楊 剛 孫 盼 何 笠 孫 軍

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 武漢 430033)

“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”“電機(jī)學(xué)”等電機(jī)類課程是電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、輪機(jī)工程、機(jī)械工程等專業(yè)的主干課程[1-2]，主要講授直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)等電磁裝置的結(jié)構(gòu)、基本原理、基本特性和實(shí)際應(yīng)用等問(wèn)題，集理論性、實(shí)踐性、綜合性、應(yīng)用性于一體，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)至關(guān)重要[3-5]。

傳統(tǒng)電機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)以實(shí)物電機(jī)為基礎(chǔ)，存在電壓等級(jí)高、危險(xiǎn)性大，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)周期長(zhǎng)、成本高，電機(jī)過(guò)渡過(guò)程和動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生時(shí)間短、難以瞬時(shí)捕捉，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取困難等問(wèn)題。因此，在現(xiàn)有教學(xué)資源下，電機(jī)類課程教學(xué)仍以理論為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)形式比較單一[6-8]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是高校加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要手段，已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究重點(diǎn)[9-13]。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬電機(jī)的電-磁-力等多物理場(chǎng)特性，準(zhǔn)確描述電機(jī)的瞬態(tài)過(guò)程行為，設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、原理、拖動(dòng)運(yùn)行等基礎(chǔ)理論與運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)物電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的不足。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體架構(gòu)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是實(shí)物實(shí)驗(yàn)的一種輔助手段，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以更好地幫助學(xué)生了解實(shí)物實(shí)驗(yàn)中看不見(jiàn)、摸不著的磁場(chǎng)、電流等參量，有助于激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高課程授課效果。

電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇不同類型電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)3D建模還原電機(jī)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)場(chǎng)景，結(jié)合實(shí)際教學(xué)需求設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，模擬各類電機(jī)設(shè)備的操作流程，讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)后得到對(duì)應(yīng)的展示結(jié)果，并通過(guò)信號(hào)提示，電子黑板等提示操作的成功與電路故障。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由電機(jī)原理及結(jié)構(gòu)認(rèn)知(包括直流電機(jī)、同步電機(jī)、變壓器、異步電機(jī))和電機(jī)實(shí)驗(yàn)室兩大模塊構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體架構(gòu)

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

利用先進(jìn)的VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，綜合運(yùn)用SketchUp、Visual Studio、Unity3D等開(kāi)發(fā)工具創(chuàng)建了電機(jī)拆裝、正反轉(zhuǎn)、負(fù)載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)等虛擬場(chǎng)景，運(yùn)用三維建模等技術(shù)，高度仿真了電機(jī)結(jié)構(gòu)、原理以及拖動(dòng)特性的行為，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景逼真，實(shí)驗(yàn)對(duì)象直觀形象；將學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于虛擬場(chǎng)景中，融合多種教學(xué)方法，學(xué)生可以自主安排和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；實(shí)驗(yàn)者通過(guò)VR眼鏡和手持設(shè)備在虛擬場(chǎng)景中操作，如同親臨實(shí)境[14-15]。

2.1 電機(jī)原理及結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊

電機(jī)原理及結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊，通過(guò)電機(jī)拆裝的形式，讓學(xué)生掌握四類電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、基本原理，電機(jī)拆裝的基本步驟、工具和實(shí)驗(yàn)方法等；同時(shí)，通過(guò)可見(jiàn)的電流和磁場(chǎng)，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖2～4所示。

2.2 電機(jī)實(shí)驗(yàn)室模塊

電機(jī)實(shí)驗(yàn)室模塊通過(guò)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，讓學(xué)生開(kāi)展直流并激發(fā)電機(jī)的電壓建立，直流并激電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速，變壓器的端線判別與運(yùn)行，三相異步電機(jī)的起動(dòng)，同步發(fā)電機(jī)的電壓建立，同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行，電工工具和儀表的使用等實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生掌握各類電機(jī)的運(yùn)行特性，如圖5～8所示。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程及方法

3.1 教學(xué)過(guò)程

電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要采用自主實(shí)驗(yàn)

(a)直流電機(jī)

(b)同步電機(jī)

(c)異步電機(jī)

(d)變壓器圖2 四類電機(jī)模型

圖3 電機(jī)拆裝場(chǎng)景

圖4 直流電機(jī)原理

圖5 電機(jī)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景

圖6 同步發(fā)電機(jī)電壓建立與并聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

圖7 直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)

圖8 變壓器端線判別實(shí)驗(yàn)

為主的教學(xué)方法。

1)學(xué)生自主學(xué)訓(xùn)

學(xué)生能夠自主運(yùn)用虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作和原理學(xué)習(xí)。

2)教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)

教師根據(jù)課程需求下達(dá)實(shí)驗(yàn)指令，選擇相應(yīng)的內(nèi)容在課堂上開(kāi)展教學(xué)。

3)學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不拘泥于固定的操作步驟，學(xué)生可以根據(jù)對(duì)電機(jī)及拖動(dòng)的認(rèn)識(shí)自主設(shè)計(jì)操作步驟，并進(jìn)行不斷嘗試，實(shí)現(xiàn)課本外更多的非常規(guī)操作效果。

4)教師布置預(yù)習(xí)任務(wù)

讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在課堂上開(kāi)展翻轉(zhuǎn)教學(xué)，為電機(jī)教學(xué)提供了靈活多樣的教學(xué)方法。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用觀察法、控制變量法、對(duì)照法及比較法等實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)照正常運(yùn)行波形，分析電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，掌握相關(guān)原理。

1)觀察法

實(shí)驗(yàn)操作中，通過(guò)連接電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制線路，操作電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，可觀察到電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率等參數(shù)和物理量的變化，分析物理量變化的規(guī)律和原因。電機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)可以直觀地觀察電機(jī)零部件的空間位置、連接關(guān)系，明確電機(jī)拆裝的步驟、注意事項(xiàng)等。

2)控制變量法

實(shí)驗(yàn)中，以電動(dòng)機(jī)輸入端電壓、勵(lì)磁電流等物理量為控制變量，固定其他的物理量，改變控制量進(jìn)行參數(shù)的測(cè)試和現(xiàn)象觀察，可分別探究不同工況(功率等級(jí)、負(fù)載特性)和不同參數(shù)設(shè)置對(duì)電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性的影響機(jī)理。

3)對(duì)照法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以對(duì)照系統(tǒng)正常運(yùn)行和斷線運(yùn)行的現(xiàn)象和物理量測(cè)量值，分析故障對(duì)系統(tǒng)的影響；也可以分析不同的接線方法下，電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性變化。

4)對(duì)比法

在實(shí)驗(yàn)中可對(duì)不同電壓等級(jí)、不同勵(lì)磁電流下的多組波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可觀察不同物理量下系統(tǒng)的變化規(guī)律，也可對(duì)不同的電機(jī)拖動(dòng)方法進(jìn)行對(duì)比，比如對(duì)比直接起動(dòng)和星三角起動(dòng)，分析不同起動(dòng)方法下系統(tǒng)的起動(dòng)電流大小，以此得到不同起動(dòng)方式下的感性認(rèn)識(shí)，以及不同起動(dòng)方式下起動(dòng)電流的數(shù)量關(guān)系。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)施，學(xué)生可在多個(gè)側(cè)面分析不同工況下的不同電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性，探究電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的工作原理。

4 同步發(fā)電機(jī)電壓建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

同步發(fā)電機(jī)電壓建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要分為兩部分，首先通過(guò)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在這個(gè)過(guò)程中需要對(duì)原動(dòng)機(jī)調(diào)速，幫助學(xué)生理解原動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理；然后通過(guò)勵(lì)磁裝置調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，在調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的過(guò)程中，可以測(cè)量勵(lì)磁電流和端電壓的數(shù)據(jù)，繪制空載特性曲線?？蛰d特性曲線本質(zhì)上是磁化曲線，在繪制曲線的過(guò)程中，可加深學(xué)生對(duì)磁化曲線規(guī)律的理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，“勵(lì)磁選擇”開(kāi)關(guān)高亮，將此開(kāi)關(guān)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至“他勵(lì)”位置處，高亮消失。

(2)按下原動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕。

(3)旋轉(zhuǎn)“調(diào)速選擇”開(kāi)關(guān)至加速位置，同時(shí)觀察轉(zhuǎn)速表，使原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升至額定轉(zhuǎn)速1500 r/min。

(4)將電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇在發(fā)電機(jī)AB、BC、CA三檔中的任意一檔。

(5)控制他勵(lì)控制臺(tái)旋鈕，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流緩慢增大，同時(shí)觀察電壓表顯示值，在電壓增大至額定值過(guò)程中，記錄5～6組“電流-電壓”數(shù)據(jù)。

(6)將勵(lì)磁電流調(diào)至0，操作發(fā)電機(jī)控制屏上的“調(diào)速選擇”開(kāi)關(guān)至減速位置，觀察轉(zhuǎn)速表，使原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢減少至0。

(7)按下原動(dòng)機(jī)停止按鈕，將“勵(lì)磁選擇”開(kāi)關(guān)旋至“斷”位置。

(8)實(shí)驗(yàn)完成。

5 電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特色

1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的先進(jìn)性

電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)和專業(yè)任職能力的人才為目標(biāo)，遵循“以學(xué)生為中心、以問(wèn)題為導(dǎo)向、堅(jiān)持學(xué)科融合、堅(jiān)持創(chuàng)新實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，通過(guò)實(shí)施“情景式、參與式”等多種教學(xué)模式相融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，讓學(xué)生在交互式認(rèn)知、虛擬演示、綜合設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，掌握電機(jī)結(jié)構(gòu)、原理以及拖動(dòng)運(yùn)行等知識(shí)，具備操作使用和維修保養(yǎng)電機(jī)的基本能力和水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的品質(zhì)和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高自由度

電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)高度還原了實(shí)物電機(jī)的原理與內(nèi)在規(guī)律行為，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)元件均具備電-磁-力等特性，實(shí)驗(yàn)不拘泥于特定的步驟，不受限于規(guī)定的動(dòng)作，可以根據(jù)需求自行開(kāi)展，具有自由度高、可擴(kuò)展等多種優(yōu)勢(shì)。

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)用性

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)和同步電機(jī)等均有涉及，且選取的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既可以使學(xué)生了解電機(jī)基本原理，也與電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題聯(lián)系緊密。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還考察學(xué)生的多重能力，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，知識(shí)點(diǎn)之間是層層遞進(jìn)的關(guān)系，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的高精度

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)，場(chǎng)景構(gòu)建真實(shí)，實(shí)驗(yàn)元件建模逼真，動(dòng)作元素建模精度高，學(xué)生沉浸感、操作手感好，能夠較好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)場(chǎng)景下的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的逼真度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

5)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系科學(xué)

在電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模式化練習(xí)環(huán)節(jié)，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示和糾錯(cuò)，同時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)系統(tǒng)記錄的實(shí)驗(yàn)過(guò)程回看自己的操作步驟，幫助他們學(xué)習(xí)掌握實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，促使他們主動(dòng)思考。在考核環(huán)節(jié)，采用多維度、多元化的考核方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位、系統(tǒng)科學(xué)的考核與評(píng)價(jià)，構(gòu)建了過(guò)程性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)體系，由操作過(guò)程成績(jī)(50%)、考核模式成績(jī)(40%)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)(10%)綜合加權(quán)得到實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

6 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供了一個(gè)開(kāi)放自主的實(shí)驗(yàn)條件，為學(xué)生掌握電機(jī)類課程理論知識(shí)，提高理論聯(lián)系實(shí)際能力發(fā)揮了重要作用，目前已開(kāi)展5個(gè)學(xué)期，累計(jì)服務(wù)約500人次，并被認(rèn)定為2021年度湖北省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。

課程組將進(jìn)一步完善現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，優(yōu)化細(xì)節(jié)，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更加接近工程實(shí)際；同時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括變壓器參數(shù)測(cè)量、電機(jī)故障診斷等，使實(shí)驗(yàn)覆蓋面更廣，實(shí)用性更強(qiáng)。