基于MATLAB的“電氣工程基礎(chǔ)”課程實驗教學(xué)改革研究

仰彩霞 楊蕾 鄭雪

摘 要 根據(jù)電氣工程及其自動化專業(yè)對人才培養(yǎng)的特點，將MATLAB的編程仿真技術(shù)引入電氣工程基礎(chǔ)課程的實驗教學(xué)。經(jīng)過教學(xué)實踐證明，不僅能加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，提高理論聯(lián)系實踐的能力，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)好本課程的信心，達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞 電氣工程基礎(chǔ) 實驗教學(xué)改革 人才培養(yǎng)

“電氣工程基礎(chǔ)”課程是本校電氣自動化專業(yè)必修核心課之一，實驗8學(xué)時，占總學(xué)時（56）的七分之一，雖然實驗學(xué)時不多，但實驗教學(xué)的好壞，直接反應(yīng)了學(xué)生對理論學(xué)習(xí)的理解程度，并且對學(xué)生以后在該專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)研究有很大影響，因此對本課程進(jìn)行實驗教學(xué)改革研究十分必要。[1]MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)能夠讓學(xué)生開動腦筋，結(jié)合課本的理論知識，對系統(tǒng)進(jìn)行建模，編寫程序，觀察仿真結(jié)果，非常適合“電氣工程基礎(chǔ)”課程的實驗教學(xué)和研究。其友好的交互界面和編程環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生在專業(yè)課實驗環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實踐能力。在實物實驗條件達(dá)不到良好效果的情況下，運(yùn)用計算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)可彌補(bǔ)其不足，提高實驗教學(xué)的效果。在“電氣工程基礎(chǔ)”課程中引入MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué)是非常有意義的。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式

“電氣工程基礎(chǔ)”是一門理論性、實踐性及專業(yè)性比較強(qiáng)的課程，為了提高教學(xué)水平，必須具備較高水平的實驗教學(xué)和良好的教學(xué)環(huán)境，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式是固定實驗學(xué)時和實驗設(shè)備，學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都受到限制，無法提高。學(xué)生幾乎都是被動的在老師或?qū)嶒炛笇?dǎo)書的指導(dǎo)下機(jī)械式地連線、讀取實驗數(shù)據(jù)、完成實驗報告，甚至有些學(xué)校根本沒有開設(shè)實驗部分，學(xué)生在課本中學(xué)到的理論知識無法得到驗證，分析問題、解決問題的能力未能得到任何提高。學(xué)生對實驗教學(xué)的興趣不大，沒有較高的積極性，造成“電氣工程基礎(chǔ)”課程實驗教學(xué)水平無法提高。因此，需要對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)進(jìn)行改革和創(chuàng)新，在滿足課程教學(xué)目標(biāo)的同時，提升學(xué)生的動手能力，本文提出利用MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)進(jìn)行本課程的實驗教學(xué)，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。

2 實驗教學(xué)改革研究

傳統(tǒng)的實物實驗受場地環(huán)境和設(shè)備的限制，不容易實現(xiàn)綜合性系統(tǒng)實驗，且準(zhǔn)確性和精度都不高。[2-3]而MATLAB仿真軟件以綜合性和開放性的實驗平臺為支撐，為學(xué)生提供綜合性的實驗教學(xué)界面，可以進(jìn)行繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、進(jìn)行矩陣運(yùn)算、創(chuàng)建可視化較好的用戶界面、與其他編程語言的程序進(jìn)行連接等，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：[4]（1）不受時間和空間限制，可信度高、編程運(yùn)算效率高；（2）其高效的數(shù)值計算和符號計算功能使用戶擺脫復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析；（3）MATLAB較強(qiáng)的圖形處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)算計算結(jié)果的可視化；（4）豐富的應(yīng)用功能工具箱，為用戶提供了有效且方便實用的處理工具。程序設(shè)計具有較高的靈活性和圖形處理功能強(qiáng)大等，在應(yīng)用過程中，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行全面改革，基于M文件自身特點，讓每一位學(xué)生都參與進(jìn)來，結(jié)合課本的理論知識，對系統(tǒng)進(jìn)行建模，編寫程序，觀察仿真結(jié)果，并與課本中的理論分析結(jié)果進(jìn)行比較。

2.1 實驗內(nèi)容改革

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是學(xué)好一門課程的關(guān)鍵，要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本課程的實驗內(nèi)容必須改革，才能培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力，并且適應(yīng)能力強(qiáng)的高素質(zhì)人才。“電氣工程基礎(chǔ)”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及的內(nèi)容廣，比如電力系統(tǒng)潮流計算、電力系統(tǒng)短路計算、繼電保護(hù)、發(fā)電廠和變電站的一次和二次系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行等專業(yè)課的相關(guān)內(nèi)容，只有對這本門課實行實驗教學(xué)內(nèi)容改革，才能為后續(xù)的專業(yè)課程及研究生課程做好充分準(zhǔn)備。

為了在“電氣工程基礎(chǔ)”課程中更好的開展實驗教學(xué)，MATLAB課程應(yīng)該作為基礎(chǔ)平臺課程先行開設(shè)，作為工科專業(yè)學(xué)習(xí)的工具，盡量安排在學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課甚至專業(yè)基礎(chǔ)課之前。在開設(shè)專業(yè)課時，要盡量選用含有仿真實驗內(nèi)容的教材方便學(xué)生實驗，或者通過教研組編寫包含傳統(tǒng)實驗和仿真實驗的實驗講義供學(xué)生實驗時學(xué)習(xí)。并逐步改善專業(yè)實驗室環(huán)境，在實驗室里，除了傳統(tǒng)的實驗儀器，應(yīng)該配備學(xué)生電腦和多媒體教學(xué)設(shè)備，方便教師演示仿真程序。

2.2 實驗教學(xué)方法的改革

曾經(jīng)的實驗教學(xué)中，教師習(xí)慣性在實驗之前講解實驗原理，甚至給出實驗程序，學(xué)生只要照著已有的程序敲進(jìn)電腦點擊運(yùn)行按鈕即可。在這個過程中，學(xué)生沒有參與到建立模型這一重要環(huán)節(jié)，對實驗結(jié)果的對錯也無法做出自己的判斷。為了提高學(xué)生的積極主動性，并且考慮實驗只有8個學(xué)時，故在實驗之前一到兩周時間把實驗題目發(fā)送給大家，大家可以根據(jù)課本的理論知識，互相討論，如何建立數(shù)學(xué)模型。也可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)類似程序，從中吸取有用的知識，以備自己的上機(jī)寫程序需要。在上機(jī)過程中，教師要盡力做到有問必答、一一指導(dǎo)。由于班級人數(shù)較多，有時候一一指導(dǎo)會忙不過來，可以先指導(dǎo)實驗完成較好的同學(xué)，然后帶領(lǐng)幾位同學(xué)一起指導(dǎo)編程速度較慢的同學(xué)，遇到問題大家共同探討、研究，既培養(yǎng)了師生之間、同學(xué)之間的感情，又培養(yǎng)了團(tuán)隊合作意識，學(xué)生也會在編程的過程中體驗到自己完成程序所帶來的成就感。每次實驗結(jié)束，總有學(xué)生感嘆，終于理解了課本上的理論。在實驗教學(xué)方法改革之前，教師僅僅通過學(xué)生提交的實驗報告給實驗成績，但由于實驗報告抄襲嚴(yán)重，實驗成績無法區(qū)分層次。實驗教學(xué)方法改革之后，大部分同學(xué)的程序都是自己努力完成，實驗報告除了實驗原理和實驗內(nèi)容是大家相同的以外，實驗程序部分用自己的程序即可，抄襲現(xiàn)象自然就不存在了。通過完成兩個基本實驗，一個綜合實驗，學(xué)生門不僅對“電氣工程基礎(chǔ)”這門課程的核心內(nèi)容有了更好的理解，為我們電氣專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)以后讀研或者工作都做了良好的鋪墊。

例如，本課程開的實驗之一為用牛頓拉夫遜法進(jìn)行潮流計算，首先在理論課中給大家講解了什么是牛頓拉夫遜法，由于大家之前都沒有聽過這種數(shù)學(xué)方法，現(xiàn)在要將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)潮流計算中，大家覺得像是聽天書一樣，課本中給出的算例，也不知道算例結(jié)果是否準(zhǔn)確，結(jié)果是怎么來的，自己通過手算又很難完成，計算量太大。通過開設(shè)的實驗課程，大家先將課本中講解的公式變成計算機(jī)語言，然后根據(jù)實例的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，再將結(jié)果與課本中的結(jié)果進(jìn)行比較，從中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，徹底理解高難度的理論知識。

2.3 考核方式改革

成績對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度影響很大，部分優(yōu)秀的同學(xué)對自己本身要求比較嚴(yán)格，奔著拿高分去做實驗，這部分同學(xué)往往是不用老師操心就可以完成的。大部分同學(xué)為了完成實驗任務(wù)，也會認(rèn)真對待實驗，還有一小部分同學(xué)是為了及格而去參與實驗。為了公平對待，并能體現(xiàn)出優(yōu)良中差，在給實驗打分的時候分成幾部分，實驗的原創(chuàng)性占60%，實驗的調(diào)試及結(jié)果的準(zhǔn)確性占30%，對實驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納，完成實驗報告占10%。如果不認(rèn)真對待實驗，僅完成實驗報告，實驗成績是無法及格的。

3 總結(jié)

經(jīng)過幾年努力，將MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)引入到“電氣工程基礎(chǔ)”課程的實驗教學(xué)中，使實驗教學(xué)更加生動，教學(xué)內(nèi)容更加充實，能夠讓學(xué)生將“電氣工程基礎(chǔ)”理論課中無法消化的內(nèi)容，通過編程徹底消化吸收，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的主動參與性，通過參與整個實驗過程，掌握現(xiàn)代科研的能力，使自己的綜合能力得到提升，并在其它領(lǐng)域和后續(xù)學(xué)習(xí)工作中能夠發(fā)揮更好的作用。

參考文獻(xiàn)

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