虛擬仿真技術在“電機與拖動”課程教學中的應用與實踐

彭磊 蔡斌軍

摘 要 結合"電機與拖動"課程的特點，闡述了虛擬仿真技術在“電機與拖動”課程教學中的可行性和重要性。同時，探索出一套行之有效的實施方案， 并對其特色與創新之處和方案實施的保障條件進行了分析。

關鍵詞 虛擬仿真技術 電機與拖動 實施方案

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.01.041

Abstract With a consideration of the characteristics of the course Motor and Drive， this paper discusses the feasibility and significance of virtual simulation technology in the teaching of this course. At the same time， the paper explores a set of effective detail design， the features and innovation and the guarantee conditions for the implementation of the scheme are analyzed.

Keywords virtual simulation technology； motor and drive course； detail design

“電機與拖動”是一門主要闡述電機與電力拖動的基本理論的課程，該課程具有電機學和電力拖動的基本內容。在自動化專業的課程體系中，它是自動化專業的一門學科基礎必修課，需要把科學實驗與生產實際緊密地聯系起來。該課程的主要內容是運用“電路”、“大學物理”、“高等數學”等基礎課程的基本理論來分析電機和變壓器的工作原理和運行特性以及與之相關的工程實踐問題。由于“電機與拖動”課程涉及到較多的基礎課程內容，所以學生普遍反映該門課程學習起來比較枯燥和抽象。抽象的電磁理論和概念、大量的公式推導和計算過程，使學生在學習期間難以形成一個比較全面系統的認識，從而對其學習積極性有很大的影響。

虛擬仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一類試驗研究的新技術。它具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性?；谔摂M仿真技術的所具有的四個基本特性，可以讓學生在接近現實工作場景下進行探究和學習，從而能大幅度提升學生的學習興趣，這種生動形象的教學方法，可以使學生很快的融入相應的學習情境，有助于學生更容易理解抽象的理論和概念。因此，如何將虛擬仿真技術運用到教學改革的過程中是一個重要的研究課題。[1]

1 總體思路

本次教學改革是以教育部下發的《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》以及《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設》等文件精神為指導，基于翻轉課堂式教學模式，按照教育部自動化教指委在全國范圍內開展的“自動化專業課程體系改革與建設試點”工作的基本要求，以培養學生能力為導向，根據“電機與拖動”課程的特點，運用ANSYS Maxwell軟件選取相關的課程內容，進行課程開發。按照工程專業認證對學生的要求，遵循學生學習能力培養的基本規律，對相關教學內容進行整合、優化，依照循序漸進的原則，將其內容從簡到繁、從易到難，設計出適合的設計項目和學習任務，利用虛擬仿真技術教學的優勢，制定出更高水平的“教、學、做”一體化的教學方案。[2]

2 實施方案

本研究所面對的學習主體是自動化專業二年級的學生，通過在深度分析學生學習特點的基礎上，基于虛擬仿真技術的沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性，借鑒項目式教學法和信息化教學的優點，建立起將虛擬仿真技術融入到典型任務和相關研究設計項目的教學模式當中，實現了基于虛擬仿真技術的“教、學、做”三位一體的教學設計方案。教學設計方案由“項目設定”、“計劃制定”、“計劃實施”和“項目評價”四個環節組成，其中基于虛擬仿真技術的教學設計方案貫穿了所有的環節。具體實施方案如下：

（1）在“項目設定”環節中，指導老師應該從以下三個方面展開教學活動：

一是通過搭建好的虛擬仿真實驗平臺，將所需要設定的研究設計項目的內容和目標傳遞給學生，并告知學生最終必須完成的項目成果，隨后指導老師再根據學生的學習情況布置具體的學習任務。

二是利用虛擬仿真實驗平臺，讓學生通過具體的學習任務內容明確自己在完成任務后可以獲取哪些知識以及達到一個什么樣的學習水平，從而讓學生對完成項目的達成度有一個清晰的認識。

三是按照自主學習與協作學習的策略，依據學生的現有知識和能力水平對學生進行分組，安排具體的完成時間和成果的評價方式等。

（2）在“計劃制定”環節中，可以通過分布式學習環境下的協作學習，引導學生對研究設計項目的任務內容進行分解，讓學生明確任務所涉及的每一個知識點，充分運用所學的前期知識在虛擬仿真實驗平臺上進行決策，由每一組的小組長為各自小組的組員確定研究設計項目的實施步驟，為各自小組需完成的設計項目的實施做好充分的準備。

（3）在“計劃實施”環節中，學生主要學會運用ANSYS Maxwell軟件，通過虛擬仿真實驗平臺，按照之前由每一組的小組長為各自小組的組員所確定的研究設計項目的實施步驟逐步的完成任務內容。指導老師則可以很好地借助虛擬仿真實驗平臺的實時性，對學生進行及時的相應指導，實現師生之間以及學生之間的學習交流。學生通過完成項目設計中所指定的任務，對所學到的知識重新進行建構，進一步完善自身的知識體系，從而鞏固學習的效果。

（4）在“項目評價”環節中，則需要學生將自己最終完成的項目成果在虛擬仿真實驗平臺上逐一進行展示，在展示過程中將接受指導老師和其他同學對于該項目成果的反饋意見。同時，在項目成果展示的過程中，學生可以在通過與其他同學的項目成果的對比中，查找出自己項目設計中的不足之處，并可與指導老師和其他同學一起討論其改進方法。之后，指導老師則可以依據每位學生完成該項目的達成度，進行公正的打分，并將此作為學生在教學過程中的考核成績。

3 特色與創新之處

3.1 引入翻轉課堂式的教學模式，重建學習流程

在大多數情況下，學生的學習過程通常是由“信息傳遞”和“吸收內化”兩個階段所組成的。在“信息傳遞”階段中，主要是通過教師和學生、學生和學生之間的相互交流和溝通得以實現的；在“吸收內化”階段中，則主要依靠學生在課后自行完成的。而在“吸收內化”這個階段中，由于缺少指導老師的引導和其他學生的交流，因此常常會使學生在學習過程中遇到難題時一籌莫展，由此產生挫敗感，從而逐漸喪失了學習的興趣，同時成就感也隨之逐步消退。引入翻轉課堂式的教學模式，則可以將學生之前傳統的學習過程進行重構。在這種教學模式下，則是將“信息傳遞”階段安排在課前進行。因此老師不僅可以在線提供視頻，還可以在線進行及時的輔導，同時學生之間也可以在線上進行溝通和交流；另一方面則將“吸收內化”安排在是在課堂上通過互動來完成的。在這樣的安排下，指導老師不僅能夠提前了解學生的學習困難，而且還能在課堂上給予有效的輔導，再加上同學之間的相互交流，則可以起到促進學生對知識的吸收內化的效果。[3]

3.2 引入ANSYS Maxwell 軟件，實現電機實驗“內與外”的結合

通過引導學生應用ANSYS Maxwell軟件制作電機模型，加載相關運行參數，能直接觀察到電機仿真的電磁場的分布狀況和分布特點。同時通過立體建模方式，加深學生對電機結構知識的學習，提高學生的空間思維和電機設計的綜合能力。[4]從電機實驗所需完成的內容以及實驗目的出發，設計不同的運行條件，通過改變電機的運行狀況，從而達到仿真電機實際的運行環境。學生通過利用 ANSYS Maxwell 軟件可以快速而有效地搭建起虛擬仿真實驗平臺，從而打破了傳統電機實驗的局限性，由此既可以完成以驗證性為目標的常規實驗，同時還可以對電機內部磁場的運行情況進行仿真展示，從而完美地實現電機了實驗“內與外”的結合——既可以通過常規實驗數據了解電機的運行規律，也可以通過虛擬仿真實驗數據直觀地了解電機的磁場分布規律。[5]

4 方案實施的保障條件

在高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的發展過程中，虛擬仿真技術教學是其重要內容，因為它將學科專業與信息技術進行了深度的融合。在教高司函[2013]94號文件中已明確指出：決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作?？梢?，虛擬仿真教學得到了國家政策的大力支持。[6]

目前有很多與電機設計的相關軟件，比如ANSYS Maxwell， Motor-CAD， Flux等都為電機類專業課的虛擬仿真設計教學提供了實現的必要條件，也為虛擬仿真設計教學的實施提供了基礎。而且，大學生思維活躍，樂于接受新事物，經過系統的基礎教育，掌握了較為完整的基礎知識機構體系，因此他們具備開展研究性學習的條件。

我校始終堅持“應用型本科”的辦學定位，定位于培養應用型的高級人才，一直致力于應用型本科院校辦學思路和課程體系改革的研究，現正積極組織開展工程教育專業認證及相關課程的配套改革工作，這些成果為本方案的實施提供了豐富的素材。

此外，學校經常開展各種高水平的講座和學術交流活動，也為本方案的實施搭建了廣闊的平臺。通過這些學術交流活動，不僅可以使學生的視野變得更加開闊，而且使學生的思維也變得更加活躍。老師輔以指導，因此學生會更加積極地投身到研究性學習中來。

5 結束語

近年來，學校和相關職能部門大力推進信息化教學改革，出臺了一系列的教育信息化發展規劃，不斷加強虛擬仿真實驗教學中心的建設，以此來促進學校課程教學改革和應用型人才培養模式改革。同時，學校對于教師積極開展教學改革的應用與實踐活動，在研究經費的配套與管理方面均提供了有力的保障。

參考文獻

[1] 陳世軍，李彥梅，吳文進，徐文權.ANSYS Maxwell在“電機及拖動基礎”課程教學中的應用[J].安慶師范學院學報（自然科學版），2016（9）.

[2] 安毅，宋天寧，王孝良，周訂訂.面向工程師素質培養的《電機與拖動》課程教學探索[J].中國電子教育，2017（7）.

[3] 梁芬，郭亞男，張新英.構建基于翻轉課堂的微課教學新模式——以電機與拖動基礎課程為例[J].中國教育技術裝備，2017（12）.

[4] 林若波，彭燕標，陳炳文，方春城.虛擬仿真技術在“電力電子技術”課程教學中的應用[J].云南民族大學學報（自然科學版），2013（9）.

[5] 崔貫勛，熊建萍.基于虛擬仿真技術的MOOE實踐教學平臺開發[J].實驗技術與管理，2016（4）.

[6] 張澤中，劉尚蔚，徐紅松，齊青青.基于虛擬仿真技術的水利水電工程概論課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2018（3）.