基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電氣工程專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐

蘇勛文　王篤亭　朱顯輝

摘 要：結(jié)合黑龍江科技大學(xué)電氣工程專業(yè)省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，指出電氣工程實(shí)踐基地硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的弊端，提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)思路和規(guī)劃方案，探索結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和課程教學(xué)改革，給出相應(yīng)的培養(yǎng)方案。以PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)為例，說明了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可有效服務(wù)于電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電氣工程專業(yè)；教學(xué)改革；培養(yǎng)方案；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-7394（2016）04- 0090-04

高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)長(zhǎng)久以來以硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為主。以黑龍江科技大學(xué)為例，經(jīng)過十幾年的建設(shè)和發(fā)展，建成了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的電氣工程實(shí)踐基地，依托該實(shí)踐基地，電氣工程實(shí)踐課程于2007年被評(píng)為國(guó)家精品課。2007年，已經(jīng)建立了32個(gè)電類本科實(shí)踐基地。但從近幾年來看，基于硬件裝置的電氣工程實(shí)踐基地出現(xiàn)以下四個(gè)問題[1-2]：（1）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用高昂，電子元器件使用壽命、更新?lián)Q代等問題，使得實(shí)踐基地的后期維護(hù)費(fèi)用較高。（2）教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理工作量較重，由于眾多實(shí)踐基地需要日常維護(hù)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)受師資力量的限制。（3）教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目標(biāo)。但是目前的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備一般趨向于模塊化，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)就是在模塊上直接測(cè)試參數(shù)，使學(xué)生失去了動(dòng)手的機(jī)會(huì)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情。（4）危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)難于實(shí)現(xiàn)，有些實(shí)驗(yàn)可能因誤操作會(huì)造成設(shè)備損壞或危害人身安全。

建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是解決上述問題的有效途徑。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生既可以在虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上動(dòng)手操作，又可在相關(guān)軟件平臺(tái)上自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)操作能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本相比硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本更低，更易于維護(hù)。學(xué)生可以不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，對(duì)于有些實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以選擇利用課余時(shí)間在學(xué)生宿舍完成。[3-6]

黑龍江科技大學(xué)的電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是首批黑龍江省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，下面將對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)劃、相應(yīng)的培養(yǎng)方案修訂和課題教學(xué)改革進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并通過舉例說明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在課程和實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)應(yīng)用。

1 電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃

為完成黑龍江省電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)任務(wù)，提出了建設(shè)規(guī)劃。

（1）整合已有的電類本科實(shí)踐基地，分成專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，保留基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理，把專業(yè)實(shí)驗(yàn)室下放到專業(yè)教研室，這樣解決了眾多工程實(shí)踐基地的日常管理問題?？s減工程實(shí)訓(xùn)課程學(xué)時(shí)，將原有的工程實(shí)訓(xùn)課程整合到教學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)中。

（2）采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，結(jié)合校園網(wǎng)建設(shè)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為將來實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生宿舍的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。將實(shí)驗(yàn)室硬件數(shù)據(jù)接口與軟件相連，通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)生將可以根據(jù)自己的時(shí)間來安排實(shí)驗(yàn)，也可多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程。

（3）購(gòu)買相關(guān)軟件產(chǎn)品，相關(guān)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(jìn)行說明，基于LabVIEW的電力與電力電子仿真教學(xué)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(jié)合圖形化界面，可以用來在計(jì)算機(jī)上建立起虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，并可實(shí)時(shí)顯示仿真波形，方便直觀。使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)。

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(shí)域和頻域計(jì)算仿真、交直流電力系統(tǒng)、高電壓?jiǎn)栴}，又可以進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。學(xué)生可以利用該軟件虛擬仿真平臺(tái)，搭建仿真模型，研究基礎(chǔ)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(dòng)。目前，學(xué)校已經(jīng)購(gòu)買了相關(guān)仿真軟件。

（4）根據(jù)電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)行相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)和教學(xué)改革，并調(diào)整專業(yè)的培養(yǎng)方案。

2 結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和教學(xué)改革

2.1 培養(yǎng)方案的修訂

首先，減少基于實(shí)物硬件平臺(tái)的專業(yè)工程實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)時(shí)，縮減實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。其次，增加相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)課程，比如在最新版培養(yǎng)大綱中增加了課程編號(hào)為1302067的PSCAD/EMTDC在電力系統(tǒng)應(yīng)用和課程編號(hào)為1302014的Matlab語(yǔ)言及在電力系統(tǒng)應(yīng)用。再次，根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)整相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。最后培養(yǎng)方案中加入前沿課程，如風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、高壓輸電技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)、新能源發(fā)電等課程，這些課程的開設(shè)可以擴(kuò)寬學(xué)生的知識(shí)面，而且利用電氣工程虛擬仿真平臺(tái)工具來講授上述課程，取得了較好的教學(xué)效果。

2.2 基于虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)改革的原則是減少硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)次數(shù)，增加相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，例如利用WDT-Ⅲ型電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)做同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以只做一次演示實(shí)驗(yàn)，然后學(xué)生利用MATLAB/SIMULINK等仿真平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，完成?shí)驗(yàn)步驟，觀察并網(wǎng)的沖擊電流大小及其影響因素。對(duì)于危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)采用虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)代替硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，比如利用PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)進(jìn)行高電壓技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。另外，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建成開放性實(shí)驗(yàn)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(wù)器。學(xué)生通過下載服務(wù)器上的可執(zhí)行文件、運(yùn)行程序、觀看系統(tǒng)模型的運(yùn)行過程、通過手動(dòng)自己調(diào)節(jié)更好的理解。這樣學(xué)生可以在寢室里通過電腦聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室做虛擬實(shí)驗(yàn)，課程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)做，實(shí)驗(yàn)將不再受時(shí)間和地點(diǎn)限制。下面以基于LabVIEW的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例說明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)可以分為三個(gè)層次，認(rèn)識(shí)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)。除正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)外還可以選作一些趣味性的實(shí)驗(yàn)，如彩燈控制、交通燈控制等控制電路以及各種報(bào)警電路等。為培養(yǎng)學(xué)生的科研和動(dòng)手能力，也可進(jìn)行難度較大的綜合性實(shí)驗(yàn)，如“數(shù)字鐘”實(shí)驗(yàn)，這是數(shù)字電路中計(jì)數(shù)、分頻、譯碼、顯示及時(shí)鐘脈沖振蕩器等組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的綜合應(yīng)用。

2.3 基于虛擬仿真系統(tǒng)的課程教學(xué)改革

對(duì)于課堂教學(xué)，鼓勵(lì)教師在課堂上利用電氣工程虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行授課，將理論與實(shí)際聯(lián)系在一起，使得學(xué)生在最大程度上接受與掌握理論知識(shí)，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(guān)系。

下面給出PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)的兩個(gè)教學(xué)實(shí)例，圖1給出了同步發(fā)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)的接線圖。圖2給出了其輸出動(dòng)態(tài)曲線。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電氣專業(yè)課程的特點(diǎn)，結(jié)合電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)和規(guī)劃，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和課程教學(xué)改革，從培養(yǎng)方案、課程設(shè)置、實(shí)踐基地的改造、實(shí)驗(yàn)課程、教學(xué)課程方法等方面進(jìn)行一系列改革，為電氣工程省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的順利建設(shè)和將來沖擊國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室奠定了良好基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯 祁秀春