基于網絡的虛擬遠程電力拖動基礎實驗教學

郭丙君

【摘要】在現代教育中，遠程實驗開發和使用具有重要的意義。文章總結了基于網絡的虛擬遠程電力拖動基礎的實驗教學方法，分析了實驗方法的特點，指出了其適用的范圍，對于開展遠程實驗具有一定的參考價值。

【關鍵詞】仿真實驗;網絡;遠程實驗

一、引言

遠程教育在互聯網時代具有重要的意義，在工科課程的遠程教育中，實驗教學一直是教學過程中的一個薄弱環節，而要進一步提高教學質量，開展工科專業遠程實驗教學已經顯得十分必要[1-3]。學生開展實驗的時間與地點不同，決定了遠程實驗不能受時間和空間的限制。目前，一種基于網絡的虛擬實驗開發技術得到了廣泛的應用，利用開發的積件庫可以自由地搭建相關課程的實驗，該技術是開放性的，完全基于網絡環境，非常適合于遠程實驗的開發。筆者基于目前使用比較廣泛的“靜一積件式教學仿真軟件”開發環境，開發了電力拖動基礎的實驗，用于遠程實驗教學，對于同類遠程實驗的開發具有一定的指導意義。

二、基于網絡的虛擬遠程電力拖動基礎實驗平臺

目前在遠程實驗的開發技術方面一般是動畫、多媒體，按照一定的腳本演示實驗步驟，讓學生模仿學習，這種方法局限性比較大。也有采用在實驗室裝置攝像設備來進行管理，采用了較多的硬件，開發難度比較大，開發周期比較長，往往是針對某個別實驗進行的[4-5]。利用積件庫方式開發的基于網絡的遠程實驗非常適合于遠程教學。

這種仿真實驗首先要進行有效的建模，一般是根據物理模型建立數學方程組，然后應用數值計算方法進行仿真計算，將實驗的要素制作成為積件庫，由學生根據實驗要求來搭建實驗系統，形成積件式教學仿真軟件。軟件是基于B/S結構開發的，以其為核心的資源庫平臺可以運行于互聯網。由于是基于網絡的思想來開發實驗的，它使實驗教學真正實現了網絡化，擺脫了實驗對物理環境的依賴[6-8]。

這種遠程實驗方式滿足了：（1）虛擬化，即整個實驗環節都在軟件平臺上實現;（2）自由構建，允許實驗人員在軟件平臺上完全按照實驗人員的意愿根據積件來搭建實驗，搭建成的實驗能被系統解析和運行，并顯示運行的結果;（3）實驗結果能自動評測，即系統能自動評測操作者搭建的實驗是否正確達到了實驗要求[9]。

基于網絡的虛擬實驗平臺保持了網絡教學對時空的突破特性，同時學生獲得了更大的自由空間，并能及時觀察到實驗的結果是否符合預期，平臺為教學效果的檢測提供了便利。學生也可以自己出試題，自己完成實驗操作，并自己評分，判斷自己掌握知識的程度，滿足了自主學習的發展趨勢，使整個網絡實驗教學形成了“教學-實驗-評測”的閉環，比較大地減輕了教師的指導負擔，彰顯了學生的主體地位，進一步體現了遠程實驗的本質。

這種基于網絡的虛擬實驗平臺的關鍵是建模的精確性問題，由于很難考慮到元器件非理性狀態下的情況，仿真的結果和實際電路有一定的距離，同樣要強調從系統及總體上理解實驗結果，系統開發成本不高，比較有利于推廣使用，是一種很有前途的遠程實驗方法。

電力拖動基礎課程是電氣工程及其自動化專業的一門核心的專業基礎課程，處于本專業的中心地位。切實掌握好電力拖動基礎課程的知識，為專業課程電力拖動控制系統、特種電機、電力工程和電力系統分析等可以打下扎實的基礎。而要學習好電力拖動基礎課程，開展實驗教學是十分必要的。

目前已經開發了比較多的實驗項目：（1）直流發動機;（2）直流電動機;（3）直流他勵電動機在各種運轉狀態下的機械特性;（4）變壓器的并聯運行;（5）三相鼠籠異步電動機的工作特性;（6）三相鼠籠交流異步電動機功率流程實驗;（7）三相異步電動機的起動與調速;（8）三相異步電動機在各種運行狀態下的機械特性;（9）三相同步電動機的啟動和變頻調速等仿真實驗。和實驗室現有的硬件實驗平臺互相補充，發揮出各自的優點，取長補短。如一般學校大型的高壓同步電動機實驗開展起來比較困難的，用仿真實驗就非常合適;又如三相鼠籠交流異步電動機功率流程實驗，可以非常形象地展現出功率的流向，非常有利于學生對于知識的理解。

對于像電力拖動基礎這樣一門與實際應用密切聯系的課程，實驗教學無疑是其中的重要環節。由于本課程涉及的內容較多，而實驗課時相對較少，因此，如何適當安排實驗教學內容，使有限的實驗課盡可能發揮更大的作用，顯然是一個比較重要的問題。筆者認為，本課程實驗教學主要應達到兩個目的：一是通過實驗教學使學生進一步掌握各種電機的工作原理和工作特性，二是使學生掌握一些基本的電氣測量方法，如互感器的使用及轉矩和轉速的測量等。

根據以上認識，再結合我校為本課程設置16課時實驗教學的具體情況，筆者將本課程的教學內容分為四個部分，即直流電動機、變壓器、異步電動機和同步電機，共安排七個實驗。其中，直流電動機部分主要安排直流發電機、直流電動機的啟動、反轉和調速，以及并勵直流電動機機械特性的測定;變壓器部分主要安排單相變壓器的參數測定和三相變壓器的極性、連接組別的測定;異步電機部分主要安排三相異步電動機的工作特性和三相異步電動機的啟動、反轉和調速;同步電機部分主要安排三相同步電動機的啟動和變頻調速。這樣的安排既緊密結合了課堂教學的主要內容，又較好地解決了實驗課時不足的矛盾。為了發揮學校現有的硬件實驗平臺和仿真實驗平臺的各自優勢，三相同步電動機和三相鼠籠交流異步電動機功率流程實驗就用基于網絡的虛擬遠程實驗平臺完成。

應該指出，對于網絡學院的學生，應用基于網絡的虛擬遠程實驗平臺就非常合適，由于學生分布在全國各地，安排學生到學校用硬件實驗平臺進行實驗是比較困難的，用虛擬仿真平臺就可以很好地解決這個問題。目前對于網絡學院的電力拖動基礎課程的遠程虛擬實驗根據教學大綱要求已經開發了六個實驗：（1）直流發電機;（2）直流電動機;（3）三相鼠籠異步電動機的工作特性;（4）三相鼠籠異步電動機功率流程;（5）三相異步電動機的起動;（6）三相異步電動機的調速。這基本可以滿足網絡學院電力拖動基礎課程的實驗教學。

舉例說明：根據靜一積件式教學仿真資源庫，他勵直流電動機電壓反接制動實驗。