虛擬仿真技術在電機學實驗教學中的研究

楊蕾

摘? 要：針對傳統電機學實驗教學的局限性，難以開展設計類、綜合類、工程類實驗，已不能滿足電氣專業應用型人才培養的問題，采用虛擬仿真技術，圍繞實驗的設計性、綜合性、工程性，對電機學虛擬仿真實驗平臺進行了設計，實驗內容貼近工程實際問題。通過虛擬仿真實驗，有助于培養適應電氣技術和行業發展趨勢、具有創新精神和實踐能力的高素質專業人才。

關鍵詞：虛擬仿真 電機 實驗教學 實踐能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0135-04

Research on Virtual Simulation Technology in Electrical Engineering Experiment Teaching

YANG Lei

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， Shaanxi Province， 710055 China）

Abstract： In view of the limitations of traditional electrical experiment teaching， it is difficult to carry out design， comprehensive and engineering experiments， which can not meet the training of applied talents in electrical specialty. The virtual simulation experiment platform is designed by using virtual simulation technology. Focusing on the design， comprehensiveness and engineering of the experiment， the experimental content is close to the actual engineering problems. Through the virtual simulation experiment， it is helpful to cultivate high-quality professionals with innovative spirit and practical ability to adapt to the development trend of electrical technology and industry.

Key Words： Virtual simulation; Electrical engineering; Experiment teaching; Practical ability

目前的高等教育中，越來越強調對學生實踐能力的培養，實驗教育成為理工科教育的一個至關重要的環節。然而，隨著各學科實驗項目和學生人數的增多，傳統的電氣實驗室和實驗儀器功能很難滿足學生的需求，由于實驗內容長期不變，不僅束縛了學生的創新思維，更無法適應電氣行業的快速發展，因此能夠與實物相配合的仿真實驗教學的概念開始成為學校關注的重點。

虛擬仿真教學實驗是一種基于軟件技術構建的實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化，具備諸多優點：（1）可以與實物實驗室互補;（2）可以輔助高校的科研工作;（3）實驗安全，易于維護;（4）可以重復多次試驗以研究單個變量或參數的變化對實際問題總體系統的影響，而這在實際問題中是不可能做到的;簡單易懂，結果比較直觀。

1? 電機學課程開展虛擬仿真實驗的必要性

“電機學”是電氣工程專業的一門重要的必修核心專業基礎課，其講授的內容對電氣專業后續課程的學習具有重要的作用，課程內容綜合多個學科的相關知識，理論性強、概念抽象與工程實際聯系密切。“電機學”課程的電機結構和原理知識點中，電機內部結構復雜，學生無法直觀地對電機內部結構進行認知，學生普遍反映理解困難;當設備發生故障時，由于電力設備具有高電壓、大電流的特點，實驗過程具有一定的危險性;在電機的設計、加工制造、測試等方面存在設計制造周期長、工藝要求高、操作復雜、專業性要求苛刻、實驗配套成本高、傳統實驗室實現困難等問題。因此，利用虛擬仿真技術可以有效彌補傳統實驗教學儀器在拓展性弱，難以開展設計類、綜合類、工程類實驗等方面的不足。

2? 電機學虛擬仿真實驗教學平臺建設方案設計

針對“電機學”實驗教學中存在的問題與不足，利用虛擬仿真技術，圍繞實驗的工程性、設計性、綜合性，建立了分層次、模塊化、重基礎、強能力的實驗教學體系（見圖1）。

認知類實驗圍繞基礎理論知識，利用虛擬仿真技術，通過三維動畫、視頻、聲音等多媒體技術，展示一些不易直觀認知的電機內部結構及抽象的概念原理。通過動畫演示使學生掌握電機的工作原理，借助虛擬仿真實驗教學平臺實現自主選擇拆裝工具、設計拆裝順序進行電機典型結構拆裝，了解典型部件的基本結構及電機的重要組成。工程實踐類實驗是通過構建高仿真度的工程實踐場景，模擬設備發生故障，運用交互式實驗方法，安全地操作實驗設備，處理短路、起火等典型故障，讓學生熟悉故障處理的流程。綜合設計類實驗是以解決實際工程問題為目標，借助虛擬仿真技術，融入項目需求分析、電機設計、虛擬制造、模擬測試等多個環節，形成一套完整的工程綜合訓練，將相關專業知識交叉綜合應用，引導學生運用專業知識分析問題、培養工程設計思維、提升解決復雜工程問題的能力。各類實驗后期都將會持續完善虛擬仿真實驗項目，不斷融入新的科研成果，促進教學深入改革。虛擬仿真實驗可為學生提供一個資源豐富、功能強大的學習平臺，提高教學質量。

3? 虛擬仿真實驗實例

3.1 電機拆裝虛擬仿真實驗

電機拆裝虛擬仿真實驗由實驗預習、虛擬拆卸、虛擬裝配和實驗測試4個模塊組成。實驗預習模塊主要是了解電機類型、原理及內部結構組成部件，如直流電機、交流電機、同步電機，電機的定、轉子、軸承、端蓋等，如圖2所示。

虛擬拆卸模塊和虛擬裝配模塊是在了解各個部件在電機結構中位置的基礎上，根據拆裝說明進行電機及其典型部件的拆裝操作，設定拆裝順序和拆裝工具，拆卸及裝配以3D動畫的形式顯示了電機的拆卸和裝配過程，如圖3所示。學生操作正確給予分值，如果操作錯誤給予提示則無分值。實驗測試模塊是學生實驗完成后隨機抽取定量試題進行測試，用以鞏固知識。在學生對電機進行拆解、重組的過程中不僅能夠直觀地認識電機內部結構，還可以激發學生對電機的結構進行創新，比如改變定轉子的位置、改變電機的勵磁方式等。通過虛擬仿真實驗，學生對電機內部結構及電機拆裝步驟有了更深刻的認識，對課本里的抽象概念有了更加直觀的理解，增強了學習興趣。

3.2 變壓器故障處理虛擬仿真實驗

隨著電力工業的規模不斷擴大，變電站運行維護復雜化，在校大學生僅僅局限于課程學習的理論知識是遠遠不足的，必須結合實際電力網絡運行，學習相關電力設備原理及操作過程。由于電力資源涉及高危高壓環境，不能人為設置故障來訓練學生的技術水平，因此利用虛擬仿真技術，建立三維立體環境使學生切身融入到虛擬環境中，模擬變壓器正常或故障狀態，使學生安全地、身臨其境地完成各項認知和操作任務。

變壓器故障處理虛擬仿真實驗由變電站巡檢漫游、變壓器認知、變壓器起火故障處理3個模塊組成。變電站巡檢漫游模塊主要是了解變電站工作區域以及一次主設備布局。在變壓器認知模塊，學生可通過鍵盤鼠標前后移動并360°旋轉設備，便于近距離觀察變壓器內部結構，了解各組成部件及作用。通過動畫演示其工作原理，并可進行繞組聯結方式及排列順序的學習。在變壓器起火故障處理模塊中，通過在虛擬場景中模擬變壓器起火，使學生學習故障處理流程及安全操作規范，使學生在校內獲得與真實現場類似的工作經驗，提高專業技術素養。

3.3 電機設計與測試綜合實驗

本實驗是以某電動汽車驅動電機設計與驗證為主線，將電機設計、虛擬裝配、系統測試等多個實驗環節整合與貫穿，將復雜的電機設計計算以模塊化互交式的設計流程呈現，形成一套符合工程實際的滿足電動汽車實際運行需求的虛擬仿真實驗。

整個實驗由知識認知、電機設計與裝配、電動汽車測試模擬3個模塊組成。知識認知模塊的學習內容包括電動汽車的動力系統結構部件、永磁電機結構部件、永磁電機運行原理等。在電機設計環節，擬定的工程需求下，學生自主擬定電機額定值，綜合考慮各種工程約束因素，開展電機的設計，包括交流繞組結構參數設計、定子鐵芯尺寸設計、轉子結構參數設計。在虛擬環境中模擬組裝電動汽車的動力總成，加深對測試系統結構的認知。在系統測試模塊，對整車進行加速、最高車速、爬坡能力、續駛里程4個方面的測試。通過虛擬裝配和整車測試結果，不斷改進優化設計，最終達成性能目標。

實驗項目中設計參數是開放的，實驗結果與結論不唯一，因此提供了豐富的電機與整車匹配探索研究內容。學生在試圖達成目標的過程中，不斷嘗試、調試、優化設計方案，探究電機與系統的內在匹配規律，將理論與實踐緊密結合，從電機設計、電機制造、一直到系統測試全流程貫通，實現傳統電機實驗無法提供的訓練效果，極大提升了學生的工程綜合能力。

通過虛擬仿真技術的應用，實驗場景可以更加貼近工程實際，有效解決以往受實驗設備或場地限制，用抽象的示意模型代替復雜受控對象的問題。

4? 結語

通過虛擬仿真實驗的開展，可以使學生對真實實驗難以開展的實驗項目的實驗機理、實驗現象進行更深入的了解，有助于其對相關知識更加全面的理解和掌握，為學生由被動學習轉變為主動學習提供了一條可行的途徑。虛擬實驗教學順應了以教育信息化工作為主線的高等教育改革發展趨勢，也滿足了實驗室建設和實驗教學改革與創新的需要。

參考文獻

[1] 王永友，王琨，郭昭學，等.石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗室技術與管理，2019，36（12）：23-27.

[2] 鄭莆燕，任建興，潘衛國，等.火電廠典型故障虛擬仿真實驗架構設計[J].高等工程教育研究，2019年增刊I：221-224.

[3] 王志瓊，劉津彤，苗淼，等.發動機拆裝實驗教學綜合平臺的研制[J].實驗室研究與探索，2019，38（11）：70-72，82.

[4] 郭婷，楊樹國，江永亨，等.虛擬仿真實驗教學項目建設與應用研究[J].實驗技術與管理，2019， 36（10）： 215-217，220.

[5] 吳霞.實驗課程線上線下相結合的教學模式設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2019，38（5）： 173-176， 199.

[6] 王成，楊波，劉海.齒輪機構認知虛擬仿真實驗的設計與實現[J].實驗室研究與探索，2018，37（8）：102-105.

[7] 王寶華，程璐.沉浸式硬件在環的微電網虛擬現實仿真實驗平臺[J].實驗室技術與管理，2019，36（3）：31-35，39.

[8] 張良力，代林剛，柴琳.電力變壓器高壓試驗虛擬仿真實驗教學系統設計[J].實驗技術與管理，2020，34（7）：125-135.

[9] 徐磊，蔡曉磊，傅海軍，等.基于虛擬仿真平臺的“電機學”教學實踐[J].電氣電子教學學報，2020，42（6）：30-32，37.

[10] 房俊龍，周躍佳，倪晶，等.電氣工程專業虛實互補的實踐教學新模式探索[J].中國現代教育裝備，2021，357（3）：35-36，48.

[11] 王進仕，趙媛媛，種道彤，等.火電機組虛擬仿真實驗教學的建設與實踐[J].高等工程教育研究，2019年增刊I：201-210.