基于課堂—實驗—仿真混合式教學在電力拖動課程中的應用

羅成名 黃國銘 戴衛力

摘 要 針對電力拖動課程的學習要求，分析電力拖動課程知識抽象、理論推導多、學習難度大的特點，利用課堂—實驗—仿真多種教學深入融合手段增強教學效果。在第一課堂理論教學環節構建教學講授、板書推導以及動畫視頻的教學內容，通過實驗教學儀器上的實驗設計、系統搭建以及結果分析來加深課堂理論知識，采用虛擬軟件仿真技術進行虛擬實驗、模型構建、參數辨識的學習，在控制器中改變仿真參數來模擬不同的實驗，將抽象復雜的電機理論通過實驗和仿真學習變得易于理解。

關鍵詞 電力拖動；物理實驗；虛擬仿真；混合式教學；MATLAB

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）06-0042-03

Application of Electric Traction using Mixed Teaching of Class-room， Experiment and Simulation Methods//LUO Chengming， HUANG Guoming， DAI Weili

Abstract Aiming at the knowledge abstraction， theoretical deduc-tion， learning difficult characteristics of electric traction， this paper

makes full use of classroom experiment simulation teaching methods.

Based on the teaching lectures， theory deduction and animation video，

the experimental teaching is carried out through program identifica-tion， system construction and result analysis. Meanwhile， the soft-ware simulation teaching is used to make virtual experiments， model

construction， and parameter identification via changing the simula-tion parameters. The experiment and simulation teachings can fur-ther deepen the understanding of the electric traction contents in the classroom.

Key words electric traction； physical experiment； virtual simulation；

mixed teaching methods； MATLAB

1 前言

電力拖動與控制類課程是本科院校自動化專業的必修課程，目的是培養學生通過電機的具體結構和電機基本理論分析電機及拖動的實際問題[1]。該課程在人才培養方案中起著承上啟下的作用，可以為后續專業課程的學習打下良好的理論基礎。課程內容包含大量的理論推導公式，具有一定理論性和實踐性，知識抽象，學習難度大。該課程內容的特點導致學生對課程學習不僅沒有興趣，而且有反感傾向[2]。課堂上教師一味灌輸的教學方法滿足不了學生的學習要求，學生學習沒有動力[3]。因此，運用課堂—實驗—仿真混合式教學，在電力拖動課程中是必要的（如圖1所示）。

2 課堂理論教學

鑒于電氣拖動課程知識點繁雜、公式推導多、理論性強的特點，創建網絡平臺課程資源。教師通過網絡平臺發布預習任務，學生可以借助網絡平臺對所學內容進行預習，并通過觀看視頻對所學內容進行初步了解，同時可以與其他學生和教師在網絡平臺上進行互動交流。學生通過網絡平臺課程資源的預習，可以把在預習過程中遇到的難點在課堂上和教師、同學進行交流，調動學習積極性，同時為在課堂上掌握教師所講授的內容奠定基礎。

基于網絡平臺的課程資源，多媒體課件是本科教學手段的主要載體，其精心制作顯得至關重要。教師在制作多媒體課件過程中，可以充分發揮動畫、微課、視頻等多媒體效果，將每個知識點都用最直觀的方式表現出來，以此來激發學生的學習興趣，化解教學重難點，有效達到電力拖動課程的教學目標。

電力拖動負責將電能轉化為機械能帶動負載運動，理解直流電機的工作原理和建立電機結構是學好電力拖動課程的基礎。因此，為了充分發揮課堂教學效果，利用多媒體課件圖文并茂的優勢，結合動畫、微課及視頻資料，直觀展示電動機電磁轉換原理、電動機定轉子三維剖視圖、電機運轉3D動畫以及電機繞組展開圖等教學內容，將枯燥的理論知識轉換成學生易于接受并感興趣的教學形式。同時，對于電力拖動中關于主磁通、電磁轉矩以及電動勢平衡方程構建，需要通過板書詳略得當地進行推導，在推導演繹過程中讓學生逐步理解，加深他們對重點知識點的理解。

3 物理實驗教學

為了使得學生能夠對課堂所學理論知識有更加深入的理解，在運用網絡平臺課程資源、板書結合多媒體課件開展課堂教學的基礎上，進行富有創新意識和探索精神的實驗教學設計，對于提高學生理論—實踐—動手三位一體能力具有重要意義。采用浙江天煌教學儀器的DDSZ-1型電機及電氣技術實驗裝置進行實驗，基于模塊化和掛件式結構，根據不同課程的不同實驗教學要求組合搭配，采用強弱分開手槍式插頭，連接電源、控制電路、電動機、電阻器、以及測量表等實驗器件，在隔離電路保護安全的前提下配合課堂教學內容，可以完成包括直流電機實驗、變壓器實驗、異步電機實驗以及同步電機實驗在內的豐富的實驗教學設計。

以直流并勵電動機為例，深入理解直流電動機調速的原理。圖2所示為直流電動機調壓調速實驗結果輸出，在保持負載轉矩0.83 Nm和保持勵磁電流100 mA恒定時，電樞電流基本維持在570 mA；當增大電阻阻值，使得電樞電壓從220 V降低到150 V時，電機轉速從1575 r/min降低到990 r/min，進一步驗證了直流電動機增大電壓則轉速增加的現象。圖3所示為直流電動機弱磁調速實驗結果輸出，在保持電壓為額定值220 V和轉矩0.83 Nm恒定時，隨著勵磁電流從100 mA減小到65 mA，電機轉速從1520 r/min升高到1760 r/min，而電樞電流也從0.59 A升高到0.70 A，進一步驗證了直流電動機減弱磁通則轉速增加的現象。

4 虛擬仿真教學

在教學實驗裝置上進行功能性實驗驗證基礎上，借助于MATLAB軟件Simulink模塊進行電力拖動運動控制系統的建模和仿真，深入認識電力拖動運動控制原理[4]。以轉速電流雙閉環直流調速控制系統為例，系統分為給定電壓模塊、轉速PI調節器模塊以及電流PI調節器模塊，在對比例積分系數、反饋系數等參數進行計算分析后，搭建仿真模型圖，如圖4所示。

采用圖4搭建的雙閉環直流調速控制系統，學生可以通過改變仿真模塊參數來模擬不同實驗：1）觀察將PI調節器改為P調節器或者I調節器時的調速系統性能指標；2）觀察改變電流調節器開環增益K和轉速調節器中頻寬h分別對典型I型和II型系統的性能；3）觀察不添加飽和非線性模塊對雙閉環系統的性能影響；4）觀察添加電流調節器和轉速調節器濾波環節對調速性能的影響；5）觀察將三相橋式整流電路改為全控型PWM整流電路對調速性能的影響；6）觀察系統突加負載時的調速性能指標，如圖5所示。

虛擬仿真軟件的仿真實驗進一步鞏固了學生所學知識點，學生通過改變仿真模擬的參數可以模擬不同的實驗，并且可以依據仿真結果得出相應的結論，鍛煉學習和實踐能力。抽象復雜的公式推導和意義通過虛擬仿真軟件變得更加直觀，更易于理解，學生的學習變得更加輕松，達到很好的教學效果。

5 結語

電力拖動課程知識抽象、理論公示推導多、學習難度大，有很強的理論性。理論課堂上，做到網絡化課程資源的初步預習、多媒體課件的直觀展示及復雜公式的板書推導相結合。實踐教學環節，以天煌教學儀器的DDSZ-1型電機及電氣技術實驗裝置為載體，采用任務驅動、小組討論、自主探究等教學手段，完成方案確定、系統搭建、結果分析，加深學生對課堂講授內容的理解。在此基礎上，利用虛擬軟件仿真技術進行虛擬實驗、模型構建、參數辨識，進一步鞏固所學知識點，使抽象復雜的公式推導和意義變得更加直觀。融合理論課堂、實驗教學和虛擬軟件仿真，激發學生學習興趣的同時活躍課堂氣氛，鍛煉和提高學生的學習能力和解決問題的思維能力，在化解重難點的基礎上有效達到教學效果，提高電力拖動教學質量。

參考文獻

[1]張殷.在電力拖動課程中構建破冰式教學法[J].中國教育技術裝備，2017（1）：102-103.

[2]張今朝，朱海燕，潘安遠.實現專業知識典型環節“課堂進基地”的改革與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（4）：

171-174.

[3]殷士勇，鮑勁松，等.基于資源共享平臺的翻轉課堂教學模式研究[J].實驗室研究與探索，2016，35（12）：185-190.

[4]張敬南，張強.電力拖動類課程的仿真實驗教學改革[J].電氣電子教學學報，2014，36（2）：88-90.