基于MATLAB/GUI電機(jī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)研究

張星　黃凱峰　戴文俊

摘 要：本文針對電機(jī)學(xué)課程理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，電磁關(guān)系比較復(fù)雜、抽象，實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)不能有效的緊密結(jié)合等問題，分析了電機(jī)學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)以及相互聯(lián)系，進(jìn)行了基于MATLAB/GUI的電機(jī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究和實(shí)踐，通過建立電機(jī)學(xué)MATLAB/GUI虛擬實(shí)驗(yàn)室，提前在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真，然后到實(shí)驗(yàn)室平臺進(jìn)行動手操作驗(yàn)證，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證人才培養(yǎng)的需求.

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué);Simulink仿真;MATLAB/GUI;虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號：G642? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）11-0163-03

“電機(jī)學(xué)”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)核心課，也是電機(jī)與電器二級學(xué)科研究的理論基礎(chǔ)，它以變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)和交、直流電機(jī)等為研究對象，掌握電機(jī)基本原理和分析方法[1].通過理論和實(shí)驗(yàn)課程的融合教學(xué)，理論課堂引入仿真模型，有助于理解抽象難懂的電機(jī)電磁關(guān)系及運(yùn)行特性，可以直觀學(xué)習(xí)理論知識，實(shí)驗(yàn)課前仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以加深對電機(jī)學(xué)理論知識和實(shí)驗(yàn)原理的理解，提高學(xué)生的動手能力和專業(yè)知識應(yīng)用能力，為后續(xù)專業(yè)課程和自身就業(yè)競爭力的提升打好堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ).本文的主要工作：（1）以電機(jī)學(xué)課程為基礎(chǔ)建立電機(jī)學(xué)Simulink實(shí)驗(yàn)仿真模型;（2）建立基于MATLAB/GUI電機(jī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真平臺;（3）編寫回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真平臺動態(tài)調(diào)用實(shí)驗(yàn)仿真模型和仿真結(jié)果.

1 理論與實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)、聯(lián)系及存在的問題

電機(jī)學(xué)理論課程以變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)和交直流電機(jī)等為研究對象，掌握電機(jī)基本原理和分析方法.該課程概念抽象難理解、公式復(fù)雜，涉及物理學(xué)中的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)，理論性比較強(qiáng)，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密[2].實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生具備較強(qiáng)的動手能力和工程思維能力，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求完成實(shí)驗(yàn)過程，得出正確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用理論知識處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證電機(jī)基本原理和運(yùn)行特性.

目前，理論課程大多以講授和PPT演示為主，公式復(fù)雜、概念抽象難懂;實(shí)驗(yàn)課程存在著學(xué)生人數(shù)過多得不到充分指導(dǎo)、學(xué)生存在“重理論、輕實(shí)驗(yàn)”思想、學(xué)生對指導(dǎo)老師過于依賴、缺乏主動性以及實(shí)驗(yàn)考核體系與理論課程考核體系存在一定差距等問題[3].針對以上情況，本文從自己的課程實(shí)際出發(fā)，理論課堂引入仿真模型，有助于理解抽象難懂的電機(jī)電磁關(guān)系及運(yùn)行特性，可以直觀學(xué)習(xí)理論知識，把實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目化，建立實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目小組，項(xiàng)目小組自行完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過MATLAB/GUI電機(jī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真平臺，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行仿真，然后在實(shí)驗(yàn)室平臺進(jìn)行動手操作，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

因此，電機(jī)學(xué)理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，理論和實(shí)驗(yàn)課程聯(lián)系緊密，只學(xué)好理論，不會實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)不到工程應(yīng)用要求，學(xué)不好理論，實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理無從下手，因次，理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互融合，用理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論的正確性[4].

2 理論課程與實(shí)驗(yàn)仿真模型融合

理論課程與實(shí)驗(yàn)仿真有機(jī)融合，理論課堂引入仿真模型，以變壓器負(fù)載運(yùn)行為例[5]，分析變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)一、二次電流關(guān)系及二次電壓、電流關(guān)系.

3 互動融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

3.1 項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

電機(jī)學(xué)課程實(shí)驗(yàn)是對電機(jī)學(xué)中變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)和交、直流電機(jī)的參數(shù)和特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性操作.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將教學(xué)班分為若干個(gè)項(xiàng)目小組，小組成員根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行分工，每個(gè)人必須操作一個(gè)實(shí)驗(yàn)小項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)小項(xiàng)得分總和構(gòu)成此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總得分，學(xué)生通過分工協(xié)作共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

本實(shí)驗(yàn)操作平臺采用“求是”的電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺，分為變壓器的參數(shù)測定及運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)、直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)、三相異步交流電動機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)以及三相同步電動機(jī)參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)四個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中包含若干個(gè)實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目，以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和裝置、經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)任務(wù)為教學(xué)載體，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目化中體會做項(xiàng)目與學(xué)習(xí)關(guān)系和意義.建立以實(shí)驗(yàn)考勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)理論考核、實(shí)驗(yàn)操作考核為一體的多項(xiàng)考核制度，使學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)[6].

3.2 MATLAB/GUI虛擬實(shí)驗(yàn)室

MATLAB，簡稱矩陣實(shí)驗(yàn)室，集成了大量的工具箱，具備很強(qiáng)的分析功能和較高的計(jì)算精度，可以分析幾乎所有的工程問題，是一種高效的科學(xué)計(jì)算軟件[7].它具有較強(qiáng)的矩陣處理能力，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)，將數(shù)值運(yùn)算與可視化相結(jié)合，廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域的分析、設(shè)計(jì)和仿真.Simulink是MATLAB最重要的工具之一，它提供了一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境.在Simulink環(huán)境下，我們不需要編寫大量的程序，可以直接從模塊庫中調(diào)用所需的標(biāo)準(zhǔn)模塊，搭建自己需要的模型，它具有簡單、直觀、易操作的優(yōu)點(diǎn).SimPowerSysterms（電力系統(tǒng)仿真工具箱）已成為研究和分析電機(jī)與拖動以及電機(jī)學(xué)的重要工具.MATLAB GUI是基于MATLAB仿真軟件的圖形用戶界面，通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)室GUI主界面和子界面，編輯按鈕回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)主界面按鈕調(diào)用仿真模型和顯示仿真結(jié)果.

首先在MATLAB/GUI環(huán)境下建立一個(gè)電機(jī)學(xué)（電機(jī)與拖動）虛擬實(shí)驗(yàn)室GUI主界面，如圖3.1所示.以三相異步交流電動機(jī)直接起動實(shí)驗(yàn)為例[8-10]，通過建立三相異步交流電動機(jī)直接起動子界面和仿真模型，編寫對應(yīng)回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室主界面“三相異步交流電動機(jī)直接起動”按鈕調(diào)用對應(yīng)子界面仿真模型和仿真結(jié)果[11-13]，對三相異步交流電動機(jī)進(jìn)行直接起動仿真演示.

通過實(shí)驗(yàn)仿真，我們可以直觀地看出三相異步交流電動機(jī)直接起動時(shí)轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化規(guī)律.采用虛擬仿真平臺和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺及理論教學(xué)相融合，運(yùn)用MATLAB/Simulink強(qiáng)大的仿真與數(shù)值處理功能創(chuàng)造虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過MATLAB/GUI建立友好圖形用戶界面實(shí)現(xiàn)一鍵操作，實(shí)現(xiàn)理論課堂和實(shí)驗(yàn)仿真相結(jié)合，既讓學(xué)生掌握一門仿真軟件，又給學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)空間，更是對目前理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓展和補(bǔ)充.

4 結(jié)語

電機(jī)學(xué)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有時(shí)存在脫節(jié)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)課程一般都會滯后理論課程，實(shí)驗(yàn)課程是按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的順序進(jìn)行教學(xué)，理論課程一旦落后實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)還未學(xué)到相關(guān)理論知識，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程效率較低，達(dá)不到理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論的目的.在電機(jī)學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于電機(jī)學(xué)原理、概念和公式抽象難懂，電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目復(fù)雜難做，引入電機(jī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，教師可以在課堂對抽象難懂的理論知識進(jìn)行仿真演示，學(xué)生能夠在課后對所學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，既提高了課堂學(xué)習(xí)的積極性和效率以及實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣，又能夠讓學(xué)生掌握MATLAB/Simulink仿真模型建立和MATLAB/GUI圖形用戶界面的創(chuàng)建和回調(diào)函數(shù)的編寫.

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