐”資助（編號JY2023052）。

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