工程倫理中的創新教學實踐案例探討

曾成碧 郭欣 苗虹 段述江 張姝 鄭子萱

【摘要】工程倫理的教學常常強調工程上的倫理與道德，創新教學也是其中重要的內容。本文從電機實驗案例引導學生創新與倫理道德的教學。傳統電機實驗主要是驗證電機的參數測量和運行特性實驗，使學生掌握了強電實驗技能和方法，但不利于創新培養。本文通過Ansoft/Simplorer結合的仿真實驗，鍛煉學生綜合掌握電力電子和電機實現同步發電機的仿真模型建立，獲得運行特性。通過仿真實驗結果的分析，引導學生改進不足，提高性價比，達到雙創思維訓練，同時也培養學生遵守安全技術規則的良好職業道德和尊重實驗數據的良好倫理與道德。

【關鍵詞】Ansoft/Simplorer? 電機學? 實驗教學? 同步發電機? 工程倫理

【Abstract】The teaching of engineering ethics often emphasizes engineering ethics and morality， Innovative teaching is also an important content part of it. This paper guides students？蒺 innovation and ethics teaching from electric machine experiment cases. The traditional machine experiment is mainly to verify the parameter measurement and operation characteristics of the machine. These enable students to master the skills and methods of high-voltage experiments. But they are not conducive to innovation and cultivation. In this paper， by the simulation experiment of Ansoft＼Simplorer，students are trained to master power electronics and machine comprehensively， and the simulation model of synchronous generator is established，acquired operational characteristics. Through the analysis of the simulation results，students are guided to improve inadequately， students think about improving cost performance. In this way， we can achieve dual thinking training . At the same time， it also trains students to observe the good professional ethics of safety technical rules and respect the good ethics and morality of experimental data.

【Keywords】Ansoft/Simplorer; electric machinery; experimental teaching; synchronous generator; engineering ethics

【基金項目】1.項目名稱：電氣工程碩士專業學位《工程倫理》體驗式教學模式探討，資助項目編號：YJSJG055;2.項目名稱：四川大學電氣工程學院電機學教學改革項目。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）06-0143-02

一、引言

工程倫理的教學常常強調工程上的倫理與道德，有時弱化了創新培養，本文從電機實驗案例引導學生創新與倫理道德結合的教學。“電機學”是電氣工程方向最重要的專業核心課，是理論與實踐應用相結合的重要課程。電機學實驗創新教學對推進創新創業培養至關重要，所以電機學的理論和實驗教學一直在探討與推進[1-2]。實踐電機學實驗常為驗證實驗，即驗證電機的運行特性、工作特性等，掌握電機參數的測量原理和測量方法，學生逐步熟悉掌握電機的實驗過程、實驗方法，對培養實驗技能起到了很好的作用，而且使學生進一步加深理解和掌握電機學的理論和運行特性。由于電機學實驗必須遵循強電的安全實驗規程以及實驗時人身與設備安全要求，常常限制學生的創新實驗設計的進程，不利于雙創培養。

為了適應新時代學生發展和成長的期待以及滿足社會發展對人才的需求，迫切需要雙創教學與實踐引領。由于電機學實驗的電壓較高，為了學生安全，常常采用仿真實驗，分析電機電磁場，對學生理解電機內部磁場分布起到了良好作用。本文以同步發電機為例，以學生學習Ansoft/Simplorer結合仿真軟件出發，從發電機的結構到特性仿真一步一步引領學生創新實驗思考設計，這樣不僅規避了實驗安全，又對學生進行了創新培養和創新能力訓練，還從實驗的角度引導學生遵守實驗安全規則和尊重實驗數據的良好倫理與道德的培養[3]。

二、同步發電機仿真

（一）同步發電機的模型

同步發電機結構模型如圖1，理想直流電源通過滑環與電刷的組合給勵磁繞組加勵磁電源，理想直流電源代替直流發電的勵磁機，輸出理想的直流勵磁電壓，仿真輸出如圖2所示。Ansoft/Simplorer結合仿真模型如圖3，Ansoft中嵌入了Rmxprt電機分析模型，主發電機為凸極式同步發電機，學生第一次使用軟件，可直接采用Rmxprt軟件中的同步發電機模型，如圖3的發電機的定子繞組部分，轉子部分是直流電源加入勵磁繞組，發電機輸出端通過三相整流輸出帶直流負載等效三相對稱負載，原動機采用的機械連接的MchRSrcv2模塊。圖3中，VM3、VM4、VM5 分別是測量三相電壓的測量儀，AM1為勵磁繞組電流測量儀。

（二）同步發電機的仿真

定子三相輸出電壓波形如圖4所示，可見當理想的直流電源勵磁時，同步發電機輸出三相理想電壓：正弦波形、大小相等、相位互差120度。也可以看出其中一相（圖4中VM5測出）起勵時的沖擊電壓。這樣的勵磁必須經過電刷和集電環輸入到勵磁繞組，由于集電環的旋轉以及發電機容量增大，勵磁電流可達數千安，集電環和電刷容易磨擦或過熱損壞，所以引導學生創新思考如何去除集電環與電刷的故障。引導學生如何克服其弱點，查閱資料，仿真分析，總結方法，從而理解勵磁電壓能否與轉子一起旋轉，因而有了旋轉勵磁機，去除了集電環與電刷，其電路圖如圖5所示。

三、改進方式仿真

交流勵磁機作為旋轉電樞式的三相同步發電機，經過二極管整流后的直流電源的旋轉勵磁機與發電機主軸一起旋轉，直接輸電于發電機的勵磁繞組，這樣的勵磁沒有集電環和電刷。由于交流主勵磁機的電樞、整流裝置與主發電機的勵磁繞組均裝設在同一旋轉體上，不再需要集電環與電刷裝置，所以沒有這部分故障。Ansoft＼Simplorer仿真模型用勵磁模型替代理想直流電源。其仿真原理圖如圖6所示。

整流后的直流電流如圖7，可見直流勵磁電流有建立時間，二極管整流后的直流也有紋波，這樣發電機輸出的電壓也有建壓過程，三相電壓也有畸變，如圖8，從波形引導學生分析波形與理想波形不一致的原因，勵磁電勢的波形畸變可能的原因思考;引導學生觀察電壓與電流的幅值，對安全技術要求進一步教育，培養遵守安全規則的職業道德;也引導學生符合實際情況的理解與研究，培養學生尊重實事的良好倫理與道德。下一步利用電力電子類軟件進一步創新引領異步電機的實驗教學。

四、結語

本文Ansoft/Simplorer結合仿真軟件，以同步發電機為教學案例，建立仿真模型和進行輸出特性的仿真分析，并引導創新設計思維。實驗教學實踐表明，通過這樣的實驗鍛煉，可以達到如下目標：

1.使學生對Ansoft/Simplorer結合仿真軟件有了一定的了解和掌握，對軟件應用于實踐有了一定的思維基礎訓練，提高了軟件分析、解決實際工程問題的能力，也為學生后續諸如分布式發電與微電網等課程的學習奠定了基礎;2.不僅能加深學生對電機的運行特性的理解與掌握，也加強了電力電子技術應用于電機的控制，加深了多課程的實踐綜合應用;3.通過仿真實驗結果的分析，不但復雜的理論得到了直觀可視化，而且對實驗結果的不足一步一步地創新改進引領，通過對實驗培養了學生的實驗創新設計思維過程和實驗結果的實事求是的倫理道德，也引導學生遵守實驗安全規則的良好職業道德培養。

參考文獻：

[1]曾成碧，苗虹，段述江.雙創示范基地背景下的“電機學”教學改革探討[J].教育現代化，2018（28）：64-65

[2]曾成碧，苗虹，段述江.“電機學”實驗引領理論教學的反轉模式探討[J].課程教育研究，2019，7（27）

[3]曾成碧，苗虹，段述江.電機學實驗融入思政教學探討[J].當代教育實踐與教學研究，2020（2）：49-50

作者簡介：

曾成碧（1969年-），女，博士，教授，電氣工程系副系主任，在四川大學電氣工程學院從事電機方面的教學及實驗。

段述江（1963年-），男，工程師，在四川大學電氣工程學院從事電機實驗與實踐指導。