突出設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的電工電子虛擬平臺建設(shè)

彭莉峻， 楊 蕊

(西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 陜西 西安 710055)

突出設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的電工電子虛擬平臺建設(shè)

彭莉峻， 楊 蕊

(西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 陜西 西安 710055)

針對全實(shí)物電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在培養(yǎng)本科生實(shí)踐能力過程中的缺乏創(chuàng)新空間等缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力為出發(fā)點(diǎn)，建設(shè)了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，開展“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例表明，該平臺的建設(shè)有效提升了學(xué)生完成設(shè)計(jì)的能力和基本的工程及科研素養(yǎng)，教學(xué)效果得到極大提升。

虛擬實(shí)驗(yàn)；電工電子；設(shè)計(jì)能力；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

0 引言

我校電工電子實(shí)驗(yàn)中心面向全校土木工程、環(huán)境工程、機(jī)械電子工程等20個(gè)非電類專業(yè)學(xué)生開設(shè)電工電子實(shí)驗(yàn)課程。這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)方面發(fā)揮著重要的作用。近年來，本中心在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》指導(dǎo)下，以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目的，提出促進(jìn)多學(xué)科交融和交流，建設(shè)有創(chuàng)新空間、體現(xiàn)專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，有效提升實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才中的作用[1]。

1 電工電子實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)存問題

1)全實(shí)物教學(xué)環(huán)境

長期以來，本中心開設(shè)的電工電子實(shí)驗(yàn)課程都是全實(shí)物教學(xué)模式，它對培養(yǎng)學(xué)生熟練使用專業(yè)電工電子儀器儀表，掌握基本的電工知識，同時(shí)具備工程人員應(yīng)有的讀圖識物等操作技能發(fā)揮著重要的作用。但隨著高等教育實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)對學(xué)生、創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)要求不斷提高，目前這種全實(shí)物教學(xué)模式已顯現(xiàn)出許多不足之處。

首先，出于對實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生和設(shè)備的安全考慮，現(xiàn)使用的實(shí)驗(yàn)操作板都是成套封閉的，學(xué)生面對的實(shí)驗(yàn)對象大多數(shù)仍然是與書本上一樣的圖形符號，實(shí)驗(yàn)過程是靜態(tài)的死板的，學(xué)生很難認(rèn)知到實(shí)際元件動態(tài)的工作過程，如圖1所示。其次，在成套封閉的實(shí)驗(yàn)操作板上，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對固定，元器件數(shù)量有限，學(xué)生很難在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)操作板上完成自主設(shè)計(jì)的內(nèi)容，這對于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是相當(dāng)大的障礙。

(a)實(shí)驗(yàn)操作面板 (b)實(shí)驗(yàn)操作背板圖1 全實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺示例

2)共性培養(yǎng)模式

本中心面向全校非電類專業(yè)開設(shè)電工電子實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的開設(shè)多以驗(yàn)證性內(nèi)容為主，體現(xiàn)了共性培養(yǎng)的特點(diǎn)，未能體現(xiàn)電工電子技術(shù)與各專業(yè)的交叉，交融。舉一個(gè)例子，在不斷推廣深入的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是其重要的訓(xùn)練環(huán)節(jié)[2]。但大賽要求的面向?qū)I(yè)需求、綜合設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的內(nèi)容，本中心有限的實(shí)驗(yàn)資源是很難得到滿足的?，F(xiàn)代本科電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)勢必在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上向創(chuàng)新性及研究性的方向轉(zhuǎn)變[3-4]。

2 以虛補(bǔ)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

自2013年國家開始開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作以來，虛擬仿真教學(xué)成為教育改革的一個(gè)重點(diǎn)，其在延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)、空間上和節(jié)約設(shè)備資金投入等方面有著不可比擬的優(yōu)勢[5]。

本中心針對自身存在的問題，順勢開展了電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)，以體現(xiàn)專業(yè)特色、培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力為出發(fā)點(diǎn)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開放、資源豐富，限制性小但效果真實(shí)等優(yōu)勢，選取能夠充分體現(xiàn)相關(guān)課程大綱要求，同時(shí)具有較深的工程應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目，通過與科研、工程實(shí)踐結(jié)合緊密的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，促使學(xué)生在扎實(shí)基本實(shí)驗(yàn)原理及理論知識的基礎(chǔ)上，極大的激發(fā)其進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新的能力和積極性，培養(yǎng)本科生后續(xù)進(jìn)行科研工作的基本素養(yǎng)。下面，就該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺上已開展的兩項(xiàng)研究性實(shí)驗(yàn)為例，說明該平臺建設(shè)成果。

2.1 RLC串聯(lián)電路頻率特性研究實(shí)驗(yàn)

在煉鋼爐、稠油開采中廣泛應(yīng)用的中頻加熱電源其重要的環(huán)節(jié)之一就是RLC串聯(lián)諧振電路[6]，RLC串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)也是電工技術(shù)類實(shí)驗(yàn)重要的內(nèi)容之一，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握尋求諧振點(diǎn)的方法，設(shè)計(jì)規(guī)定頻率下串聯(lián)諧振電路的參數(shù)。相較傳統(tǒng)全實(shí)物實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生面對固定的電路參數(shù)，在有限學(xué)時(shí)下，大都只能通過測量電阻兩端電壓大小來判斷電路的狀態(tài)，對實(shí)驗(yàn)的理解較為膚淺。且在實(shí)驗(yàn)過程中，一方面輸出電壓的穩(wěn)定性對信號源的輸出能力有很高要求，另一方面，如學(xué)生需進(jìn)行自主串聯(lián)諧振回路設(shè)計(jì)工作，參數(shù)的合理化驗(yàn)證是必經(jīng)環(huán)節(jié)，但原先有限的實(shí)驗(yàn)操作板上難以滿足多樣化的需求，出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果不理想的情況，在虛擬平臺上就能夠很好地克服其缺點(diǎn)，仿真實(shí)驗(yàn)線路如圖2(a)所示。

虛擬平臺下信號源頻率的調(diào)整并不影響其輸出電壓的穩(wěn)定性，學(xué)生不僅可以通過觀測電流表I和電壓表UR的讀數(shù)找到準(zhǔn)確的諧振點(diǎn)；還可同時(shí)觀察電壓、電流波形之間波形特點(diǎn)及相位關(guān)系，尋找諧振點(diǎn)，其表現(xiàn)示于圖2(b)-圖2(d)。還可將此方法應(yīng)用到實(shí)際工程中信號源為非正弦波的場合，對幫助學(xué)生進(jìn)行中頻電源的設(shè)計(jì)和優(yōu)化很有幫助。

(a)RLC串聯(lián)諧振 (b)R=50Ω f=2.85kHz 電路仿真電路 電路諧振呈阻性

(c)R=50Ω f=2kHz (d)R=50Ω f=4kHz電路呈容性 電路呈感性圖2 RLC串聯(lián)電路頻率特性仿真研究實(shí)驗(yàn)

通過該實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，參與本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目《中頻感應(yīng)加熱電源節(jié)能運(yùn)行技術(shù)研究》項(xiàng)目的學(xué)生收到了良好的效果，學(xué)生通過反復(fù)進(jìn)行虛擬仿真，在不消耗硬件條件的情況下，對該項(xiàng)目有較為深刻的理解，且對自行設(shè)計(jì)的參數(shù)在項(xiàng)目研究中將會出現(xiàn)的結(jié)果有正確的預(yù)期，避免材料的浪費(fèi)及失誤的發(fā)生。

2.2 PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

脈寬調(diào)制PWM已應(yīng)用于多種場合，包括開關(guān)電源、電機(jī)調(diào)速以及可對目前流行的LED進(jìn)行無極調(diào)光等[7-8]，而運(yùn)動小車的控制也是電子設(shè)計(jì)大賽每年必含的項(xiàng)目之一，其最基本的要求就是學(xué)生會使用控制器驅(qū)動電機(jī)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是要求學(xué)生掌握PWM波發(fā)生方法及電機(jī)的驅(qū)動方法。

傳統(tǒng)的全實(shí)物教學(xué)平臺下，學(xué)生初次接觸該類開放的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)往往采用網(wǎng)絡(luò)上提供的電路，不進(jìn)行線路分析思考和必要的驗(yàn)證，對出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能做出良好的解釋，且容易出現(xiàn)燒壞芯片等事故。通過利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生有目的地進(jìn)行線路設(shè)計(jì)、分析，給出合理的設(shè)計(jì)思路和基本仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)效果能做到心中有數(shù)。

由于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺沒有器件上的限制，學(xué)生根據(jù)自己的興趣和先修課程的情況，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

(a)555可調(diào)PWM (b)AT89C51可調(diào)PWM電機(jī)調(diào)速電路 電機(jī)調(diào)速電路圖3 PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

通過“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生能夠更深層次的理解和觀察實(shí)驗(yàn)，對完成實(shí)物搭建

更有信心，并具備解決調(diào)試中出現(xiàn)的問題的能力，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的成功率大大提高，同時(shí)由于參數(shù)選擇有理有據(jù)，且具有先驗(yàn)性的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對有限的實(shí)驗(yàn)室資源做到了最大化利用和節(jié)約。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)電工電子全實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺是學(xué)生掌握電工電子基本知識和操作技能的基礎(chǔ)，在不斷強(qiáng)調(diào)綜合創(chuàng)新、設(shè)計(jì)能力的高等教育培養(yǎng)模式下，構(gòu)建體現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開展開放式、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和良好的科研素養(yǎng)，充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才中的作用。

[1] 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》.2010.7.

[2] 劉宏,肖發(fā)遠(yuǎn),黃朝志等.構(gòu)建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)特色的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(1):137-139,155.

[3] 教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)工作的通知[Z].高教[2013]94號文件.

[4] 杜坤,張彪,魏萬紅等.生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2015,32(9):132-136.

[5] 李平,毛昌杰,徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J],實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[6] 羅曉曄,胡美君,丁學(xué)恭等.一種提升中頻加熱爐功率因數(shù)的原理及方法[J].鍛壓技術(shù),2007,32(5):160-164.

[7] 于洪國.稠油油井中頻加熱電源設(shè)計(jì)及控制方法研究[D].中國石油大學(xué)(華東),2007.

[8] 侯利朋,李杰,劉俊等.直流無刷伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2015,23(6):2126-2127.

The Construction of Electrical and Electronic Virtual Experiment Platform for Comprehensive Design Ability Training

PENG Li-jun， YANG Rui

(Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an710055,China)

For the problems of traditional electrical and electronic experimental teaching platform in the process of undergraduate students practice ability training， according to the characteristic of the experimental course, To cultivate students' comprehensive innovation ability as starting point, the virtual experiment platform has been developed. Experimental teaching examples show that the construction of the platform effectively improved the students' ability to complete design and basic engineering and scientific research quality, teaching effect is improved greatly.

virtual experiment; electrical and electronic; design capability; experiment teaching reform

2016-07-25;

2017-03- 17

陜西省教育廳專項(xiàng)科研基金(14JK1427)；西安建筑科技大學(xué)教改立項(xiàng)課題(JG021525)；西安建筑科技大學(xué)青年科技基金(QN1627、QN1636)

彭莉峻(1986-)，女，碩士，工程師，主要從事電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究工作，E-mail：271483869@qq.com

G642.0

A

1008-0686(2017)04-0138-03