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摘 要：针对传统电机学实验教学的局限性，难以开展设计类、综合类、工程类实验，已不能满足电气专业应用型人才培养的问题，采用虚拟仿真技术，围绕实验的设计性、综合性、工程性，对电机学虚拟仿真实验平台进行了设计，实验内容贴近工程实际问题。通过虚拟仿真实验，有助于培养适应电气技术和行业发展趋势、具有创新精神和实践能力的高素质专业人才。
关键词：虚拟仿真 电机 实验教学 实践能力
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：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，越來越强调对学生实践能力的培养，实验教育成为理工科教育的一个至关重要的环节。然而，随着各学科实验项目和学生人数的增多，传统的电气实验室和实验仪器功能很难满足学生的需求，由于实验内容长期不变，不仅束缚了学生的创新思维，更无法适应电气行业的快速发展，因此能够与实物相配合的仿真实验教学的概念开始成为学校关注的重点。
虚拟仿真教学实验是一种基于软件技术构建的实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化，具备诸多优点：（1）可以与实物实验室互补;（2）可以辅助高校的科研工作;（3）实验安全，易于维护;（4）可以重复多次试验以研究单个变量或参数的变化对实际问题总体系统的影响，而这在实际问题中是不可能做到的;简单易懂，结果比较直观。
1 电机学课程开展虚拟仿真实验的必要性
“电机学”是电气工程专业的一门重要的必修核心专业基础课，其讲授的内容对电气专业后续课程的学习具有重要的作用，课程内容综合多个学科的相关知识，理论性强、概念抽象与工程实际联系密切。“电机学”课程的电机结构和原理知识点中，电机内部结构复杂，学生无法直观地对电机内部结构进行认知，学生普遍反映理解困难;当设备发生故障时，由于电力设备具有高电压、大电流的特点，实验过程具有一定的危险性;在电机的设计、加工制造、测试等方面存在设计制造周期长、工艺要求高、操作复杂、专业性要求苛刻、实验配套成本高、传统实验室实现困难等问题。因此，利用虚拟仿真技术可以有效弥补传统实验教学仪器在拓展性弱，难以开展设计类、综合类、工程类实验等方面的不足。
2 电机学虚拟仿真实验教学平台建设方案设计
针对“电机学”实验教学中存在的问题与不足，利用虚拟仿真技术，围绕实验的工程性、设计性、综合性，建立了分层次、模块化、重基础、强能力的实验教学体系（见图1）。
认知类实验围绕基础理论知识，利用虚拟仿真技术，通过三维动画、视频、声音等多媒体技术，展示一些不易直观认知的电机内部结构及抽象的概念原理。通过动画演示使学生掌握电机的工作原理，借助虚拟仿真实验教学平台实现自主选择拆装工具、设计拆装顺序进行电机典型结构拆装，了解典型部件的基本结构及电机的重要组成。工程实践类实验是通过构建高仿真度的工程实践场景，模拟设备发生故障，运用交互式实验方法，安全地操作实验设备，处理短路、起火等典型故障，让学生熟悉故障处理的流程。综合设计类实验是以解决实际工程问题为目标，借助虚拟仿真技术，融入项目需求分析、电机设计、虚拟制造、模拟测试等多个环节，形成一套完整的工程综合训练，将相关专业知识交叉综合应用，引导学生运用专业知识分析问题、培养工程设计思维、提升解决复杂工程问题的能力。各类实验后期都将会持续完善虚拟仿真实验项目，不断融入新的科研成果，促进教学深入改革。虚拟仿真实验可为学生提供一个资源丰富、功能强大的学习平台，提高教学质量。 3 虚拟仿真实验实例
3.1 电机拆装虚拟仿真实验
电机拆装虚拟仿真实验由实验预习、虚拟拆卸、虚拟装配和实验测试4个模块组成。实验预习模块主要是了解电机类型、原理及内部结构组成部件，如直流电机、交流电机、同步电机，电机的定、转子、轴承、端盖等，如图2所示。
虚拟拆卸模块和虚拟装配模块是在了解各个部件在电机结构中位置的基础上，根据拆装说明进行电机及其典型部件的拆装操作，设定拆装顺序和拆装工具，拆卸及装配以3D动画的形式显示了电机的拆卸和装配过程，如图3所示。学生操作正确给予分值，如果操作错误给予提示则无分值。实验测试模块是学生实验完成后随机抽取定量试题进行测试，用以巩固知识。在学生对电机进行拆解、重组的过程中不仅能够直观地认识电机内部结构，还可以激发学生对电机的结构进行创新，比如改变定转子的位置、改变电机的励磁方式等。通过虚拟仿真实验，学生对电机内部结构及电机拆装步骤有了更深刻的认识，对课本里的抽象概念有了更加直观的理解，增强了学习兴趣。
3.2 变压器故障处理虚拟仿真实验
随着电力工业的规模不断扩大，变电站运行维护复杂化，在校大学生仅仅局限于课程学习的理论知识是远远不足的，必须结合实际电力网络运行，学习相关电力设备原理及操作过程。由于电力资源涉及高危高压环境，不能人为设置故障来训练学生的技术水平，因此利用虚拟仿真技术，建立三维立体环境使学生切身融入到虚拟环境中，模拟变压器正常或故障状态，使学生安全地、身临其境地完成各项认知和操作任务。
变压器故障处理虚拟仿真实验由变电站巡检漫游、变压器认知、变压器起火故障处理3个模块组成。变电站巡检漫游模块主要是了解变电站工作区域以及一次主设备布局。在变压器认知模块，学生可通过键盘鼠标前后移动并360°旋转设备，便于近距离观察变压器内部结构，了解各组成部件及作用。通过动画演示其工作原理，并可进行绕组联结方式及排列顺序的学习。在变压器起火故障处理模块中，通过在虚拟场景中模拟变压器起火，使学生学习故障处理流程及安全操作规范，使学生在校内获得与真实现场类似的工作经验，提高专业技术素养。
3.3 电机设计与测试综合实验
本实验是以某电动汽车驱动电机设计与验证为主线，将电机设计、虚拟装配、系统测试等多个实验环节整合与贯穿，将复杂的电机设计计算以模块化互交式的设计流程呈现，形成一套符合工程实际的满足电动汽车实际运行需求的虚拟仿真实验。
整个实验由知识认知、电机设计与装配、电动汽车测试模拟3个模块组成。知识认知模块的学习内容包括电动汽车的动力系统结构部件、永磁电机结构部件、永磁电机运行原理等。在电机设计环节，拟定的工程需求下，学生自主拟定电机额定值，综合考虑各种工程约束因素，开展电机的设计，包括交流绕组结构参数设计、定子铁芯尺寸设计、转子结构参数设计。在虚拟环境中模拟组装电动汽车的动力总成，加深对测试系统结构的认知。在系统测试模块，对整车进行加速、最高车速、爬坡能力、续驶里程4个方面的测试。通过虚拟装配和整车测试结果，不断改进优化设计，最终达成性能目标。
实验项目中设计参数是开放的，实验结果与结论不唯一，因此提供了丰富的电机与整车匹配探索研究内容。学生在试图达成目标的过程中，不断尝试、調试、优化设计方案，探究电机与系统的内在匹配规律，将理论与实践紧密结合，从电机设计、电机制造、一直到系统测试全流程贯通，实现传统电机实验无法提供的训练效果，极大提升了学生的工程综合能力。
通过虚拟仿真技术的应用，实验场景可以更加贴近工程实际，有效解决以往受实验设备或场地限制，用抽象的示意模型代替复杂受控对象的问题。
4 结语
通过虚拟仿真实验的开展，可以使学生对真实实验难以开展的实验项目的实验机理、实验现象进行更深入的了解，有助于其对相关知识更加全面的理解和掌握，为学生由被动学习转变为主动学习提供了一条可行的途径。虚拟实验教学顺应了以教育信息化工作为主线的高等教育改革发展趋势，也满足了实验室建设和实验教学改革与创新的需要。
参考文献
[1] 王永友，王琨，郭昭学，等.石油与天然气工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验室技术与管理，2019，36（12）：23-27.
[2] 郑莆燕，任建兴，潘卫国，等.火电厂典型故障虚拟仿真实验架构设计[J].高等工程教育研究，2019年增刊I：221-224.
[3] 王志琼，刘津彤，苗淼，等.发动机拆装实验教学综合平台的研制[J].实验室研究与探索，2019，38（11）：70-72，82.
[4] 郭婷，杨树国，江永亨，等.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究[J].实验技术与管理，2019， 36（10）： 215-217，220.
[5] 吴霞.实验课程线上线下相结合的教学模式设计与实践[J].实验室研究与探索，2019，38（5）： 173-176， 199.
[6] 王成，杨波，刘海.齿轮机构认知虚拟仿真实验的设计与实现[J].实验室研究与探索，2018，37（8）：102-105.
[7] 王宝华，程璐.沉浸式硬件在环的微电网虚拟现实仿真实验平台[J].实验室技术与管理，2019，36（3）：31-35，39.
[8] 张良力，代林刚，柴琳.电力变压器高压试验虚拟仿真实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2020，34（7）：125-135.
[9] 徐磊，蔡晓磊，傅海军，等.基于虚拟仿真平台的“电机学”教学实践[J].电气电子教学学报，2020，42（6）：30-32，37.
[10] 房俊龙，周跃佳，倪晶，等.电气工程专业虚实互补的实践教学新模式探索[J].中国现代教育装备，2021，357（3）：35-36，48.
[11] 王进仕，赵媛媛，种道彤，等.火电机组虚拟仿真实验教学的建设与实践[J].高等工程教育研究，2019年增刊I：201-210.
关键词：虚拟仿真 电机 实验教学 实践能力
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：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，越來越强调对学生实践能力的培养，实验教育成为理工科教育的一个至关重要的环节。然而，随着各学科实验项目和学生人数的增多，传统的电气实验室和实验仪器功能很难满足学生的需求，由于实验内容长期不变，不仅束缚了学生的创新思维，更无法适应电气行业的快速发展，因此能够与实物相配合的仿真实验教学的概念开始成为学校关注的重点。
虚拟仿真教学实验是一种基于软件技术构建的实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化，具备诸多优点：（1）可以与实物实验室互补;（2）可以辅助高校的科研工作;（3）实验安全，易于维护;（4）可以重复多次试验以研究单个变量或参数的变化对实际问题总体系统的影响，而这在实际问题中是不可能做到的;简单易懂，结果比较直观。
1 电机学课程开展虚拟仿真实验的必要性
“电机学”是电气工程专业的一门重要的必修核心专业基础课，其讲授的内容对电气专业后续课程的学习具有重要的作用，课程内容综合多个学科的相关知识，理论性强、概念抽象与工程实际联系密切。“电机学”课程的电机结构和原理知识点中，电机内部结构复杂，学生无法直观地对电机内部结构进行认知，学生普遍反映理解困难;当设备发生故障时，由于电力设备具有高电压、大电流的特点，实验过程具有一定的危险性;在电机的设计、加工制造、测试等方面存在设计制造周期长、工艺要求高、操作复杂、专业性要求苛刻、实验配套成本高、传统实验室实现困难等问题。因此，利用虚拟仿真技术可以有效弥补传统实验教学仪器在拓展性弱，难以开展设计类、综合类、工程类实验等方面的不足。
2 电机学虚拟仿真实验教学平台建设方案设计
针对“电机学”实验教学中存在的问题与不足，利用虚拟仿真技术，围绕实验的工程性、设计性、综合性，建立了分层次、模块化、重基础、强能力的实验教学体系（见图1）。
认知类实验围绕基础理论知识，利用虚拟仿真技术，通过三维动画、视频、声音等多媒体技术，展示一些不易直观认知的电机内部结构及抽象的概念原理。通过动画演示使学生掌握电机的工作原理，借助虚拟仿真实验教学平台实现自主选择拆装工具、设计拆装顺序进行电机典型结构拆装，了解典型部件的基本结构及电机的重要组成。工程实践类实验是通过构建高仿真度的工程实践场景，模拟设备发生故障，运用交互式实验方法，安全地操作实验设备，处理短路、起火等典型故障，让学生熟悉故障处理的流程。综合设计类实验是以解决实际工程问题为目标，借助虚拟仿真技术，融入项目需求分析、电机设计、虚拟制造、模拟测试等多个环节，形成一套完整的工程综合训练，将相关专业知识交叉综合应用，引导学生运用专业知识分析问题、培养工程设计思维、提升解决复杂工程问题的能力。各类实验后期都将会持续完善虚拟仿真实验项目，不断融入新的科研成果，促进教学深入改革。虚拟仿真实验可为学生提供一个资源丰富、功能强大的学习平台，提高教学质量。 3 虚拟仿真实验实例
3.1 电机拆装虚拟仿真实验
电机拆装虚拟仿真实验由实验预习、虚拟拆卸、虚拟装配和实验测试4个模块组成。实验预习模块主要是了解电机类型、原理及内部结构组成部件，如直流电机、交流电机、同步电机，电机的定、转子、轴承、端盖等，如图2所示。
虚拟拆卸模块和虚拟装配模块是在了解各个部件在电机结构中位置的基础上，根据拆装说明进行电机及其典型部件的拆装操作，设定拆装顺序和拆装工具，拆卸及装配以3D动画的形式显示了电机的拆卸和装配过程，如图3所示。学生操作正确给予分值，如果操作错误给予提示则无分值。实验测试模块是学生实验完成后随机抽取定量试题进行测试，用以巩固知识。在学生对电机进行拆解、重组的过程中不仅能够直观地认识电机内部结构，还可以激发学生对电机的结构进行创新，比如改变定转子的位置、改变电机的励磁方式等。通过虚拟仿真实验，学生对电机内部结构及电机拆装步骤有了更深刻的认识，对课本里的抽象概念有了更加直观的理解，增强了学习兴趣。
3.2 变压器故障处理虚拟仿真实验
随着电力工业的规模不断扩大，变电站运行维护复杂化，在校大学生仅仅局限于课程学习的理论知识是远远不足的，必须结合实际电力网络运行，学习相关电力设备原理及操作过程。由于电力资源涉及高危高压环境，不能人为设置故障来训练学生的技术水平，因此利用虚拟仿真技术，建立三维立体环境使学生切身融入到虚拟环境中，模拟变压器正常或故障状态，使学生安全地、身临其境地完成各项认知和操作任务。
变压器故障处理虚拟仿真实验由变电站巡检漫游、变压器认知、变压器起火故障处理3个模块组成。变电站巡检漫游模块主要是了解变电站工作区域以及一次主设备布局。在变压器认知模块，学生可通过键盘鼠标前后移动并360°旋转设备，便于近距离观察变压器内部结构，了解各组成部件及作用。通过动画演示其工作原理，并可进行绕组联结方式及排列顺序的学习。在变压器起火故障处理模块中，通过在虚拟场景中模拟变压器起火，使学生学习故障处理流程及安全操作规范，使学生在校内获得与真实现场类似的工作经验，提高专业技术素养。
3.3 电机设计与测试综合实验
本实验是以某电动汽车驱动电机设计与验证为主线，将电机设计、虚拟装配、系统测试等多个实验环节整合与贯穿，将复杂的电机设计计算以模块化互交式的设计流程呈现，形成一套符合工程实际的满足电动汽车实际运行需求的虚拟仿真实验。
整个实验由知识认知、电机设计与装配、电动汽车测试模拟3个模块组成。知识认知模块的学习内容包括电动汽车的动力系统结构部件、永磁电机结构部件、永磁电机运行原理等。在电机设计环节，拟定的工程需求下，学生自主拟定电机额定值，综合考虑各种工程约束因素，开展电机的设计，包括交流绕组结构参数设计、定子铁芯尺寸设计、转子结构参数设计。在虚拟环境中模拟组装电动汽车的动力总成，加深对测试系统结构的认知。在系统测试模块，对整车进行加速、最高车速、爬坡能力、续驶里程4个方面的测试。通过虚拟装配和整车测试结果，不断改进优化设计，最终达成性能目标。
实验项目中设计参数是开放的，实验结果与结论不唯一，因此提供了丰富的电机与整车匹配探索研究内容。学生在试图达成目标的过程中，不断尝试、調试、优化设计方案，探究电机与系统的内在匹配规律，将理论与实践紧密结合，从电机设计、电机制造、一直到系统测试全流程贯通，实现传统电机实验无法提供的训练效果，极大提升了学生的工程综合能力。
通过虚拟仿真技术的应用，实验场景可以更加贴近工程实际，有效解决以往受实验设备或场地限制，用抽象的示意模型代替复杂受控对象的问题。
4 结语
通过虚拟仿真实验的开展，可以使学生对真实实验难以开展的实验项目的实验机理、实验现象进行更深入的了解，有助于其对相关知识更加全面的理解和掌握，为学生由被动学习转变为主动学习提供了一条可行的途径。虚拟实验教学顺应了以教育信息化工作为主线的高等教育改革发展趋势，也满足了实验室建设和实验教学改革与创新的需要。
参考文献
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