虛擬仿真技術(shù)在“電機(jī)與拖動”課程教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

彭磊 蔡斌軍

摘 要 結(jié)合"電機(jī)與拖動"課程的特點(diǎn)，闡述了虛擬仿真技術(shù)在“電機(jī)與拖動”課程教學(xué)中的可行性和重要性。同時(shí)，探索出一套行之有效的實(shí)施方案， 并對其特色與創(chuàng)新之處和方案實(shí)施的保障條件進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù) 電機(jī)與拖動 實(shí)施方案

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.01.041

Abstract With a consideration of the characteristics of the course Motor and Drive， this paper discusses the feasibility and significance of virtual simulation technology in the teaching of this course. At the same time， the paper explores a set of effective detail design， the features and innovation and the guarantee conditions for the implementation of the scheme are analyzed.

Keywords virtual simulation technology； motor and drive course； detail design

“電機(jī)與拖動”是一門主要闡述電機(jī)與電力拖動的基本理論的課程，該課程具有電機(jī)學(xué)和電力拖動的基本內(nèi)容。在自動化專業(yè)的課程體系中，它是自動化專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課，需要把科學(xué)實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際緊密地聯(lián)系起來。該課程的主要內(nèi)容是運(yùn)用“電路”、“大學(xué)物理”、“高等數(shù)學(xué)”等基礎(chǔ)課程的基本理論來分析電機(jī)和變壓器的工作原理和運(yùn)行特性以及與之相關(guān)的工程實(shí)踐問題。由于“電機(jī)與拖動”課程涉及到較多的基礎(chǔ)課程內(nèi)容，所以學(xué)生普遍反映該門課程學(xué)習(xí)起來比較枯燥和抽象。抽象的電磁理論和概念、大量的公式推導(dǎo)和計(jì)算過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)期間難以形成一個(gè)比較全面系統(tǒng)的認(rèn)識，從而對其學(xué)習(xí)積極性有很大的影響。

虛擬仿真技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗(yàn)研究的新技術(shù)。它具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性。基于虛擬仿真技術(shù)的所具有的四個(gè)基本特性，可以讓學(xué)生在接近現(xiàn)實(shí)工作場景下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)，從而能大幅度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這種生動形象的教學(xué)方法，可以使學(xué)生很快的融入相應(yīng)的學(xué)習(xí)情境，有助于學(xué)生更容易理解抽象的理論和概念。因此，如何將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)改革的過程中是一個(gè)重要的研究課題。[1]

1 總體思路

本次教學(xué)改革是以教育部下發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》以及《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)》等文件精神為指導(dǎo)，基于翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式，按照教育部自動化教指委在全國范圍內(nèi)開展的“自動化專業(yè)課程體系改革與建設(shè)試點(diǎn)”工作的基本要求，以培養(yǎng)學(xué)生能力為導(dǎo)向，根據(jù)“電機(jī)與拖動”課程的特點(diǎn)，運(yùn)用ANSYS Maxwell軟件選取相關(guān)的課程內(nèi)容，進(jìn)行課程開發(fā)。按照工程專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生的要求，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的基本規(guī)律，對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合、優(yōu)化，依照循序漸進(jìn)的原則，將其內(nèi)容從簡到繁、從易到難，設(shè)計(jì)出適合的設(shè)計(jì)項(xiàng)目和學(xué)習(xí)任務(wù)，利用虛擬仿真技術(shù)教學(xué)的優(yōu)勢，制定出更高水平的“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)方案。[2]

2 實(shí)施方案

本研究所面對的學(xué)習(xí)主體是自動化專業(yè)二年級的學(xué)生，通過在深度分析學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于虛擬仿真技術(shù)的沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性，借鑒項(xiàng)目式教學(xué)法和信息化教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，建立起將虛擬仿真技術(shù)融入到典型任務(wù)和相關(guān)研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目的教學(xué)模式當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了基于虛擬仿真技術(shù)的“教、學(xué)、做”三位一體的教學(xué)設(shè)計(jì)方案。教學(xué)設(shè)計(jì)方案由“項(xiàng)目設(shè)定”、“計(jì)劃制定”、“計(jì)劃實(shí)施”和“項(xiàng)目評價(jià)”四個(gè)環(huán)節(jié)組成，其中基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)設(shè)計(jì)方案貫穿了所有的環(huán)節(jié)。具體實(shí)施方案如下：

（1）在“項(xiàng)目設(shè)定”環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)老師應(yīng)該從以下三個(gè)方面展開教學(xué)活動：

一是通過搭建好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，將所需要設(shè)定的研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目的內(nèi)容和目標(biāo)傳遞給學(xué)生，并告知學(xué)生最終必須完成的項(xiàng)目成果，隨后指導(dǎo)老師再根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況布置具體的學(xué)習(xí)任務(wù)。

二是利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，讓學(xué)生通過具體的學(xué)習(xí)任務(wù)內(nèi)容明確自己在完成任務(wù)后可以獲取哪些知識以及達(dá)到一個(gè)什么樣的學(xué)習(xí)水平，從而讓學(xué)生對完成項(xiàng)目的達(dá)成度有一個(gè)清晰的認(rèn)識。

三是按照自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)的策略，依據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有知識和能力水平對學(xué)生進(jìn)行分組，安排具體的完成時(shí)間和成果的評價(jià)方式等。

（2）在“計(jì)劃制定”環(huán)節(jié)中，可以通過分布式學(xué)習(xí)環(huán)境下的協(xié)作學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生對研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目的任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行分解，讓學(xué)生明確任務(wù)所涉及的每一個(gè)知識點(diǎn)，充分運(yùn)用所學(xué)的前期知識在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行決策，由每一組的小組長為各自小組的組員確定研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)施步驟，為各自小組需完成的設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)施做好充分的準(zhǔn)備。

（3）在“計(jì)劃實(shí)施”環(huán)節(jié)中，學(xué)生主要學(xué)會運(yùn)用ANSYS Maxwell軟件，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，按照之前由每一組的小組長為各自小組的組員所確定的研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)施步驟逐步的完成任務(wù)內(nèi)容。指導(dǎo)老師則可以很好地借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)時(shí)性，對學(xué)生進(jìn)行及時(shí)的相應(yīng)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)師生之間以及學(xué)生之間的學(xué)習(xí)交流。學(xué)生通過完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所指定的任務(wù)，對所學(xué)到的知識重新進(jìn)行建構(gòu)，進(jìn)一步完善自身的知識體系，從而鞏固學(xué)習(xí)的效果。

（4）在“項(xiàng)目評價(jià)”環(huán)節(jié)中，則需要學(xué)生將自己最終完成的項(xiàng)目成果在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上逐一進(jìn)行展示，在展示過程中將接受指導(dǎo)老師和其他同學(xué)對于該項(xiàng)目成果的反饋意見。同時(shí)，在項(xiàng)目成果展示的過程中，學(xué)生可以在通過與其他同學(xué)的項(xiàng)目成果的對比中，查找出自己項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的不足之處，并可與指導(dǎo)老師和其他同學(xué)一起討論其改進(jìn)方法。之后，指導(dǎo)老師則可以依據(jù)每位學(xué)生完成該項(xiàng)目的達(dá)成度，進(jìn)行公正的打分，并將此作為學(xué)生在教學(xué)過程中的考核成績。

3 特色與創(chuàng)新之處

3.1 引入翻轉(zhuǎn)課堂式的教學(xué)模式，重建學(xué)習(xí)流程

在大多數(shù)情況下，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程通常是由“信息傳遞”和“吸收內(nèi)化”兩個(gè)階段所組成的。在“信息傳遞”階段中，主要是通過教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間的相互交流和溝通得以實(shí)現(xiàn)的；在“吸收內(nèi)化”階段中，則主要依靠學(xué)生在課后自行完成的。而在“吸收內(nèi)化”這個(gè)階段中，由于缺少指導(dǎo)老師的引導(dǎo)和其他學(xué)生的交流，因此常常會使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到難題時(shí)一籌莫展，由此產(chǎn)生挫敗感，從而逐漸喪失了學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)成就感也隨之逐步消退。引入翻轉(zhuǎn)課堂式的教學(xué)模式，則可以將學(xué)生之前傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行重構(gòu)。在這種教學(xué)模式下，則是將“信息傳遞”階段安排在課前進(jìn)行。因此老師不僅可以在線提供視頻，還可以在線進(jìn)行及時(shí)的輔導(dǎo)，同時(shí)學(xué)生之間也可以在線上進(jìn)行溝通和交流；另一方面則將“吸收內(nèi)化”安排在是在課堂上通過互動來完成的。在這樣的安排下，指導(dǎo)老師不僅能夠提前了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，而且還能在課堂上給予有效的輔導(dǎo)，再加上同學(xué)之間的相互交流，則可以起到促進(jìn)學(xué)生對知識的吸收內(nèi)化的效果。[3]

3.2 引入ANSYS Maxwell 軟件，實(shí)現(xiàn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)“內(nèi)與外”的結(jié)合

通過引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用ANSYS Maxwell軟件制作電機(jī)模型，加載相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，能直接觀察到電機(jī)仿真的電磁場的分布狀況和分布特點(diǎn)。同時(shí)通過立體建模方式，加深學(xué)生對電機(jī)結(jié)構(gòu)知識的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的空間思維和電機(jī)設(shè)計(jì)的綜合能力。[4]從電機(jī)實(shí)驗(yàn)所需完成的內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā)，設(shè)計(jì)不同的運(yùn)行條件，通過改變電機(jī)的運(yùn)行狀況，從而達(dá)到仿真電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境。學(xué)生通過利用 ANSYS Maxwell 軟件可以快速而有效地搭建起虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，從而打破了傳統(tǒng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的局限性，由此既可以完成以驗(yàn)證性為目標(biāo)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還可以對電機(jī)內(nèi)部磁場的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真展示，從而完美地實(shí)現(xiàn)電機(jī)了實(shí)驗(yàn)“內(nèi)與外”的結(jié)合——既可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)了解電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，也可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀地了解電機(jī)的磁場分布規(guī)律。[5]

4 方案實(shí)施的保障條件

在高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的發(fā)展過程中，虛擬仿真技術(shù)教學(xué)是其重要內(nèi)容，因?yàn)樗鼘W(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)進(jìn)行了深度的融合。在教高司函[2013]94號文件中已明確指出：決定開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作?？梢?，虛擬仿真教學(xué)得到了國家政策的大力支持。[6]

目前有很多與電機(jī)設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件，比如ANSYS Maxwell， Motor-CAD， Flux等都為電機(jī)類專業(yè)課的虛擬仿真設(shè)計(jì)教學(xué)提供了實(shí)現(xiàn)的必要條件，也為虛擬仿真設(shè)計(jì)教學(xué)的實(shí)施提供了基礎(chǔ)。而且，大學(xué)生思維活躍，樂于接受新事物，經(jīng)過系統(tǒng)的基礎(chǔ)教育，掌握了較為完整的基礎(chǔ)知識機(jī)構(gòu)體系，因此他們具備開展研究性學(xué)習(xí)的條件。

我校始終堅(jiān)持“應(yīng)用型本科”的辦學(xué)定位，定位于培養(yǎng)應(yīng)用型的高級人才，一直致力于應(yīng)用型本科院校辦學(xué)思路和課程體系改革的研究，現(xiàn)正積極組織開展工程教育專業(yè)認(rèn)證及相關(guān)課程的配套改革工作，這些成果為本方案的實(shí)施提供了豐富的素材。

此外，學(xué)校經(jīng)常開展各種高水平的講座和學(xué)術(shù)交流活動，也為本方案的實(shí)施搭建了廣闊的平臺。通過這些學(xué)術(shù)交流活動，不僅可以使學(xué)生的視野變得更加開闊，而且使學(xué)生的思維也變得更加活躍。老師輔以指導(dǎo)，因此學(xué)生會更加積極地投身到研究性學(xué)習(xí)中來。

5 結(jié)束語

近年來，學(xué)校和相關(guān)職能部門大力推進(jìn)信息化教學(xué)改革，出臺了一系列的教育信息化發(fā)展規(guī)劃，不斷加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，以此來促進(jìn)學(xué)校課程教學(xué)改革和應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革。同時(shí)，學(xué)校對于教師積極開展教學(xué)改革的應(yīng)用與實(shí)踐活動，在研究經(jīng)費(fèi)的配套與管理方面均提供了有力的保障。

參考文獻(xiàn)

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