虚拟实验在“电工电子学”教学中的应用

李 芳，刘润华，任旭虎

(中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 青岛266580)

“电工电子学”是非电类专业的一门实践性课程。近年来，随着多媒体技术的发展，利用计算机对实物实验进行模拟成为可能。我们构建了电工电子网络虚拟实验平台，并将虚拟实验引入课堂教学，有效地将理论教学与实验教学进行了融合。

1 虚拟实验平台的构建

电工电子学虚拟实验平台主要由基本电路实验、模拟电路实验、数字电路实验和电机控制实验四部分构成，如图1所示。基本电路与模拟电路两类实验，由于不同实验之间差异较大，我们对每个实验进行了单独的设计。

图1 虚拟实验平台结构框图

对于数字电路实验，我们采用组件化和标准化的设计思路，构建了“标准器件库”［1］。另外对于所有实验具有的公共功能，如:布线/拆线功能、连线正确性检查、电路逻辑功能的模拟和输出结果的计算等专门抽取出来，形成“公共功能组件”。凭借“标准器件库”和“”公共功能组件“”开发了功能强大的数字电路实验通用平台［2］。

对于电机控制实验，由于学生需要通过实验掌握各种控制电器内部主要部件的工作原理，我们将按钮、交流接触器和热继电器等主要控制电器作剖面处理，模拟并彰现其内部结构。而对所有实验的公共功能仍形成“公共功能组件”。

2 虚拟实验在教学中的应用

2.1 理论教学中的应用

在“电工电子学”课程中有些概念较为抽象，比如电机控制部分，学生对于控制电器的内部结构及相关动作缺乏直观感性认识，即便在实验室进行相关实验操作，学生也只能看到外部动作结果，不能直观地看到控制电器内部部件的相关动作。我们通过虚拟实验，弥补了上述不足。

下面以电动机点动控制电路为例加以说明，具体电路如图2所示。首先按实验要求连接好电路，如图2(a)所示。合上闸刀开关，这时由于未触动启动按钮，电机处于停止状态，如图2(b)所示。按下启动按钮，接触器线圈通电，促使动铁心左移，带动常开主触点闭合，电动机通电运行，结果如图2(c)所示。如果松开启动按钮，线圈失电，从而使得动铁心在支撑弹簧的作用下右移，带动主触点恢复常态，电动机停止转动，恢复到图2(b)所示状态。

通过理论教学时的演示，学生不仅可以直观地看到电动机的点动运行状态，还可以清楚地看到按钮和交流接触器内部相关部件的连动过程。整个教学过程无需过多说明，学生就能理解和掌握这个控制电路的工作原理，同时对各个控制器件的工作机理也有了更深的了解。

图2 虚拟场景下异步电动机的点动控制电路

2.2 实验教学中的应用

我们现以数字电路中“组合逻辑电路的设计”实验为例进行讨论。学生通过组合逻辑电路的学习，就可在平台上自行设计一些实用电路，如三人表决电路、交通灯失灵检测电路和电动机故障报警电路等。这些电路是否满足设计要求，只需通过平台测试即可。图3是根据设计方案，选用集成芯片74LS00 和74LS10 设计生成的三人表决电路。在平台中提供了种类齐全的基本元器件、集成芯片和仪器设备，学生可以在其中选择符合自己设计要求的芯片和仪器设备。实验过程中所有操作(包括接线和测试数据)与实际过程相似，操作起来非常方便。学生在发现问题时，可及时通过调整电路参数或优化电路结构进行处理，甚至还可对实验电路进行故障测试，而不必担心元器件和仪器设备的损坏。

由于虚拟实验是计算机环境下的操作，学生开展实验不再受到空间和时间的限制，完全可以根据自己的学习进度安排实验。另外，实验项目的开设不再受到实验条件的约束，使学生可以充分发挥主观能动力和创造力。

图3 数字电路虚拟操作平台—三人表决电路

3 结语

本文阐述了虚拟实验平台的构建思想以及在理论和实验教学中的应用。我们认为虚拟实验作为一种新的实验教学手段，有效地搭建起了理论知识和实践环节之间的联系。通过虚拟实验这种实验形式，不仅可以解决理论教学中的一些难点问题，还可缓解目前制约实验教学发展的各种客观因素所带来的问题，也为将来开展开放式实验教学和创新性实验教学提供了有利条件。

［1］ 范新伟，申瑞民，申丽萍. 虚拟实验标准化的研究和解决方案［J］. 北京:计算机仿真，2005，22(1):175-179.

［2］ 周鹏，李芳. 数字电子技术虚拟实验系统的建设与应用［J］.北京:现代教育技术，2009，19(2):121-123.

［3］ 孙俊卿，罗云林，黄建宇等. 虚拟电工电子实验平台在基础实验教学中的应用［J］. 天津:实验室科学，2009，6:119-122.