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摘要：電氣工程專業(yè)中許多實驗由于危險性高、設備昂貴，通過在線方式無法達到認識相關設備結構、系統(tǒng)組成、工作原理、運行方式等教學要求，學生的實踐能力不能得到有效培養(yǎng)。為彌補原有教學的不足，以潛油電動機實驗為例，詳細介紹了虛擬仿真實驗在電氣工程專業(yè)的應用。利用虛擬仿真技術將教學重點、難點融入虛擬場景，構建與生產(chǎn)現(xiàn)場一致的實驗場景，將典型運行操作任務轉(zhuǎn)化為實驗任務，解決理論教學、實驗教學、生產(chǎn)實習和仿真實習等相關教學實踐難題。通過基礎性操作、綜合性操作、復雜性操作，循序漸進地提升學生的實踐能力。

關鍵詞：虛擬仿真；電氣工程；電機設計；潛油電動機實驗

1實驗設計思路

對于電氣工程專業(yè)的學生，深入了解各類采油設備驅(qū)動用電動機結構與原理、熟悉各類采油設備驅(qū)動用電動機的組裝過程、掌握各類采油設備驅(qū)動用電動機的設計過程是學習專業(yè)課的基礎。各類采油設備驅(qū)動用電動機性能測試實驗無法在實驗室完成，因此，筆者開發(fā)了各類采油設備驅(qū)動用電動機設計與運行特性虛擬仿真實驗項目。潛油電動機實驗是采油設備驅(qū)動用電動機設計實驗的重要實驗，針對電氣工程及其自動化專業(yè)學生大三、大四課程和學生畢業(yè)設計開設，要求學生能夠根據(jù)所學的電機理論知識分析復雜工程問題，提出合理可行的解決方案，并能夠獨立完成電動機的設計、仿真、優(yōu)化及實驗驗證，從而培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新精神。通過各類采油設備驅(qū)動用電動機設計與運行特性虛擬仿真實驗(簡稱虛擬仿真實驗)，學生在掌握基礎知識的同時，深刻理解各類采油設備驅(qū)動用電動機的運行操作規(guī)程，提高實踐動手能力、團結協(xié)作能力和創(chuàng)新意識。因此，實驗設計時突出真實性、科技感與美感，讓學生在虛擬仿真實驗過程中既有真實實驗的體驗，又被實驗設計的科技感和畫面美感吸引，從而提高學生的學習積極性和主動性。其中，真實的實驗體驗從實驗環(huán)境的真實性、實驗操作的真實性、實驗結果的真實性三方面來體現(xiàn)。通過搭建一個逼真的實驗環(huán)境，實現(xiàn)了實驗環(huán)境的真實性；在實驗過程中設計大量人機交互環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了實驗操作的真實性，增強了學生的工程意識；基于真實的工程項目，達到實驗結果的真實性。在實驗設計中增大科技含量，展現(xiàn)了大量實驗室無法看到的實際工程場景以及水輪機、發(fā)電機等電動機的內(nèi)部工作場景。而且實驗設計注重視覺效果，使呈現(xiàn)給學生的畫面美感十足，帶來真實的視覺沖擊。虛擬仿真實驗設計方案如圖1所示。驅(qū)動用電動機的原理與設計過程認知，包括油田潛油電機介紹、工作原理闡述、電機設計要點說明以及設計軟件介紹。二是各類采油設備驅(qū)動用電動機組裝與運行場景認知，包括海上油田潛油電機運行場景認知，陸上油田潛油電機運行場景認知—無桿和陸上油田潛油電機運行場景認知—游梁式。三是各類采油設備驅(qū)動用電動機不同工況下運行特性實驗，包括空載實驗、短路實驗、負載實驗和潛油電機的M-S曲線測繪。四是各類采油設備驅(qū)動用電動機溫度實驗，包括熱電偶測溫系統(tǒng)、樣機的負荷及驅(qū)動、電機運行環(huán)境的模擬、潛油電機樣機溫度測試。虛擬仿真實驗能夠使學生熟練掌握電機空載、負載、參數(shù)測定等基本實驗的實驗方法，加深對理論課教學內(nèi)容的理解與掌握，學會并掌握電機基本實驗的操作規(guī)程和各種儀器的使用方法，從而培養(yǎng)學生綜合運用所學專業(yè)知識的能力，提高學生的綜合設計能力。虛擬仿真實驗具有以下功能：一是創(chuàng)設實驗室真實環(huán)境；二是展現(xiàn)局部細節(jié)(包括電流的流動、磁場的旋轉(zhuǎn)等)；三是展示動態(tài)圖；四是引導操作者識別所有環(huán)節(jié)，如有遺漏，可提示；五是有提示模式和考試模式兩種展現(xiàn)方式。提示模式每次操作前都會出現(xiàn)相應提示；考試模式操作前無提示，當出現(xiàn)錯誤操作時顯示警示框，同時后臺進行相應的扣分處理。

2虛擬仿真實驗項目考核評價方法

本虛擬仿真實驗項目考核評價方法主要包含5個方面。

2.1預習考核

實驗之前學生需要預習，查閱文獻資料，完成預習報告，教師對該環(huán)節(jié)進行考核。該部分占總成績的10%。

2.2認知考核

學生需要通過軟件進入相應環(huán)節(jié)，了解實驗目的、實驗原理、認知深井油田采油設備驅(qū)動用電動機結構、認知實驗場地與儀器設備。該環(huán)節(jié)完成后，教師對學生進行相關知識考核，再進入實驗操作環(huán)節(jié)。該部分占總成績的10%。

2.3操作考核

學生的實驗操作步驟應正確、規(guī)范，實驗態(tài)度認真。如某些環(huán)節(jié)操作有誤，進行相應扣分。例如，接錯實驗設備要扣除相應的實驗操作分，錯一步扣5分；實驗數(shù)據(jù)記錄錯誤也要扣除相應的實驗操作分，錯一個實驗數(shù)據(jù)扣5分。該部分占總成績的30%。

2.4數(shù)據(jù)處理考核

數(shù)據(jù)處理準確，分析合理。例如，通過數(shù)據(jù)采集獲得空載特性曲線與短路特性曲線等，要求數(shù)據(jù)正確，曲線規(guī)范。該部分占總成績的20%。

2.5實驗報告考核

完成實驗后需要在系統(tǒng)中提交實驗報告。報告應包含完整的實驗目的、原理、步驟，以及對實驗結果的分析、討論，思考題解答。報告中缺少相應內(nèi)容或者有不完善的、思考題解答有錯誤的均扣除相應分數(shù)。該部分占總成績的30%。

3虛擬仿真實驗的創(chuàng)新之處

3.1教學方法創(chuàng)新

虛擬仿真實驗采用線上線下混合式教學模式，真正達到能實不虛、虛實結合[4-6]。第一，提供了與現(xiàn)場一致的實驗場景，與真實設備的原理、結構和性能一致的虛擬設備。利用這些虛擬設備可以開展更加靈活的實驗形式，根據(jù)教學需要進行分組和組合，而且操作方式、內(nèi)容與真實設備一致。虛擬仿真實驗給予學生身臨其境的體驗，極大地調(diào)動了學生的積極性和主動性，有利于培養(yǎng)學生的工程意識。第二，虛擬仿真實驗涵蓋了海上油田和陸上油田的全部運行設備，并與機電設備運行的知識深度融合，按照實際的運行任務開展實驗。學生通過操作、觀察和分析，能夠?qū)⑺鶎W知識和技術與實際設備運行聯(lián)系起來，有利于形成完整的知識體系。第三，基礎性操作、綜合性操作和復雜性操作相結合，以能力輸出為導向，循序漸進地提升學生的實踐能力。學生通過基礎性操作掌握標準流程和規(guī)范，形成基本概念；通過綜合性操作形成綜合思維，重構知識體系；通過復雜性操作培養(yǎng)學生緊急事故處理的能力，進一步提升其工程實踐能力。

3.2評價體系創(chuàng)新

評價體系方面的創(chuàng)新在于借助虛擬仿真實驗的模塊化授課模式，將課前預習和課后答疑等環(huán)節(jié)納入虛擬仿真實驗過程中，從而實現(xiàn)全教學過程的考核評價，例如，在虛擬仿真實驗正式開始前設置了基本知識學習環(huán)節(jié)。這樣學生從基礎知識學習到實驗，再到最終的實驗報告提交，每個環(huán)節(jié)均有相關數(shù)據(jù)收集并納入總成績的評價中，能夠全面反映學生的實驗效果[7]。

3.3原有教學的延伸與拓展

原有教學的延伸與拓展方面的創(chuàng)新在于將原來以書本和觀看視頻為主的教學方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿藱C交互式的虛擬仿真實驗教學方式。一方面，將抽象枯燥的書本內(nèi)容可視化，另一方面，將學生無法接觸到的各類采油設備驅(qū)動用電動機實驗變?yōu)槊總€人都可以上手一試的虛擬仿真實驗，對教學內(nèi)容進行了拓展，有助于培養(yǎng)具有寬廣眼界和專業(yè)知識的卓越工程師。

4結語

虛擬仿真實驗彌補了各類采油設備驅(qū)動用電動機實驗無法完成的缺陷，而且不具危險性。通過虛擬仿真實驗，熟悉和掌握各類采油設備驅(qū)動用電動機的結構、工作原理、設計方法、工作過程與測試技術；培養(yǎng)學生的基本操作技能，提高學生的實驗設計能力和實驗現(xiàn)象的分析能力，鍛煉學生對實驗過程中出現(xiàn)問題的分析和解決能力，進而提高其在真實實驗中的動手能力。

作者：艾萌萌 夏云彥 徐永明 單位：哈爾濱理工大學電氣工程與電子信息學院