基于課堂—實(shí)驗(yàn)—仿真混合式教學(xué)在電力拖動課程中的應(yīng)用

羅成名 黃國銘 戴衛(wèi)力

摘 要 針對電力拖動課程的學(xué)習(xí)要求，分析電力拖動課程知識抽象、理論推導(dǎo)多、學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)，利用課堂—實(shí)驗(yàn)—仿真多種教學(xué)深入融合手段增強(qiáng)教學(xué)效果。在第一課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)建教學(xué)講授、板書推導(dǎo)以及動畫視頻的教學(xué)內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計、系統(tǒng)搭建以及結(jié)果分析來加深課堂理論知識，采用虛擬軟件仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)、模型構(gòu)建、參數(shù)辨識的學(xué)習(xí)，在控制器中改變仿真參數(shù)來模擬不同的實(shí)驗(yàn)，將抽象復(fù)雜的電機(jī)理論通過實(shí)驗(yàn)和仿真學(xué)習(xí)變得易于理解。

關(guān)鍵詞 電力拖動；物理實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真；混合式教學(xué)；MATLAB

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）06-0042-03

Application of Electric Traction using Mixed Teaching of Class-room， Experiment and Simulation Methods//LUO Chengming， HUANG Guoming， DAI Weili

Abstract Aiming at the knowledge abstraction， theoretical deduc-tion， learning difficult characteristics of electric traction， this paper

makes full use of classroom experiment simulation teaching methods.

Based on the teaching lectures， theory deduction and animation video，

the experimental teaching is carried out through program identifica-tion， system construction and result analysis. Meanwhile， the soft-ware simulation teaching is used to make virtual experiments， model

construction， and parameter identification via changing the simula-tion parameters. The experiment and simulation teachings can fur-ther deepen the understanding of the electric traction contents in the classroom.

Key words electric traction； physical experiment； virtual simulation；

mixed teaching methods； MATLAB

1 前言

電力拖動與控制類課程是本科院校自動化專業(yè)的必修課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生通過電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和電機(jī)基本理論分析電機(jī)及拖動的實(shí)際問題[1]。該課程在人才培養(yǎng)方案中起著承上啟下的作用，可以為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)。課程內(nèi)容包含大量的理論推導(dǎo)公式，具有一定理論性和實(shí)踐性，知識抽象，學(xué)習(xí)難度大。該課程內(nèi)容的特點(diǎn)導(dǎo)致學(xué)生對課程學(xué)習(xí)不僅沒有興趣，而且有反感傾向[2]。課堂上教師一味灌輸?shù)慕虒W(xué)方法滿足不了學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，學(xué)生學(xué)習(xí)沒有動力[3]。因此，運(yùn)用課堂—實(shí)驗(yàn)—仿真混合式教學(xué)，在電力拖動課程中是必要的（如圖1所示）。

2 課堂理論教學(xué)

鑒于電氣拖動課程知識點(diǎn)繁雜、公式推導(dǎo)多、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)平臺課程資源。教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)平臺對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，并通過觀看視頻對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行初步了解，同時可以與其他學(xué)生和教師在網(wǎng)絡(luò)平臺上進(jìn)行互動交流。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺課程資源的預(yù)習(xí)，可以把在預(yù)習(xí)過程中遇到的難點(diǎn)在課堂上和教師、同學(xué)進(jìn)行交流，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，同時為在課堂上掌握教師所講授的內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

基于網(wǎng)絡(luò)平臺的課程資源，多媒體課件是本科教學(xué)手段的主要載體，其精心制作顯得至關(guān)重要。教師在制作多媒體課件過程中，可以充分發(fā)揮動畫、微課、視頻等多媒體效果，將每個知識點(diǎn)都用最直觀的方式表現(xiàn)出來，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，化解教學(xué)重難點(diǎn)，有效達(dá)到電力拖動課程的教學(xué)目標(biāo)。

電力拖動負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動負(fù)載運(yùn)動，理解直流電機(jī)的工作原理和建立電機(jī)結(jié)構(gòu)是學(xué)好電力拖動課程的基礎(chǔ)。因此，為了充分發(fā)揮課堂教學(xué)效果，利用多媒體課件圖文并茂的優(yōu)勢，結(jié)合動畫、微課及視頻資料，直觀展示電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)換原理、電動機(jī)定轉(zhuǎn)子三維剖視圖、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)3D動畫以及電機(jī)繞組展開圖等教學(xué)內(nèi)容，將枯燥的理論知識轉(zhuǎn)換成學(xué)生易于接受并感興趣的教學(xué)形式。同時，對于電力拖動中關(guān)于主磁通、電磁轉(zhuǎn)矩以及電動勢平衡方程構(gòu)建，需要通過板書詳略得當(dāng)?shù)剡M(jìn)行推導(dǎo)，在推導(dǎo)演繹過程中讓學(xué)生逐步理解，加深他們對重點(diǎn)知識點(diǎn)的理解。

3 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為了使得學(xué)生能夠?qū)φn堂所學(xué)理論知識有更加深入的理解，在運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)平臺課程資源、板書結(jié)合多媒體課件開展課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行富有創(chuàng)新意識和探索精神的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計，對于提高學(xué)生理論—實(shí)踐—動手三位一體能力具有重要意義。采用浙江天煌教學(xué)儀器的DDSZ-1型電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基于模塊化和掛件式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同課程的不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求組合搭配，采用強(qiáng)弱分開手槍式插頭，連接電源、控制電路、電動機(jī)、電阻器、以及測量表等實(shí)驗(yàn)器件，在隔離電路保護(hù)安全的前提下配合課堂教學(xué)內(nèi)容，可以完成包括直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)、變壓器實(shí)驗(yàn)、異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)以及同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計。

以直流并勵電動機(jī)為例，深入理解直流電動機(jī)調(diào)速的原理。圖2所示為直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出，在保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.83 Nm和保持勵磁電流100 mA恒定時，電樞電流基本維持在570 mA；當(dāng)增大電阻阻值，使得電樞電壓從220 V降低到150 V時，電機(jī)轉(zhuǎn)速從1575 r/min降低到990 r/min，進(jìn)一步驗(yàn)證了直流電動機(jī)增大電壓則轉(zhuǎn)速增加的現(xiàn)象。圖3所示為直流電動機(jī)弱磁調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出，在保持電壓為額定值220 V和轉(zhuǎn)矩0.83 Nm恒定時，隨著勵磁電流從100 mA減小到65 mA，電機(jī)轉(zhuǎn)速從1520 r/min升高到1760 r/min，而電樞電流也從0.59 A升高到0.70 A，進(jìn)一步驗(yàn)證了直流電動機(jī)減弱磁通則轉(zhuǎn)速增加的現(xiàn)象。

4 虛擬仿真教學(xué)

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行功能性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，借助于MATLAB軟件Simulink模塊進(jìn)行電力拖動運(yùn)動控制系統(tǒng)的建模和仿真，深入認(rèn)識電力拖動運(yùn)動控制原理[4]。以轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)分為給定電壓模塊、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器模塊以及電流PI調(diào)節(jié)器模塊，在對比例積分系數(shù)、反饋系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計算分析后，搭建仿真模型圖，如圖4所示。

采用圖4搭建的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，學(xué)生可以通過改變仿真模塊參數(shù)來模擬不同實(shí)驗(yàn)：1）觀察將PI調(diào)節(jié)器改為P調(diào)節(jié)器或者I調(diào)節(jié)器時的調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)；2）觀察改變電流調(diào)節(jié)器開環(huán)增益K和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中頻寬h分別對典型I型和II型系統(tǒng)的性能；3）觀察不添加飽和非線性模塊對雙閉環(huán)系統(tǒng)的性能影響；4）觀察添加電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器濾波環(huán)節(jié)對調(diào)速性能的影響；5）觀察將三相橋式整流電路改為全控型PWM整流電路對調(diào)速性能的影響；6）觀察系統(tǒng)突加負(fù)載時的調(diào)速性能指標(biāo)，如圖5所示。

虛擬仿真軟件的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步鞏固了學(xué)生所學(xué)知識點(diǎn)，學(xué)生通過改變仿真模擬的參數(shù)可以模擬不同的實(shí)驗(yàn)，并且可以依據(jù)仿真結(jié)果得出相應(yīng)的結(jié)論，鍛煉學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。抽象復(fù)雜的公式推導(dǎo)和意義通過虛擬仿真軟件變得更加直觀，更易于理解，學(xué)生的學(xué)習(xí)變得更加輕松，達(dá)到很好的教學(xué)效果。

5 結(jié)語

電力拖動課程知識抽象、理論公示推導(dǎo)多、學(xué)習(xí)難度大，有很強(qiáng)的理論性。理論課堂上，做到網(wǎng)絡(luò)化課程資源的初步預(yù)習(xí)、多媒體課件的直觀展示及復(fù)雜公式的板書推導(dǎo)相結(jié)合。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以天煌教學(xué)儀器的DDSZ-1型電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置為載體，采用任務(wù)驅(qū)動、小組討論、自主探究等教學(xué)手段，完成方案確定、系統(tǒng)搭建、結(jié)果分析，加深學(xué)生對課堂講授內(nèi)容的理解。在此基礎(chǔ)上，利用虛擬軟件仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)、模型構(gòu)建、參數(shù)辨識，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識點(diǎn)，使抽象復(fù)雜的公式推導(dǎo)和意義變得更加直觀。融合理論課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬軟件仿真，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時活躍課堂氣氛，鍛煉和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決問題的思維能力，在化解重難點(diǎn)的基礎(chǔ)上有效達(dá)到教學(xué)效果，提高電力拖動教學(xué)質(zhì)量。

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