基于MATLAB的電氣工程專業實驗教學改革研究

摘要：針對電氣工程專業特點，將MATLAB仿真技術引入電氣工程專業主干課程的實驗教學。經過教學實踐表明，不僅能加強學生對理論知識的理解，提高理論聯系工程實踐的能力，還能激發學生在專業課程學習中的學習興趣，提升學生學好專業課程的信心，為實驗教學改革增添活力，培養學生創新實踐能力。

關鍵詞：MATLAB；實驗教學改革；創新實踐能力

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0152-02

電氣工程是一個實踐性、工程性很強的專業，沒有足夠的實驗室和良好的教學實踐環境，就無法開辦這一專業。[1]實驗教學主要是指在專業課程中安排的實驗環節，也包括一些獨立開設的實驗課程。本學院電氣工程及自動化專業于1993年開始招收本科生，在專業培養計劃中主干課程的實驗教學環節多是在授課期間穿插完成，內容較多安排成驗證性實驗。盡管學院加大了對專業實驗室建設的力度，近幾年新建了電力電子與電力傳動實驗室、高電壓技術實驗室等，改善了專業課程實驗條件，但大部分實驗都用實驗箱（臺）來完成所做的實驗，幾乎所有的電路都是封閉的。而簡單的接插線很難培養學生的學習興趣和創新能力，專業實驗教學效果有待提高。MATLAB具有可視化的系統建模功能并且能夠進行物理系統的動態仿真，非常適合電氣工程專業實驗教學和研究。其友好的交互界面和編程環境，有利于培養學生在專業課實驗環節的創新實踐能力。在實物實驗條件達不到良好效果的情況下，運用計算機數字仿真技術可彌補其不足，提高實驗教學的效果。在電氣工程專業的主干課程中引入MATLAB可視化仿真實驗教學是非常有意義的。

一、傳統實驗教學模式及發展需要

電氣工程專業教學中專業課時的大量壓縮與實驗設備的不足，嚴重制約著專業實驗教學的開展。以電機學課程實驗教學為例，該課程實驗教學內容是以電路、磁路為主線，分析、測試直流電機、變壓器、異步電機、同步電機等參數、工作特性并經過計算以圖表、曲線的形式反映這些特性，對物理實驗條件要求較高。本學院的電機學實驗采用武漢四來教學儀的SLDJC-1電機與控制實驗臺，主要是保證電機學基本實驗教學任務的完成。開設的是一些傳統驗證性的實驗，并且實驗數據很多都只能是定性分析，綜合設計性實驗項目較少。學生幾乎都是被動的在老師或實驗指導書的指導下機械式連線、讀取實驗數據，學生分析問題、解決問題的能力未能得到較好的鍛煉。其他的專業課程實驗教學也存在類似問題。

為了提高電氣工程專業課程的實驗教學效果，培養學生學習專業知識的興趣，需要積極調動學生學習的積極性。利用MATLAB仿真技術進行課程實驗教學項目的開發，能夠有效地彌補傳統實驗的不足，由于計算機仿真實驗不受場地環境和設備的限制，平時有些不容易實現的綜合性系統實驗或硬件實驗箱不能開設的故障、極限條件實驗都可以利用MATLAB仿真平臺方便地實現，能夠很好提升專業課程的實驗教學效果，并能夠鍛煉學生實踐創新能力。

二、實驗教學改革研究

傳統的實物實驗與工程實際結合緊密，通過接線、儀器測試等環節能切實提高學生的實踐動手能力，增強感官認識。實物實驗存在的問題是實驗精度或準確性不高導致主觀能動性不強，而MATLAB仿真實驗能較好的彌補這一缺陷，通過對電氣系統的動態模擬，能夠很方便的幫助學生理解并掌握對應的理論知識，并且很方便的進行設計性實驗，激發學生學好專業實驗課的興趣和信心。MATLAB仿真軟件在電氣工程專業課程實驗教學中得到廣泛應用，促進了教學內容、教學方法、教學手段的改革。通過幾年的摸索實踐，在電氣專業傳統實驗教學的基礎上合理的引入MATLAB仿真實驗教學能夠明顯的提高實驗效果。本文將從以下三個方面對基于MATLAB的電氣工程專業實驗教學改革展開研究。

1.課程設置和實驗內容改革

為了在專業實驗課程中更好的開展仿真實驗教學，MATLAB課程應該作為基礎平臺課程先行開設，作為工科專業學習的工具，盡量安排在學生學習專業課甚至專業基礎課之前，結合我院情況在大一下學期開設。在開設專業課時，要盡量選用含有仿真實驗內容的教材方便學生實驗，或者通過教研組編寫包含傳統實驗和仿真實驗的實驗講義供學生實驗時學習。并逐步改善專業實驗室環境，在實驗室里，除了傳統的實驗儀器，應該配備學生電腦和多媒體教學設備，方便教師演示仿真程序。

電氣工程專業必修課程主要包括“電路”“電機學”“電力電子學”“電力系統分析”“高電壓技術”等。為了提高專業課程實驗教學的效果，考慮到課程的相互銜接，完善各門課程實驗環節的改革，探討從專業基礎課程到專業課程的基于MATLAB仿真實驗教學環節的設計，通過不同的實驗項目逐步提升學生實踐創新能力。[2，3]

MATLAB圖形化仿真技術的建模過程接近實際電路搭建過程，仿真結果準確。運用基于電氣原理結構圖的MATLAB圖形化仿真技術，我們可以像做實物實驗一樣，進行電路分析。只要根據給定的電路圖，從SIMULINK工具箱中復制電阻、電感、電壓源、電流源等元器件，然后按照電路結構進行連接，設置相關參數，在需要求解輸出量的地方設置示波器等輸出設備，從而就可得到要求的輸出值，既可圖形化輸出，也可數值輸出，為電路計算節省了很多計算時間。而且這種仿真實驗不受時間和空間的限制，在傳統實物實驗環節外學生能夠發揮主觀能動性自己開展數字仿真研究，提高學生學習積極性，并且很容易被學生所接受。

電路原理的很多知識在電氣工程專業的應用很普遍，理解并熟練的電路基本知識非常重要。針對電路原理中的二階電路動態響應過程，很多同學理解的不透徹，在進行實物實驗之前我們進行MATLAB數字化仿真，引導學生如何提高專業課實驗環節的學習。設計用MATLAB圖形化仿真方法來求解直流、交流、諧振電路，以及一階、二階電路的動態過程、耦合電感電路、三相交流電路、非正弦周期電流電路、分布參數電路的小實驗項目，引導學生主動學習，不但能分析電路的穩態情況，還能分析電路的動態過程，為后續電氣工程專業課的學習打下牢固的基礎。

將基于MATLAB仿真實驗應用到電機實驗教學中，可以生動、形象地將電機性能顯示出來，便于學生分析研究，具有較強的實踐指導意義。利用SIMULINK工具箱提供的應用模塊，學生可以自主開展靈活多樣的設計性、綜合性電機實驗項目，不僅加深了對基礎知識的理解掌握，更能夠激發學生的創造力。[4，5]在熟練掌握電機各種工作狀態的仿真實驗后，以此為基礎，我們在后續課程中設計了電力電子變流電路和交直流調速系統的仿真實驗。利用開發的電力電子和電力傳動仿真實驗系統，學生可以把“實驗室帶回宿舍”進行虛擬實驗和理論探索。再通過具體的實物實驗，使學生加深對理論知識理解的同時提高了工程實踐能力，這種“虛實”結合的實驗方法，達到了多方位鍛煉學生實踐能力的目的，更新和豐富了專業實驗教學內容，激發了學生的學習興趣，并能夠培養其創新意識。除了課程安排的實驗教學環節以外，還可以通過MATLAB實驗項目研究相關課題，進行探究性學習。實驗課內容和開設順序一定要緊隨理論課的內容逐步推進，理論課和實驗課穿插進行，這樣理論和實驗才能有機結合，提高學習的效果。

2.專業實驗教學方法改革

傳統的實驗教學模式主要是通過“灌輸”使學生驗證對應的理論知識，缺乏對學生實驗能力的培養。我們根據電氣工程專業課程的特點，將MATLAB仿真研究引入實驗教學環節，加強學生對抽象問題的理解。編排傳統實驗與MATLAB實驗相結合進行。改變單一驗證性實驗的按部就班方式，在實驗內容的安排順序上由簡單到復雜，由驗證性實驗到設計性實驗，由淺入深，循序漸進，加強學生解決實際問題的能力。[6]

專業實驗教學改革的重點引導學生如何解決工程實際問題的能力，一方面是從工程實際抽象出仿真實驗模型，這是實驗教學的基礎；另一方面是根據仿真實驗結果分析工程實際運行效果，這是實驗教學的目的。這樣實際和仿真就聯系起來，學生對理論中的各個參數就有了真實感，再通過仿真變換參數，讓學生一步一步的感覺到性能指標的變化和各種校正方式的優缺點，不僅拓展了學生的思維，還有利于引導學生進入更深層次的系統分析，原來不敢觸及的問題得到擴展和深入，提高了學生實際解決問題的能力。因此，將虛擬實驗與實物實驗相結合進行實驗教學，有利于提高學生理論設計、計算機仿真及相應的實物制作與系統調試的綜合能力。

通過增加MATLAB開放、設計研究性實驗，提高學生的動手實驗能力。指導學生進行探究式學習，增強學生的創新探究能力。探究式學習是指圍繞專業課程中某個主題，依循一定的步驟開展探索研究性學習。其基本流程是提出問題、決定探究方向、組織探究、搜集并整理資料、得出結論，要求學生帶著想法、帶著問題進行課程實驗學習。在有了一定的專業學習基礎后可以自主搜集課題，只要與本課程內容有關、與實際問題相結合即可。通過引導大學生進行探究性學習，極大的豐富了專業課程實驗教學環節。

3.考核方式改革

成績對學生的學習態度有很大的影響，對推動素質教育會產生重要作用。為了科學的評價學生的學習效果，在專業實驗教學成績評定內容上，我們劃分為了三個組成部分，為考察學生的實驗效果及實際編程能力解決問題的能力，我們增加了MATLAB上機考試環節。每次實驗操作占40%的實驗總分，使得學生必須認真對待每次實驗的操作，而實驗報告對于理工科學生也是一個必要的基本技能，有利于學生對理論學習做總結和檢查，占總成績的20%，實驗總分的另外40%就是最后期末的上機操作考核。

三、小結

我們經過幾年的努力，將MATLAB仿真技術引入電氣工程專業課程實驗教學中，使實驗教學更生動，教學內容更充實。不僅調動了學生學習的積極性，而且加深了學生對工程實踐的理解，更為重要的是激發了學生學習的主觀能動性，使電氣工程專業課程的實驗教學煥然一新。將MATLAB引入專業實驗教學中不僅是讓學生掌握一種分析、設計實驗的方法，提高學生的理論和實踐水平，更重要的是讓學生掌握一種現代科研手段，在其它領域和后續學習工作中能夠更好的發揮作用。

參考文獻：

[1]電氣工程及其自動化專業教學指導分委會.電氣工程及其自動化專業發展戰略研究報告（討論稿）[A].第三屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會論文集[C].2005.

[2]李建海，皮之軍，張晨亮，等.MATLAB/SIMULINK仿真技術在電機實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，8（8）：79-82.

[3]許允之，劉昊，馮宇，等.Matlab在電力系統仿真實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2007，（24）：103-105.

[4]汪義旺.Matlab仿真在光伏發電技術實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，（7）：177-179.

[5]杜大剛.“數學實驗”課程的教學改革與實踐[J].蘇州市職業大學學報，2011，（2）：78-80.

[6]劉荊飛，康積濤.基于MATLAB/SI MULINK的電力系統動態仿真分析[J].東北電力技術，2007，（10）：16-19.

（責任編輯：韓曉英）