虛擬仿真在電氣類專業課程教學中的實踐研究

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-7164（2025）11-0081-04

電氣類課程是工科學科的重要組成部分，涵蓋了電力系統、電機與電力電子、控制理論等多個專業領域，其實踐環節在培養應用型人才的教學過程中尤為關鍵。[1然而，傳統的電氣實驗教學往往受限于實驗設備、場地和安全等因素，難以全面滿足學生實踐操作與深入理解的需求。在此背景下，虛擬仿真技術以其獨特的優勢，開始融入電氣類專業課程的教學中，逐漸成為一種創新性的實踐工具。[2]《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函[2018]5號）和《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高[2019」8號），明確了虛擬仿真教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容。[3]本研究通過綜合運用虛擬仿真技術，為學生提供更加廣闊、靈活且安全的實踐操作平臺，從而培養出更具創新精神和實踐能力的高素質電氣類人才。

一、電氣類課程教學現狀

電氣類課程不僅要求學生掌握扎實的理論基礎，還強調對學生實踐操作能力的培養。然而在實際的教學過程中，理論知識掌握不到位以及理論教學與實踐教學之間的平衡問題一直是電氣類專業教育面臨的挑戰。[4電氣類課程如\"電機學\"“電力電子技術”，由于具有概念抽象和功率高等特點，傳統教學往往面臨諸多挑戰。其中包括教學模式的固化，導致學生主動探索的程度較低，難以激發他們的學習興趣。部分涉及復雜電路和電磁關系的教學內容較為抽象，增加了學生的理解難度。更為復雜的是，一些涉及高電壓、大電流的實踐性環節不僅操作難度大，而且實驗成本高昂，這些“高投入、高風險、實操難、掌握難\"的問題都限制了電氣類課程教學的深入與拓展。[5]

虛擬仿真技術為電氣類課程教學提供了一種既經濟又可靠的實現手段，它不僅能有效降低實體實驗設備和材料的消耗，降低教學成本，還能提供高實時性和交互性的學習環境，在鼓勵學生自主探究，激發創新思維，提供全面的考核與評估依據方面展現出顯著優勢。通過虛擬仿真，學生可以在無風險的情況下進行高電壓、大電流等復雜操作，有效提升了實踐能力和對抽象概念的理解。目前，多家教育和技術公司正在積極研發更專業、更具針對性的虛擬教學軟件，以滿足不斷增長的教學需求，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上也已經提供了部分實驗課程教學資源。但是當前這些資源僅限于在線使用，存在操作實時性不強、缺乏自主探究型項目以及考核難度較大的問題。科大訊飛、北京三意、南京恒點、ABB等知名公司積極研發的電氣類課程相關的虛擬教學軟件雖然技術先進，但高昂的價格、后期修改維護的高成本以及教學知識針對性不強的問題，在一定程度上限制了其推廣使用。因此，如何克服這些問題，更有針對性地利用虛擬仿真技術提升電氣類課程教學質量，仍是一個值得需要深入探討的課題。本研究將虛擬仿真技術交叉融合于教學全過程中，將專業抽象概念和原理形象化，拓寬學生學習的時空界限，提高其學習自主性，改善教學質量。

二、虛擬仿真平臺內容設計

（一）搭建虛擬仿真教學平臺，優化教學內容

開發適于開展混合式教學的電氣類專業課程虛擬仿真教學軟件，并對教學內容進行針對性優化，完成傳統講授與虛擬仿真的深度融合。基于MAT-LAB/GUI平臺編制的“電機學\"“電力電子技術\"和基于虛擬儀器LABVIEW環境開發的“繼電保護原理”“變電站仿真”虛擬仿真教學軟件可用于教學。部分虛擬教學軟件界面如圖1所示，“電機學”虛擬仿真教學軟件可對電機進行相關性能參數測試和驗證。

（二）虛擬仿真與課堂教學交叉融合的教學模式實踐

虛擬仿真與課堂教學交叉融合教學模式是指將傳統課堂教學與虛擬仿真教學平臺資源相結合，在充分發揮二者優勢的同時實現有效的交叉互補。其結構如圖2所示，可以看出在該教學模式中，虛擬仿真技術貫穿了整個教學環節，通過以應用為背景的設計競賽項目實現教學閉環，發揮了學生的主體和教師的主導作用，從而實現教學質量的提升。具體來說，教學主要包括課前預習與實踐探索、課中精準授課、課后復習與知識提升三個階段。

（三）教學環節引入科研工程項目，實現產學研協同創新

實現從“書本知識\"向“理論實踐有機結合\"的教學內容創新性轉變，教學內容及時反映專業研究領域的最新研究成果，并緊密聯系當前工程實際，以拓寬學生視野，實現產學研協同創新。如介紹電力電子變換器時候可以引入其在智能電網、電動汽車、新能源消納方面的研究內容等，如圖3所示的是講授PWM技術時結合其在日常生產生活中典型應用展開的思維導圖。

在教學環節中引入科研工程項目，是實現從“書本知識\"到“理論實踐有機結合\"的教學內容創新性轉變的重要途徑。通過緊密結合當前工程實際，及時將專業研究領域的最新研究成果融人教學內容，不僅可以拓寬學生的視野，還能促進產學研協同創新。為了使學生能夠更直觀地理解并掌握電氣工程的理論知識，在介紹電力電子變換器時，引入相關在智能電網、電動汽車、新能源消納等前沿領域的研究內容。這些實際工程應用的案例，能夠使學生深刻體會到電氣工程知識的實用性和重要性。在講授PWM（脈寬調制）技術時，結合其在日常生產生活中的典型應用，以PWM技術為核心，向外延伸出其在電機控制、電源管理、照明調光等多個方面的應用實例，如圖3。此外，教學過程中還積極引入與當前的工程實際緊密相關的科研及工程項目，讓學生參與到實際的項目研發中。通過參與該過程，學生不僅能夠將所學知識應用到實踐中，而且能接觸到最新的研究成果和技術動態。這種產學研協同創新的教學模式為電氣工程領域教學的發展注入新的活力。

完成實驗內容并撰寫報告。此過程受場地、儀器、設備及臺套數限制等的影響較小，可實現教學資源的最大化利用，彌補傳統教學的固有缺陷。

虛擬仿真與課堂教學交叉融合教學模式通過自主式、協同合作式、互動式、探究式等環節的實施，使得教學形式更加多樣化，便于因材施教，其具體實施流程如圖5所示。

（一）課前預習與實踐探索

在課前預習與實踐探索階段，鼓勵學生自主學習。通過教師精心準備的網絡教學資源，學生可以提前了解課程的基本框架和核心概念。利用虛擬仿真操作流程，學生可以在無實驗設備的情況下模擬實驗操作，從而對電氣知識有更為直觀的感受。這種預習方式不僅激發了學生的學習興趣，還培養了他們的自主學習能力。學生在預習過程中總結的收獲和疑問，也為后續的課堂教學提供了有針對性的學習重點。

（二）課中精準授課

三、電氣類專業課程虛擬仿真平臺實現

秉承“虛實結合、相互補充\"的原則，虛擬仿真教學平臺可實現課堂教學難以完成或不具備的教學功能。以電氣工程科的專業基礎課“電機學\"為例，該課程具有概念抽象、理論與實踐緊密結合的特點，是公認難教、難學的課程之一，構建該課程的虛擬仿真教學平臺如圖4所示。在授課過程中根據應用背景和應用對象給出基本要求，組織學生完成結構選擇、設計研究并班級討論，然后在虛擬仿真軟件和實驗設備上

課中精準授課環節是教學的關鍵。采用以教師講解PPT課件等教學資源為主的方式，系統地傳授電氣知識。為了增強學生的參與感和實踐能力，課堂上還安排了學生匯報等活動，讓學生能夠主動分享自己的學習心得和實踐經驗。此外，可以特別安排一定學時用于學生自主操作虛擬仿真軟件，讓他們在模擬環境中進行實踐操作，鞏固理論知識。在這一過程中，教師則扮演輔導者的角色，及時解答學生在操作中遇到的問題。

（三）課后復習與知識提升

課后復習與知識提升是鞏固學習成果的重要環節。授課教師根據不同層次學生的學習情況，布置相應的回饋練習，以確保每個學生都能在原有基礎上得到提升。鼓勵學生利用線上資源開展團隊項目或設計類比賽，這不僅能夠檢驗學生的學習成果，還能培養他們的團隊協作精神和創新能力。

（四）全過程思政元素有機融入

為了形成具有全課程育人特色的教學模式，對課程目標、內容、結構和模式進行了深化改革。在深人挖掘知識體系中所蘊含的思政資源基礎上，成功提煉并升華出核心思政元素，進而將這些元素有機地融入教學大綱之中，構建了一個集知識教育、能力培養和價值引領于一體的“三位一體\"教學模式。為了夯實課程思政的教學實踐，不僅將挖掘出的思政元素融入教學大綱，更建立了包含課程思政教學效果評價的本科教學質量綜合評價考核體系，旨在體現全課程育人特色，注重潛移默化、潤物無聲。

四、結語

在電氣類專業課程教學中，虛擬仿真技術的實踐應用不僅推動了教學內容的深化改革，更助力了課程內涵的豐富與建設。該技術使得抽象的電磁關系及設備的運行特性得以形象化展現，從而真實再現了工程項目的實際運行狀況，極大地提升了學生對知識點的直觀理解。多層次、綜合設計型的虛擬仿真資源為傳統教學注入了新的活力，有效地補充了傳統驗證型課程內容，顯著提高了課程的教學質量。值得一提的是，虛擬仿真技術突破了時空的限制，使得學生可以隨時隨地通過電腦模擬電氣設備的實際運行情況，利用MATLAB/GUI、ANSYS等平臺進行深人的仿真學習。在這一過程中，教師從傳統的知識傳授者轉變為學習引導者，而學生則在獨立的設計調試過程中提升了學習的主動性和實踐能力。此外，該技術還為產教融合提供了新的契機，使得科研成果能夠更便捷地融入教學中，改善了學生的學習效果，也為其他學科的教學改革提供了有益的借鑒。

參考文獻：

[1]陳蓉，楊勇.科教融合推動電氣類課程設計教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2023，42（10）：187-191.

[2]梅瑞斌，包立，張欣.基于“兩性一度\"的研究型虛擬仿真教學平臺設計與開發[J].機械設計，2023，40（09）：135-141.

[3]金福寶，馬山剛，唐巖，等．西部地區高校虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2023，42（03）：87-91.

[4]宋關羽，趙金利，于浩，等．面向新型電力系統發展的三層次電氣工程專業實踐教學體系構建與實施[J].實驗技術與管理，2022，39（09）：217-221.

[5]趙建勇，湯加鈺，孫丹，等.基于MatlabGUI的電氣工程虛擬仿真實驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2022，41（06）：92-97.

（責任編輯：邵秋露）