基于虛擬仿真實驗系統(tǒng)的電氣工程專業(yè)教學改革與實踐

蘇勛文　王篤亭　朱顯輝

摘 要：結合黑龍江科技大學電氣工程專業(yè)省級虛擬仿真實驗室的建設，指出電氣工程實踐基地硬件實驗平臺的弊端，提出虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設思路和規(guī)劃方案，探索結合虛擬仿真實驗系統(tǒng)的實驗教學改革和課程教學改革，給出相應的培養(yǎng)方案。以PSCAD/EMTDC仿真平臺為例，說明了該實驗系統(tǒng)可有效服務于電力系統(tǒng)分析課程的教學與實驗。

關鍵詞：電氣工程專業(yè)；教學改革；培養(yǎng)方案；虛擬仿真實驗系統(tǒng)

中圖分類號： G434 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-7394（2016）04- 0090-04

高校的實驗室建設長久以來以硬件實驗平臺為主。以黑龍江科技大學為例，經(jīng)過十幾年的建設和發(fā)展，建成了國內領先的電氣工程實踐基地，依托該實踐基地，電氣工程實踐課程于2007年被評為國家精品課。2007年，已經(jīng)建立了32個電類本科實踐基地。但從近幾年來看，基于硬件裝置的電氣工程實踐基地出現(xiàn)以下四個問題[1-2]：（1）實驗室建設費用高昂，電子元器件使用壽命、更新?lián)Q代等問題，使得實踐基地的后期維護費用較高。（2）教師實驗教學和管理工作量較重，由于眾多實踐基地需要日常維護，使得實驗教學受師資力量的限制。（3）教學目標難以落實，培養(yǎng)學生的動手能力、設計能力和創(chuàng)新能力是實驗教學的重要目標。但是目前的硬件實驗平臺設備一般趨向于模塊化，大多數(shù)實驗就是在模塊上直接測試參數(shù)，使學生失去了動手的機會，難以激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新熱情。（4）危險實驗難于實現(xiàn)，有些實驗可能因誤操作會造成設備損壞或危害人身安全。

建設虛擬仿真實驗室是解決上述問題的有效途徑。在虛擬實驗室中，學生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可在相關軟件平臺上自主設計實驗，有利于培養(yǎng)操作能力、設計能力和創(chuàng)新意識。虛擬仿真實驗室的建設成本相比硬件實驗平臺實驗室建設成本更低，更易于維護。學生可以不受實驗場地的限制和實驗時間的限制，對于有些實驗學生可以選擇利用課余時間在學生宿舍完成。[3-6]

黑龍江科技大學的電氣工程虛擬仿真實驗室是首批黑龍江省虛擬仿真實驗室建設項目，下面將對實驗室的建設規(guī)劃、相應的培養(yǎng)方案修訂和課題教學改革進行詳細的闡述，并通過舉例說明虛擬仿真實驗室在課程和實驗中的教學應用。

1 電氣工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設規(guī)劃

為完成黑龍江省電氣工程虛擬仿真實驗室的建設任務，提出了建設規(guī)劃。

（1）整合已有的電類本科實踐基地，分成專業(yè)實驗室和基礎實驗室，保留基礎實驗室統(tǒng)一管理，把專業(yè)實驗室下放到專業(yè)教研室，這樣解決了眾多工程實踐基地的日常管理問題。縮減工程實訓課程學時，將原有的工程實訓課程整合到教學課程的實驗中。

（2）采用虛擬仿真實驗技術對現(xiàn)有實驗室進行改造，結合校園網(wǎng)建設，利用網(wǎng)絡技術、接口技術、虛擬現(xiàn)實技術，為將來實驗室和學生宿舍的網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)。將實驗室硬件數(shù)據(jù)接口與軟件相連，通過網(wǎng)絡學生將可以根據(jù)自己的時間來安排實驗，也可多次重復實驗過程。

（3）購買相關軟件產品，相關軟件有于LabVIEW、StarSim、PSCAD/EMTDC、DIgSIlent/powerfactory以及PSS/E等。下面以LabVIEW和PSCAD/EMTDC為例進行說明，基于LabVIEW的電力與電力電子仿真教學軟件，可以用來模擬電路，電力電子系統(tǒng)，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的仿真。結合圖形化界面，可以用來在計算機上建立起虛擬實驗室環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，并可實時顯示仿真波形，方便直觀。使學生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實的人機交互界面完成實驗。

PSCAD/EMTDC是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真分析軟件，它即可以研究電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真、交直流電力系統(tǒng)、高電壓問題，又可以進行電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。學生可以利用該軟件虛擬仿真平臺，搭建仿真模型，研究基礎理論，探索電氣工程前沿課題，可用于研究生的培養(yǎng)以及教師的科研活動。目前，學校已經(jīng)購買了相關仿真軟件。

（4）根據(jù)電氣工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設，進行相關課程的實驗和教學改革，并調整專業(yè)的培養(yǎng)方案。

2 結合虛擬仿真實驗系統(tǒng)的實驗和教學改革

2.1 培養(yǎng)方案的修訂

首先，減少基于實物硬件平臺的專業(yè)工程實訓課程的學時，縮減實訓項目。其次，增加相關軟件的學習課程，比如在最新版培養(yǎng)大綱中增加了課程編號為1302067的PSCAD/EMTDC在電力系統(tǒng)應用和課程編號為1302014的Matlab語言及在電力系統(tǒng)應用。再次，根據(jù)虛擬仿真實驗系統(tǒng)調整相關課程的實驗學時。最后培養(yǎng)方案中加入前沿課程，如風力發(fā)電技術、高壓輸電技術、智能電網(wǎng)技術、新能源發(fā)電等課程，這些課程的開設可以擴寬學生的知識面，而且利用電氣工程虛擬仿真平臺工具來講授上述課程，取得了較好的教學效果。

2.2 基于虛擬仿真系統(tǒng)的實驗教學改革

實驗改革的原則是減少硬件實驗平臺的試驗次數(shù)，增加相應的仿真實驗，例如利用WDT-Ⅲ型電力系統(tǒng)綜合自動化試驗臺做同步發(fā)電機并網(wǎng)實驗時，可以只做一次演示實驗，然后學生利用MATLAB/SIMULINK等仿真平臺搭建實驗模型，完成實驗步驟，觀察并網(wǎng)的沖擊電流大小及其影響因素。對于危險的實驗采用虛擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)實驗教學代替硬件實驗平臺，比如利用PSCAD/EMTDC仿真平臺進行高電壓技術課程的實驗教學。另外，以網(wǎng)絡技術、接口技術、虛擬現(xiàn)實技術為將虛擬仿真實驗室建成開放性實驗室。具體操作是教師搭建系統(tǒng)模型、生成可執(zhí)行文件、上傳校園服務器。學生通過下載服務器上的可執(zhí)行文件、運行程序、觀看系統(tǒng)模型的運行過程、通過手動自己調節(jié)更好的理解。這樣學生可以在寢室里通過電腦聯(lián)網(wǎng)實驗室做虛擬實驗，課程的驗證性實驗和綜合性實驗可以反復做，實驗將不再受時間和地點限制。下面以基于LabVIEW的電子技術實驗教學為例說明虛擬仿真實驗室的教學模式，實驗可以分為三個層次，認識驗證性實驗，設計綜合性實驗和開放性實驗。除正常實驗教學外還可以選作一些趣味性的實驗，如彩燈控制、交通燈控制等控制電路以及各種報警電路等。為培養(yǎng)學生的科研和動手能力，也可進行難度較大的綜合性實驗，如“數(shù)字鐘”實驗，這是數(shù)字電路中計數(shù)、分頻、譯碼、顯示及時鐘脈沖振蕩器等組合邏輯電路與時序邏輯電路的綜合應用。

2.3 基于虛擬仿真系統(tǒng)的課程教學改革

對于課堂教學，鼓勵教師在課堂上利用電氣工程虛擬仿真系統(tǒng)進行授課，將理論與實際聯(lián)系在一起，使得學生在最大程度上接受與掌握理論知識，進而提高學生的學習興趣。表1給出了虛擬仿真系統(tǒng)與電氣工程主要課程的關系。

下面給出PSCAD/EMTDC仿真平臺的兩個教學實例，圖1給出了同步發(fā)電機負載變化時發(fā)電機和勵磁系統(tǒng)的接線圖。圖2給出了其輸出動態(tài)曲線。

3 結語

根據(jù)電氣專業(yè)課程的特點，結合電氣工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)建設和規(guī)劃，進行相應的實驗教學改革和課程教學改革，從培養(yǎng)方案、課程設置、實踐基地的改造、實驗課程、教學課程方法等方面進行一系列改革，為電氣工程省級虛擬仿真實驗室的順利建設和將來沖擊國家級虛擬仿真實驗室奠定了良好基礎。

參考文獻：

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責任編輯 祁秀春