電工自主實驗平臺的實驗指導體系

陳棣湘,潘孟春,孟祥貴

(國防科技大學 機電工程與自動化學院,湖南長沙 410073)

0 引言

我校電工自主實驗平臺包括全開放的自主實驗環境、實驗設備體系和實驗指導體系三個層面,其中全開放的自主實驗環境由網上注冊/預約系統、門禁系統和無線電源管理系統、遠程視頻監控系統、演示實驗室和各功能實驗室(電工實驗室、電力電子實驗室和綜合創新實驗室等)構成。

實驗設備體系由兩大類實驗設備構成:第一類是以我們參與設計、浙江天煌科技公司生產的電工綜合實驗平臺為代表的面向基礎性實驗教學的設備,具有功能全面、模塊化強、可靠性高等優點;第二類是支持創新的設備,包括專用DSP系統、嵌入式系統和單片機等開發系統,加上頻譜分析儀和寬帶示波器等測試儀器,還有制版機和貼片機等制作工具,各種功率組件等。這樣一種實驗設備體系有效支撐了學生的基礎訓練和創新。

1 實驗指導體系

1)實驗教材

我們除提供基礎實驗內容外,還引入了類似放大電路和數模轉換電路等一些實用模型、常用電工儀表的設計、電流表和電壓表的量程擴展,以及用多種方法測量電路元件的參數等實驗內容。

2)實驗視頻課件

實驗室為每一個必做的實驗錄制了視頻課件,實驗員的演示和講解,便于學生進行預習。視頻課件包含了實驗目的、實驗原理、實驗內容和實驗步驟、實驗設備與器材和實驗注意事項等內容。

3)網上交流平臺

該平臺采用電子郵件、BBS討論和即時通訊等多種方式為師生提供交流機會。

4)虛擬實驗體系

該體系包括三個方面,即電路理論虛擬實驗、電子技術虛擬實驗和電工技術虛擬實驗。電路理論和電子技術虛擬實驗主要基于成熟的電子設計自動化軟件Multisim完成,而電工虛擬實驗教學軟件則是基于Flash軟件自主開發的,它覆蓋了日常用電和電力拖動領域25個典型的實驗。例如日光燈控制電路、異步電動機聯鎖正反轉控制電路等試驗,是電工實習的重要輔助手段。

該軟件的操作界面分為原理圖區、連線仿真區、操作選擇區和操作提示區四塊,其中原理圖區顯示本次實習項目的原理圖和運行狀態及參數調整等;連線仿真區顯示與原理圖相對應的元器件和布線狀態;在操作選擇區可了解與本次訓練項目相關的元器件的功能、特性、使用方法及布線原則;操作提示區顯示當前狀態和下一步操作等內容。功能操作包括手動布線、自動布線、運行演示等操作模式,連線完成后可進行運行實驗,還可模擬電機過載等典型工況,非常生動。

2 指導體系創新點

1)理念創新

電工技術實驗室提出了“以人為本、興趣牽引實驗和實驗推動創新”的理念,通過網絡、計算機、無線電源控制、門禁和網絡攝像,具有動靜結合和可視性強的演示實驗模型、作品展示和虛擬實驗等眾多環節來提高學生的實驗潛能。在此基礎之上所建立的電工自主實驗平臺提供了一個嚴密、系統的開放式實驗模式解決方案。它以電力電子系統的設計與應用作為切入點解決了電工實驗的創新落著點問題,可克服傳統電工實驗驗證的不足,使電工實驗的水平進入了國內一流水平。

2)設備創新

電工綜合實驗平臺將各種實驗元件、電源和信號源、實驗儀表、示波器和計算機集成于一體。實驗區采用透明的面板結構,學生在實驗過程中可以直觀地了解所使用的實驗元器件,其元素不再是單元實驗模塊而是單個的分立元件,可為設計性和綜合性實驗的開展奠定了硬件基礎。

3)實驗環境創新

自主實驗平臺綜合運用了計算機、網絡、射頻、無線通信、圖像采集和虛擬現實等多種先進的技術手段,實現了平臺的網絡化、自動化、智能化和可視化即四化設計,為學生開展自主實驗或開放提供了一個良好的支撐,自主實驗環境建設方案可借校內外同行借鑒。

4)實驗模式創新

實驗方法虛實結合。實驗平臺配備了計算機和相關的仿真軟件,學生可以先進行虛擬仿真實驗,然后再進行實際操作。兩種方法的結合使用豐富了實驗內容,可以提高學生實際操作效率,保證強電實驗的安全性[1,2]。

5)實驗內容創新

我們對實驗內容進行了改革,首先在設備的設計上豐富元件的選擇范圍,其次在內容上引入常用電工儀表的設計、電工元件參數的測量、模數轉換器的設計、放大電路的設計等綜合實驗。其效果是學生更加明確了課程的實用性和重要性[3]。

3 應用情況和實踐效果

本電工技術實驗室目前承擔了全校共40個本科專業電工技術系列課程的教學和實驗任務,同時為各種學科競賽提供場地、設備和指導。經過多年建設,電工自主實驗平臺內涵更加豐富,條件更加完備,在培養學生的基本技能和創新能力方面發揮了重要作用。

學生還可以進入實驗室參加課外實踐活動。實驗室為機械設計大賽、電子設計大賽和機器人大賽等學科競賽提供電源和驅動方面的實驗環境和指導。學生在多種競賽取得了較好的成績,例如“足底直線發電機”榮獲全國發明博覽會金獎,“行星輪式登月車”和“神舟航天員多姿態訓練模擬器”獲全國機械設計大賽一等獎,“太空垃圾清除器”和“綠籬修剪機”等項目分別獲得了湖南省機械設計大賽一等獎和二等獎。

[1] 侯世英,周靜等.“電工學”實驗課程自主實驗模式[J].上海:實驗室研究與探索,2006,25(4):492-494

[2] 邢乃貴.論新課程理念下學生自主實驗模式的構建[J].長沙:大學時代,2006(3):97-98

[3] 毛欣煒,毛根海.實驗教學創新三步曲—開放自助自主[J].上海:實驗室研究與探索,2006,25(7):829-831