虛擬仿真技術在電機學課程教學中的應用研究

董淑惠 李建文

摘? 要：隨著信息技術的飛速發展，虛擬仿真技術在電機學課程教學中具有廣泛的應用前景。高校通過虛擬仿真技術來構建電機學虛擬仿真實驗室，使抽象概念具體化，進而幫助學生更好地理解知識。文章重點研究虛擬仿真技術在電機學課程教學中應用的必要性、電機學課程傳統教學存在的問題，并深入探討虛擬仿真技術在電機學課程教學中的應用策略，希望為高校電機學課程教學提供技術支持與理論參考。

關鍵詞：虛擬仿真技術;電機學;存在問題;應用策略

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）14-0058-04

Abstract： With the rapid development of information technology， virtual simulation technology has a wide application prospect in the teaching of electrical engineering courses. Colleges and universities construct virtual simulation laboratories of electrical engineering through virtual simulation technology， which makes abstract concepts concrete and helps students to understand knowledge better. This paper focuses on the necessity of the application of virtual simulation technology in the teaching of electrical engineering， and the existing problems in the traditional teaching of electrical engineering， and probes into the application strategies of virtual simulation technology in the teaching of electrical engineering， hoping to provide technical support and theoretical reference for the teaching of electrical engineering in colleges and universities.

Keywords： virtual simulation technology; Electromechanics; existing problems; the application strategy

電機學是電氣類專業、自動化專業等相關專業的一門具有較強綜合性的基礎課程，該課程的內容主要涉及變壓器、直流電機、電磁場等相關知識，需要學生具備大學物理、高等數學等多學科知識來分析電機的工作原理、運行特性，并具備解決工程實踐問題的能力。由于該課程涉及抽象概念、基本原理、公式推導較多，需要學生具備良好的想象力和思維能力，學生理解起來較為困難，學習效果不佳。鑒于此，本文在電機學課程教學過程中引入虛擬仿真技術，幫助學生直觀認識電機學的內部機理，讓學生在仿真的實訓教學環境中探究和學習，有助于激發學生的學習興趣，提高學生應用電機學知識解決工程實際問題的能力，進而提升電機學課程教學效果。

一、對虛擬仿真技術的理解

（一）概念

虛擬仿真技術是集互聯網共享技術、傳感技術、人工智能等多項技術相結合的產物。在實際應用中，其通過人機交互、傳感器、計算機圖形等來模擬仿真現實儀器設備和實驗環境，創造一個三維立體的虛擬空間。在虛擬空間中，利用虛擬仿真、場景模擬等方式實現場景轉換，讓學生體驗不同場景，同時還可親自操作，與虛擬場景進行動態交互，幫助學生理解抽象知識。

（二）優點

一是資金投入少。購買真實的儀器設備需要大量資金，且設備容易損壞和老化，需要定期維護，增加了教學成本，而運用虛擬仿真技術可減少資金投入，無須購買真實的儀器設備，且能根據教學內容創設出不同的仿真環境。二是靈活性好。虛擬仿真教學不受場地的限制，使教學過程不再抽象化，學生也可借助虛擬仿真平臺靈活地進行實踐操作，反復練習教學難點。三是新穎性高。學生在虛擬仿真環境中能從不同角度觀察電機模型，學習科研前沿和較新的知識，有助于激發學生的創造力。

二、虛擬仿真技術在電機學課程教學中應用的必要性

電機學課程內容抽象難懂，僅依靠教師口頭闡述學生很難理解，學校需要增加工程實踐類的內容，幫助學生在實踐中理解并掌握所學知識。然而，高校的實驗條件有限，不能滿足學生的實踐操作需求。因此，有必要在電機學課程中應用虛擬仿真技術，用仿真手段向學生直觀演示抽象內容，進而改善教學質量。

（一）有助于調動學生學習的積極性，培養學生的創新能力

將虛擬仿真技術應用于電機學課程教學中，改變了傳統“教師講學生聽”的教學模式，有助于教師直觀地講解知識。教師可以利用虛擬仿真平臺當堂進行實驗教學，將抽象難懂的理論知識轉化為實踐操作過程，加深學生對知識的理解。另外，學生在虛擬仿真中可以突破現實中的限制，有效發揮自己的想象力和創造力，在虛擬仿真系統中自己設計電路，對仿真參數進行調試，可通過線上管理系統隨時向教師提出疑問，教師進行答疑。整個過程中，教師起主導作用，引導學生獨立完成電路的設計、仿真參數的調試過程，進而有效調動學生學習的積極性，提高學生分析問題、解決問題的能力和創新能力。

（二）有助于更好地鍛煉學生的動手操作能力

目前電機學實驗教學存在電機設備昂貴，數量少，設備型號陳舊等問題，只能分小組進行實驗教學，5～6個學生才能分到一臺設備，減少了每個學生進行實踐操作的時間，導致部分學生失去實驗興趣，不利于學生動手操作能力的培養。虛擬仿真技術的應用為學生創造更好的學習環境，打破時間和地點的限制使得電機學實驗教學不必在實驗室完成，擺脫了電機設備的束縛，學生可以自由安排實驗時間和地點，只需要在自己電腦上登錄賬號即可進入虛擬仿真實驗室，在虛擬仿真場景中直觀地認識虛擬電機設備的構造，以及設備各參數的動態變化過程，自主進行虛擬仿真實驗的操作，進而深入了解電機設備運行的原理。這樣既避免了現實場景中因學生圍觀而看不仔細的情況，又能確保每個學生都能動手操作，激發學生動手操作的興趣，同時在模擬實驗中還可以反復操作，進而更好地鍛煉學生的動手操作能力。

（三）有助于完善電機學實驗課的評價方式

由于在傳統的電機學實驗課教學過程中，學生多處于圍觀狀態，僅有少量同學進行實踐操作，教師無法對學生的實驗操作過程進行評價，主要考察學生的出勤情況，并對學生的實驗報告進行打分，而實驗報告存在學生抄襲的現象，這樣一來大部分學生實驗課成績相差不大，導致學生對電機學實驗課學習的熱情降低。而虛擬仿真實驗平臺可以自動記錄學生的實際操作過程，教師可通過虛擬仿真實驗平臺評價學生的實驗操作過程，并結合學生最后的實驗報告，科學、客觀、全面地綜合評價學生的學習效果。當然，對于在虛擬仿真平臺上操作不合格的學生，還可以進行重復學習和操作，以深入理解并掌握所學知識。

三、現階段電機學課程教學存在的問題分析

（一）課程教學方式單一，學生學習興趣不高

互聯網技術對教育領域產生了積極的推動作用，教師對教學方式的選擇直接關乎教學質量的好壞。尤其是電機學課程內容晦澀難懂，電機磁場看不見摸不著，電機內部磁場耦合關系很難直觀地描述出來，這就需要教師運用互聯網技術輔助教學，以增加教學的趣味性，使抽象內容形象化，便于學生理解，進而有助于提高課堂教學效率。然而，現階段，電機學課程教學方式單一，大多數教師主要運用多媒體技術進行教學，長此以往，學生產生視覺疲勞，加之課堂上缺少互動環節，學生基本上沒有發言的機會，導致學生逐漸失去學習興趣。隨著互聯網技術的發展，新興了微課、翻轉課堂、虛擬仿真技術等教學工具，教師應該有效運用這些教學工具來豐富自己的教學方式，以提高學生對電機學課程的學習興趣。但實際上，很少有電機學教師在課堂上運用這些新的教學工具，制約了電機學課堂教學質量的提升。

（二）課程教學內容落后，難以滿足學生需求

時代在進步，電機、變壓器、發電技術也在不斷推陳出新，而電機學中涉及直流電機、異步電機、同步電機等多種類型的電機和多種變壓器，通過學習促使學生掌握電機和變壓器的基本結構、運行原理等知識，具有很強的時代性、理論性、工程實踐性。目前，大部分教師主要以電機學課程教材內容為主，而教材的更新速度很難跟上時代發展的速度，特別是科研前沿、工程項目等內容涉及較少，教學內容落后，與生產實際相脫節，難以滿足學生需求。此外，實驗教學內容模式化，大部分是一些驗證性實驗，缺乏設計性實驗。例如單相變壓器、直流電動機的機械特性以及異步電機的調速綜合實驗等驗證實驗，在整個實驗過程中，學生基本不需要思考，更無須創新，只需要按書本規定操作連接，照葫蘆畫瓢，得到實驗結果即可。這些驗證性實驗只能培養學生的基本實驗技能，不利于學生探究能力、創造性思維能力、動手能力以及運用知識去分析、解決問題能力的發展。

（三）實驗設備存在局限性，影響學生對實驗內容的理解

一是電機學課程實驗中需要用到多種儀器設備等，包括各種直流電機、異步電機、同步電機以及各種變壓器等大型設備，這些設備價格昂貴且占用實驗室場地大，高校購買數量少。隨著電機控制技術的不斷發展，新類型的電機層出不窮，而購買新型的電機需要大量的資金支持，當前高校電機實驗室資金和空間有限，以至于許多設備都沒有及時更新，學生很難接觸到新款電機設備，限制了學生對各類新型電機的應用，致使所學知識和實踐技能已經過時，加之設備數量有限，更無法確保為每位學生提供實驗創新的機會，導致學生失去實驗興趣，因而動手能力較差。二是由于現行裝備僅利用過流保護、短路保護、過壓保護等方式來保護電路，缺少欠壓和掉相保護等功能，設備容易產生故障，加之使用量大，尤其是電阻箱，完好率非常低，導致學生在實驗過程需要消耗一大部分時間去解決設備老化或損壞帶來的問題，影響學生對實驗內容的理解。三是大功率型的電機在使用過程中也存在人身危險因素，實驗設備的可操作性有限，在實驗過程中不能看到各參數的動態變化過程，導致學生難以理解設備運行原理。

（四）實踐教學流于形式，教學效果不佳

電機學課程涉及電壓、電流、電磁場等參數，內容抽象難懂，很難用通俗易懂的語言描述出來，需要將理論教學與工程實際相結合，促使學生在實踐中領會知識，進而提高教學效果。然而，現階段電機學課程實踐教學存在明顯不足，實踐教學流于形式，教學效果不佳。一是教師重理論輕實踐，實驗課程的時間較短，次數有限，導致學生積累的實踐經驗不足，難以掌握所學內容。事實上，電機學具有很強的實踐性，倘若學生僅僅是學習理論知識而很少去動手實踐，那么就不能深入理解各類電機的工作原理和特性，就不具備實踐創新能力和解決實際問題的能力。二是互聯網時代，學生容易接受線上學習+線下實訓的方式，需要自由的學習時間，而現實中受教學時間與資源的限制，難以滿足學生自主學習的需求，教學效率和學習效率不佳。三是缺乏一支專業的實踐教學隊伍。大部分教師缺乏工程實踐經驗，遇到實際問題，只會紙上談兵，無法保證電機學課程實踐教學的質量。

四、虛擬仿真技術在電機學課程教學中應用的具體策略

針對電機學課程教學存在的問題，將虛擬仿真技術融入電機學課程教學過程中，使得課程教學不受空間、時間、設備數量和類型等方面的限制，能結合電機學課程需要來設計虛擬仿真資源，促使學生可以自由地進行實驗操作，有效解決實驗成本高、危險性高、操作復雜等問題，顯著提高學生的參與感，有助于培養學生獨立思考、獨立操作以及分析、解決問題的能力。

（一）實現傳統教學方式與虛擬仿真教學方式的有效融合

傳統教學方式的優勢是能發揮教師的主導作用，更好地管理學生，能短時間內將教師理解的教學內容傳遞給學生，但容易讓學生產生依賴心理，不能有效調動學生學習的積極性，同時對于較難描述的抽象內容，也不利于學生掌握。虛擬仿真教學則能有效發揮學生的主觀能動性，真實再現設備內部結構及各參數的動態變化過程，有助于學生深刻理解所學知識，但由于學生自控能力不強，不同學生的學習能力、理解能力不同，容易產生教學進度不統一的問題。這就需要將傳統教學模式與虛擬仿真教學方式有效結合起來，更好地提升教學質量。例如，在講解異步電動機工作原理時，教師可首先利用PPT課件、網絡教學視頻等資源對課程內容進行講解，將自己多年來對電機工作原理的理解概括為幾個方面，并與學生互動交流，幫助學生理解;然后運用虛擬仿真技術，直觀地講解電機內部復雜的結構以及電磁轉化過程;接著讓學生在三維仿真環境中自由探索電機結構并進行實踐操作，進而產生較好的教學效果。

（二）結合時代發展與學生實際需求，完善課程教學內容

1. 運用虛擬仿真技術，優化課程教學內容

隨著虛擬仿真技術的不斷發展，虛擬仿真教學的優勢越來越明顯。因此，高校應結合時代發展與學生實際需求來合理規劃電機學課程教學內容，并把握好虛擬仿真教學的優勢，增加方便學生獨立學習的資源。在電機學課程講授過程中，應利用虛擬仿真軟件來輔助課程具體事例的講解，以便將抽象的電機結構、原理以更加直觀的方式表現出來，確保學生更好地掌握課程重難點。例如在講解電機運行情況時，在教材傳統內容的基礎上，可運用虛擬仿真軟件MATLAB和Sim ulink工具箱程序來進行簡單的仿真設計，通過建立仿真模塊和調試參數來動態地顯示電機的運行情況，便于學生理解，進而提高學生的學習效率。

2. 將科研工作融入課堂教學，豐富課程教學內容

將科研工作融入授課過程中，以拓寬學生視野，確保教學內容與時俱進。例如，三相異步電動機的啟動、調速和制動常常出現在教師科研課題中，教師可以在授課過程中提出課題設計的基本要求，并分小組討論課題設計內容，教師預審之后，對學生設計的實施方案進行評價，學生結合虛擬仿真軟件，對自己的設計性實驗進行操作，并處理實驗數據，撰寫實驗報告。在整個過程中，學生主動構思課題設計內容，提高了學生的課堂參與感，有助于實現“虛擬仿真技術-理論知識-思考能力、探究能力、創新能力、實踐能力”的轉化，保證教學效果。

（三）加強校企合作力度，將虛擬仿真教學與企業實訓相結合

電機學具有很強的實踐性，在運用虛擬仿真技術輔助實踐教學的同時，也要加強校企合作力度，建立良好的合作機制，實現虛實結合，進而真正提高電機學課程教學質量。一是利用虛擬仿真實踐教學平臺來輔助課程實踐教學。學生在學習完一定的理論知識后，可在虛擬實驗平臺上根據自己的需求選擇實驗項目，進行實驗操作。在實驗操作過程中，師生可在虛擬仿真實踐教學平臺上進行互動與交流，實驗結束后，平臺會自動記錄學生的實驗操作過程，實驗管理模塊會結合學生實驗步驟的得分情況對學生學習能力、學習效果給予評價，反饋給學生與教師，幫助學生調整學習側重點，幫助教師有針對性地改進教學方法。二是學校應開發校企聯合項目，讓學生參與企業實際工程項目，操作真實的儀器設備，這樣既有助于電機學課程教學與行業需求接軌，拓寬學生的就業渠道，又有助于鍛煉學生的探究能力、創新能力、動手操作能力。三是組織學生去企業實踐基地現場進行參觀，在現場由教師對各類電機的結構、運行原理等基礎知識進行講解，并邀請電氣類專業方面的專家來指導實踐教學，在企業實踐基地對學生進行電機學實驗設計培訓，以確保實踐教學的有效性，需要注意的是，在整個過程中要考慮學生安全、企業實訓的時間等因素。

（四）建立一支專業的實踐教學隊伍

互聯網時代，大部分電機學課程教師的虛擬仿真技術運用能力和實踐能力不足，導致電機學課程實踐教學流于形式，因此，高校應建立一支專業的實踐教學隊伍。第一，提高教師的虛擬仿真技術的應用能力。學校可邀請虛擬仿真技術應用方面的專家來校開辦講座和學術交流活動，指導教師的實踐教學，以提升教師運用虛擬仿真技術輔助電機學課程教學的能力，進而更好地指導學生的實踐教學。第二，定期組織電機學課程教師去企業培訓，促使教師增加企業工程實踐經驗，并將其運用到電機學課程教學中去，指導學生在實踐中靈活地應用所學知識，培養學生的實踐創新能力和解決實際問題的能力。第三，學校還可以引進具有豐富理論知識且具有企業工程實踐經驗的人才來校任教，以壯大電機學課程師資隊伍，進而促進電機學教學質量的提升。

五、結束語

總之，與傳統電機學課程教學模式相比，虛擬仿真教學能將抽象概念具體化，改善了教學效果，同時，虛擬仿真教學限制條件少，不受實踐時間與地點的限制，促使學生更自由地學習與實踐，增強學生實踐的積極性。教師應合理運用虛擬仿真技術的優勢，更新電機學課程教學內容與方式，并結合傳統實物教學模式，將二者有效結合，進而培養出滿足時代發展需求的應用型人才。

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基金項目：2018年河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于3D虛擬增強現實技術的《電機學》多元混合式教學方法應用研究”

（2018GJJG397）;2020年河北省教學改革項目“融入課程思政的《電機學》對分課題研究”（2020GJJG619）;華北電力大學校級教改項目“基于 Web 3D技術的‘電力電子技術’課程虛擬混合教學平臺開發與實踐研究”（無編號）

作者簡介：董淑惠（1978-），女，漢族，青海西寧人，碩士，副教授，研究方向為風力發電控制研究。