基于课堂—实验—仿真混合式教学在电力拖动课程中的应用

罗成名 黄国铭 戴卫力

摘 要 针对电力拖动课程的学习要求，分析电力拖动课程知识抽象、理论推导多、学习难度大的特点，利用课堂—实验—仿真多种教学深入融合手段增强教学效果。在第一课堂理论教学环节构建教学讲授、板书推导以及动画视频的教学内容，通过实验教学仪器上的实验设计、系统搭建以及结果分析来加深课堂理论知识，采用虚拟软件仿真技术进行虚拟实验、模型构建、参数辨识的学习，在控制器中改变仿真参数来模拟不同的实验，将抽象复杂的电机理论通过实验和仿真学习变得易于理解。

关键词 电力拖动；物理实验；虚拟仿真；混合式教学；MATLAB

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）06-0042-03

Application of Electric Traction using Mixed Teaching of Class-room， Experiment and Simulation Methods//LUO Chengming， HUANG Guoming， DAI Weili

Abstract Aiming at the knowledge abstraction， theoretical deduc-tion， learning difficult characteristics of electric traction， this paper

makes full use of classroom experiment simulation teaching methods.

Based on the teaching lectures， theory deduction and animation video，

the experimental teaching is carried out through program identifica-tion， system construction and result analysis. Meanwhile， the soft-ware simulation teaching is used to make virtual experiments， model

construction， and parameter identification via changing the simula-tion parameters. The experiment and simulation teachings can fur-ther deepen the understanding of the electric traction contents in the classroom.

Key words electric traction； physical experiment； virtual simulation；

mixed teaching methods； MATLAB

1 前言

电力拖动与控制类课程是本科院校自动化专业的必修课程，目的是培养学生通过电机的具体结构和电机基本理论分析电机及拖动的实际问题[1]。该课程在人才培养方案中起着承上启下的作用，可以为后续专业课程的学习打下良好的理论基础。课程内容包含大量的理论推导公式，具有一定理论性和实践性，知识抽象，学习难度大。该课程内容的特点导致学生对课程学习不仅没有兴趣，而且有反感倾向[2]。课堂上教师一味灌输的教学方法满足不了学生的学习要求，学生学习没有动力[3]。因此，运用课堂—实验—仿真混合式教学，在电力拖动课程中是必要的（如图1所示）。

2 课堂理论教学

鉴于电气拖动课程知识点繁杂、公式推导多、理论性强的特点，创建网络平台课程资源。教师通过网络平台发布预习任务，学生可以借助网络平台对所学内容进行预习，并通过观看视频对所学内容进行初步了解，同时可以与其他学生和教师在网络平台上进行互动交流。学生通过网络平台课程资源的预习，可以把在预习过程中遇到的难点在课堂上和教师、同学进行交流，调动学习积极性，同时为在课堂上掌握教师所讲授的内容奠定基础。

基于网络平台的课程资源，多媒体课件是本科教学手段的主要载体，其精心制作显得至关重要。教师在制作多媒体课件过程中，可以充分发挥动画、微课、视频等多媒体效果，将每个知识点都用最直观的方式表现出来，以此来激发学生的学习兴趣，化解教学重难点，有效达到电力拖动课程的教学目标。

电力拖动负责将电能转化为机械能带动负载运动，理解直流电机的工作原理和建立电机结构是学好电力拖动课程的基础。因此，为了充分发挥课堂教学效果，利用多媒体课件图文并茂的优势，结合动画、微课及视频资料，直观展示电动机电磁转换原理、电动机定转子三维剖视图、电机运转3D动画以及电机绕组展开图等教学内容，将枯燥的理论知识转换成学生易于接受并感兴趣的教学形式。同时，对于电力拖动中关于主磁通、电磁转矩以及电动势平衡方程构建，需要通过板书详略得当地进行推导，在推导演绎过程中让学生逐步理解，加深他们对重点知识点的理解。

3 物理实验教学

为了使得学生能够对课堂所学理论知识有更加深入的理解，在运用网络平台课程资源、板书结合多媒体课件开展课堂教学的基础上，进行富有创新意识和探索精神的实验教学设计，对于提高学生理论—实践—动手三位一体能力具有重要意义。采用浙江天煌教学仪器的DDSZ-1型电机及电气技术实验装置进行实验，基于模块化和挂件式结构，根据不同课程的不同实验教学要求组合搭配，采用强弱分开手枪式插头，连接电源、控制电路、电动机、电阻器、以及测量表等实验器件，在隔离电路保护安全的前提下配合课堂教学内容，可以完成包括直流电机实验、變压器实验、异步电机实验以及同步电机实验在内的丰富的实验教学设计。

以直流并励电动机为例，深入理解直流电动机调速的原理。图2所示为直流电动机调压调速实验结果输出，在保持负载转矩0.83 Nm和保持励磁电流100 mA恒定时，电枢电流基本维持在570 mA；当增大电阻阻值，使得电枢电压从220 V降低到150 V时，电机转速从1575 r/min降低到990 r/min，进一步验证了直流电动机增大电压则转速增加的现象。图3所示为直流电动机弱磁调速实验结果输出，在保持电压为额定值220 V和转矩0.83 Nm恒定时，随着励磁电流从100 mA减小到65 mA，电机转速从1520 r/min升高到1760 r/min，而电枢电流也从0.59 A升高到0.70 A，进一步验证了直流电动机减弱磁通则转速增加的现象。

4 虚拟仿真教学

在教学实验装置上进行功能性实验验证基础上，借助于MATLAB软件Simulink模块进行电力拖动运动控制系统的建模和仿真，深入认识电力拖动运动控制原理[4]。以转速电流双闭环直流调速控制系统为例，系统分为给定电压模块、转速PI调节器模块以及电流PI调节器模块，在对比例积分系数、反馈系数等参数进行计算分析后，搭建仿真模型图，如图4所示。

采用图4搭建的双闭环直流调速控制系统，学生可以通过改变仿真模块参数来模拟不同实验：1）观察将PI调节器改为P调节器或者I调节器时的调速系统性能指标；2）观察改变电流调节器开环增益K和转速调节器中频宽h分别对典型I型和II型系统的性能；3）观察不添加饱和非线性模块对双闭环系统的性能影响；4）观察添加电流调节器和转速调节器滤波环节对调速性能的影响；5）观察将三相桥式整流电路改为全控型PWM整流电路对调速性能的影响；6）观察系统突加负载时的调速性能指标，如图5所示。

虚拟仿真软件的仿真实验进一步巩固了学生所学知识点，学生通过改变仿真模拟的参数可以模拟不同的实验，并且可以依据仿真结果得出相应的结论，鍛炼学习和实践能力。抽象复杂的公式推导和意义通过虚拟仿真软件变得更加直观，更易于理解，学生的学习变得更加轻松，达到很好的教学效果。

5 结语

电力拖动课程知识抽象、理论公示推导多、学习难度大，有很强的理论性。理论课堂上，做到网络化课程资源的初步预习、多媒体课件的直观展示及复杂公式的板书推导相结合。实践教学环节，以天煌教学仪器的DDSZ-1型电机及电气技术实验装置为载体，采用任务驱动、小组讨论、自主探究等教学手段，完成方案确定、系统搭建、结果分析，加深学生对课堂讲授内容的理解。在此基础上，利用虚拟软件仿真技术进行虚拟实验、模型构建、参数辨识，进一步巩固所学知识点，使抽象复杂的公式推导和意义变得更加直观。融合理论课堂、实验教学和虚拟软件仿真，激发学生学习兴趣的同时活跃课堂气氛，锻炼和提高学生的学习能力和解决问题的思维能力，在化解重难点的基础上有效达到教学效果，提高电力拖动教学质量。

参考文献

[1]张殷.在电力拖动课程中构建破冰式教学法[J].中国教育技术装备，2017（1）：102-103.

[2]张今朝，朱海燕，潘安远.实现专业知识典型环节“课堂进基地”的改革与实践[J].实验技术与管理，2017，34（4）：

171-174.

[3]殷士勇，鲍劲松，等.基于资源共享平台的翻转课堂教学模式研究[J].实验室研究与探索，2016，35（12）：185-190.

[4]张敬南，张强.电力拖动类课程的仿真实验教学改革[J].电气电子教学学报，2014，36（2）：88-90.