基于MATLAB的“電氣工程基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

仰彩霞 楊蕾 鄭雪

摘 要 根據(jù)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，將MATLAB的編程仿真技術(shù)引入電氣工程基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，不僅能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)好本課程的信心，達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞 電氣工程基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革 人才培養(yǎng)

“電氣工程基礎(chǔ)”課程是本校電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)必修核心課之一，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，占總學(xué)時(shí)（56）的七分之一，雖然實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不多，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好壞，直接反應(yīng)了學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的理解程度，并且對(duì)學(xué)生以后在該專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)研究有很大影響，因此對(duì)本課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究十分必要。[1]MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)能夠讓學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋，結(jié)合課本的理論知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，編寫(xiě)程序，觀察仿真結(jié)果，非常適合“電氣工程基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究。其友好的交互界面和編程環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生在專(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)條件達(dá)不到良好效果的情況下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)可彌補(bǔ)其不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。在“電氣工程基礎(chǔ)”課程中引入MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常有意義的。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

“電氣工程基礎(chǔ)”是一門(mén)理論性、實(shí)踐性及專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的課程，為了提高教學(xué)水平，必須具備較高水平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和良好的教學(xué)環(huán)境，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是固定實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都受到限制，無(wú)法提高。學(xué)生幾乎都是被動(dòng)的在老師或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書(shū)的指導(dǎo)下機(jī)械式地連線、讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，甚至有些學(xué)校根本沒(méi)有開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)部分，學(xué)生在課本中學(xué)到的理論知識(shí)無(wú)法得到驗(yàn)證，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力未能得到任何提高。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣不大，沒(méi)有較高的積極性，造成“電氣工程基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平無(wú)法提高。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革和創(chuàng)新，在滿(mǎn)足課程教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，提升學(xué)生的動(dòng)手能力，本文提出利用MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)進(jìn)行本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)受場(chǎng)地環(huán)境和設(shè)備的限制，不容易實(shí)現(xiàn)綜合性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，且準(zhǔn)確性和精度都不高。[2-3]而MATLAB仿真軟件以綜合性和開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為支撐，為學(xué)生提供綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)界面，可以進(jìn)行繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、進(jìn)行矩陣運(yùn)算、創(chuàng)建可視化較好的用戶(hù)界面、與其他編程語(yǔ)言的程序進(jìn)行連接等，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：[4]（1）不受時(shí)間和空間限制，可信度高、編程運(yùn)算效率高；（2）其高效的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能使用戶(hù)擺脫復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析；（3）MATLAB較強(qiáng)的圖形處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)算計(jì)算結(jié)果的可視化；（4）豐富的應(yīng)用功能工具箱，為用戶(hù)提供了有效且方便實(shí)用的處理工具。程序設(shè)計(jì)具有較高的靈活性和圖形處理功能強(qiáng)大等，在應(yīng)用過(guò)程中，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行全面改革，基于M文件自身特點(diǎn)，讓每一位學(xué)生都參與進(jìn)來(lái)，結(jié)合課本的理論知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，編寫(xiě)程序，觀察仿真結(jié)果，并與課本中的理論分析結(jié)果進(jìn)行比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是學(xué)好一門(mén)課程的關(guān)鍵，要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須改革，才能培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力，并且適應(yīng)能力強(qiáng)的高素質(zhì)人才?！半姎夤こ袒A(chǔ)”作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，涉及的內(nèi)容廣，比如電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、電力系統(tǒng)短路計(jì)算、繼電保護(hù)、發(fā)電廠和變電站的一次和二次系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行等專(zhuān)業(yè)課的相關(guān)內(nèi)容，只有對(duì)這本門(mén)課實(shí)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革，才能為后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課程及研究生課程做好充分準(zhǔn)備。

為了在“電氣工程基礎(chǔ)”課程中更好的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，MATLAB課程應(yīng)該作為基礎(chǔ)平臺(tái)課程先行開(kāi)設(shè)，作為工科專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的工具，盡量安排在學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課甚至專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之前。在開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)課時(shí)，要盡量選用含有仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教材方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)，或者通過(guò)教研組編寫(xiě)包含傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)講義供學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)習(xí)。并逐步改善專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室里，除了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，應(yīng)該配備學(xué)生電腦和多媒體教學(xué)設(shè)備，方便教師演示仿真程序。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

曾經(jīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師習(xí)慣性在實(shí)驗(yàn)之前講解實(shí)驗(yàn)原理，甚至給出實(shí)驗(yàn)程序，學(xué)生只要照著已有的程序敲進(jìn)電腦點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生沒(méi)有參與到建立模型這一重要環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)錯(cuò)也無(wú)法做出自己的判斷。為了提高學(xué)生的積極主動(dòng)性，并且考慮實(shí)驗(yàn)只有8個(gè)學(xué)時(shí)，故在實(shí)驗(yàn)之前一到兩周時(shí)間把實(shí)驗(yàn)題目發(fā)送給大家，大家可以根據(jù)課本的理論知識(shí)，互相討論，如何建立數(shù)學(xué)模型。也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)相關(guān)類(lèi)似程序，從中吸取有用的知識(shí)，以備自己的上機(jī)寫(xiě)程序需要。在上機(jī)過(guò)程中，教師要盡力做到有問(wèn)必答、一一指導(dǎo)。由于班級(jí)人數(shù)較多，有時(shí)候一一指導(dǎo)會(huì)忙不過(guò)來(lái)，可以先指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)完成較好的同學(xué)，然后帶領(lǐng)幾位同學(xué)一起指導(dǎo)編程速度較慢的同學(xué)，遇到問(wèn)題大家共同探討、研究，既培養(yǎng)了師生之間、同學(xué)之間的感情，又培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，學(xué)生也會(huì)在編程的過(guò)程中體驗(yàn)到自己完成程序所帶來(lái)的成就感。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，總有學(xué)生感嘆，終于理解了課本上的理論。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革之前，教師僅僅通過(guò)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告給實(shí)驗(yàn)成績(jī)，但由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)成績(jī)無(wú)法區(qū)分層次。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革之后，大部分同學(xué)的程序都是自己努力完成，實(shí)驗(yàn)報(bào)告除了實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是大家相同的以外，實(shí)驗(yàn)程序部分用自己的程序即可，抄襲現(xiàn)象自然就不存在了。通過(guò)完成兩個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生門(mén)不僅對(duì)“電氣工程基礎(chǔ)”這門(mén)課程的核心內(nèi)容有了更好的理解，為我們電氣專(zhuān)業(yè)的學(xué)生畢業(yè)以后讀研或者工作都做了良好的鋪墊。

例如，本課程開(kāi)的實(shí)驗(yàn)之一為用牛頓拉夫遜法進(jìn)行潮流計(jì)算，首先在理論課中給大家講解了什么是牛頓拉夫遜法，由于大家之前都沒(méi)有聽(tīng)過(guò)這種數(shù)學(xué)方法，現(xiàn)在要將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)潮流計(jì)算中，大家覺(jué)得像是聽(tīng)天書(shū)一樣，課本中給出的算例，也不知道算例結(jié)果是否準(zhǔn)確，結(jié)果是怎么來(lái)的，自己通過(guò)手算又很難完成，計(jì)算量太大。通過(guò)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，大家先將課本中講解的公式變成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，然后根據(jù)實(shí)例的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，再將結(jié)果與課本中的結(jié)果進(jìn)行比較，從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，徹底理解高難度的理論知識(shí)。

2.3 考核方式改革

成績(jī)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度影響很大，部分優(yōu)秀的同學(xué)對(duì)自己本身要求比較嚴(yán)格，奔著拿高分去做實(shí)驗(yàn)，這部分同學(xué)往往是不用老師操心就可以完成的。大部分同學(xué)為了完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，也會(huì)認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)，還有一小部分同學(xué)是為了及格而去參與實(shí)驗(yàn)。為了公平對(duì)待，并能體現(xiàn)出優(yōu)良中差，在給實(shí)驗(yàn)打分的時(shí)候分成幾部分，實(shí)驗(yàn)的原創(chuàng)性占60%，實(shí)驗(yàn)的調(diào)試及結(jié)果的準(zhǔn)確性占30%，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告占10%。如果不認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)，僅完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)成績(jī)是無(wú)法及格的。

3 總結(jié)

經(jīng)過(guò)幾年努力，將MATLAB的M文件編程仿真技術(shù)引入到“電氣工程基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加生動(dòng)，教學(xué)內(nèi)容更加充實(shí)，能夠讓學(xué)生將“電氣工程基礎(chǔ)”理論課中無(wú)法消化的內(nèi)容，通過(guò)編程徹底消化吸收，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的主動(dòng)參與性，通過(guò)參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，掌握現(xiàn)代科研的能力，使自己的綜合能力得到提升，并在其它領(lǐng)域和后續(xù)學(xué)習(xí)工作中能夠發(fā)揮更好的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 高嬿，張運(yùn)波，張龍斌.電氣工程專(zhuān)業(yè)”電力系統(tǒng)分析”教學(xué)改革探索[J].中國(guó)電力教育，2013（20）：52-53.

[2] 艾青，李時(shí)東.基于MATLAB的電氣工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].中國(guó)電力教育，2014（35）：152-153.

[3] 孫歆鈺.基于MATLAB的電氣工程綜合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].信息通信，2015（10）：274-275.

[4] 劉荊飛，康積濤.基于 MATLAB/SIMULINK 的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析[J].東北電力技術(shù)，2007（10）：16-19.