基于虚拟仿真实验系统的电气工程专业教学改革与实践

苏勋文　王笃亭　朱显辉

摘 要：结合黑龙江科技大学电气工程专业省级虚拟仿真实验室的建设，指出电气工程实践基地硬件实验平台的弊端，提出虚拟仿真实验系统的建设思路和规划方案，探索结合虚拟仿真实验系统的实验教学改革和课程教学改革，给出相应的培养方案。以PSCAD/EMTDC仿真平台为例，说明了该实验系统可有效服务于电力系统分析课程的教学与实验。

关键词：电气工程专业；教学改革；培养方案；虚拟仿真实验系统

中图分类号： G434 文献标识码： A 文章编号： 2095-7394（2016）04- 0090-04

高校的实验室建设长久以来以硬件实验平台为主。以黑龙江科技大学为例，经过十几年的建设和发展，建成了国内领先的电气工程实践基地，依托该实践基地，电气工程实践课程于2007年被评为国家精品课。2007年，已经建立了32个电类本科实践基地。但从近几年来看，基于硬件装置的电气工程实践基地出现以下四个问题[1-2]：（1）实验室建设费用高昂，电子元器件使用寿命、更新换代等问题，使得实践基地的后期维护费用较高。（2）教师实验教学和管理工作量较重，由于众多实践基地需要日常维护，使得实验教学受师资力量的限制。（3）教学目标难以落实，培養学生的动手能力、设计能力和创新能力是实验教学的重要目标。但是目前的硬件实验平台设备一般趋向于模块化，大多数实验就是在模块上直接测试参数，使学生失去了动手的机会，难以激发学生的学习兴趣和创新热情。（4）危险实验难于实现，有些实验可能因误操作会造成设备损坏或危害人身安全。

建设虚拟仿真实验室是解决上述问题的有效途径。在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可在相关软件平台上自主设计实验，有利于培养操作能力、设计能力和创新意识。虚拟仿真实验室的建设成本相比硬件实验平台实验室建设成本更低，更易于维护。学生可以不受实验场地的限制和实验时间的限制，对于有些实验学生可以选择利用课余时间在学生宿舍完成。[3-6]

黑龙江科技大学的电气工程虚拟仿真实验室是首批黑龙江省虚拟仿真实验室建设项目，下面将对实验室的建设规划、相应的培养方案修订和课题教学改革进行详细的阐述，并通过举例说明虚拟仿真实验室在课程和实验中的教学应用。

1 电气工程虚拟仿真实验系统的建设规划

为完成黑龙江省电气工程虚拟仿真实验室的建设任务，提出了建设规划。

（1）整合已有的电类本科实践基地，分成专业实验室和基础实验室，保留基础实验室统一管理，把专业实验室下放到专业教研室，这样解决了众多工程实践基地的日常管理问题。缩减工程实训课程学时，将原有的工程实训课程整合到教学课程的实验中。

（2）采用虚拟仿真实验技术对现有实验室进行改造，结合校园网建设，利用网络技术、接口技术、虚拟现实技术，为将来实验室和学生宿舍的网络实现互联。将实验室硬件数据接口与软件相连，通过网络学生将可以根据自己的时间来安排实验，也可多次重复实验过程。

（3）购买相关软件产品，相关软件有于LabVIEW、StarSim、PSCAD/EMTDC、DIgSIlent/powerfactory以及PSS/E等。下面以LabVIEW和PSCAD/EMTDC为例进行说明，基于LabVIEW的电力与电力电子仿真教学软件，可以用来模拟电路，电力电子系统，传统电力系统的仿真。结合图形化界面，可以用来在计算机上建立起虚拟实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，并可实时显示仿真波形，方便直观。使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验。

PSCAD/EMTDC是目前世界上被广泛使用的一种电力系统电磁暂态仿真分析软件，它即可以研究电力系统时域和频域计算仿真、交直流电力系统、高电压问题，又可以进行电力系统谐波分析及其电力电子仿真。学生可以利用该软件虚拟仿真平台，搭建仿真模型，研究基础理论，探索电气工程前沿课题，可用于研究生的培养以及教师的科研活动。目前，学校已经购买了相关仿真软件。

（4）根据电气工程虚拟仿真实验系统的建设，进行相关课程的实验和教学改革，并调整专业的培养方案。

2 结合虚拟仿真实验系统的实验和教学改革

2.1 培养方案的修订

首先，减少基于实物硬件平台的专业工程实训课程的学时，缩减实训项目。其次，增加相关软件的学习课程，比如在最新版培养大纲中增加了课程编号为1302067的PSCAD/EMTDC在电力系统应用和课程编号为1302014的Matlab语言及在电力系统应用。再次，根据虚拟仿真实验系统调整相关课程的实验学时。最后培养方案中加入前沿课程，如风力发电技术、高压输电技术、智能电网技术、新能源发电等课程，这些课程的开设可以扩宽学生的知识面，而且利用电气工程虚拟仿真平台工具来讲授上述课程，取得了较好的教学效果。

2.2 基于虚拟仿真系统的实验教学改革

实验改革的原则是减少硬件实验平台的试验次数，增加相应的仿真实验，例如利用WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验台做同步发电机并网实验时，可以只做一次演示实验，然后学生利用MATLAB/SIMULINK等仿真平台搭建实验模型，完成实验步骤，观察并网的冲击电流大小及其影响因素。对于危险的实验采用虚拟仿真系统实现实验教学代替硬件实验平台，比如利用PSCAD/EMTDC仿真平台进行高电压技术课程的实验教学。另外，以网络技术、接口技术、虚拟现实技术为将虚拟仿真实验室建成开放性实验室。具体操作是教师搭建系统模型、生成可执行文件、上传校园服务器。学生通过下载服务器上的可执行文件、运行程序、观看系统模型的运行过程、通过手动自己调节更好的理解。这样学生可以在寝室里通过电脑联网实验室做虚拟实验，课程的验证性实验和综合性实验可以反复做，实验将不再受时间和地点限制。下面以基于LabVIEW的电子技术实验教学为例说明虚拟仿真实验室的教学模式，实验可以分为三个层次，认识验证性实验，设计综合性实验和开放性实验。除正常实验教学外还可以选作一些趣味性的实验，如彩灯控制、交通灯控制等控制电路以及各种报警电路等。为培养学生的科研和动手能力，也可进行难度较大的综合性实验，如“数字钟”实验，这是数字电路中计数、分频、译码、显示及时钟脉冲振荡器等组合逻辑电路与时序逻辑电路的综合应用。

2.3 基于虚拟仿真系统的课程教学改革

对于课堂教学，鼓励教师在课堂上利用电气工程虚拟仿真系统进行授课，将理论与实际联系在一起，使得学生在最大程度上接受与掌握理论知识，进而提高学生的学习兴趣。表1给出了虚拟仿真系统与电气工程主要课程的关系。

下面给出PSCAD/EMTDC仿真平台的两个教学实例，图1给出了同步发电机负载变化时发电机和励磁系统的接线图。图2给出了其输出动态曲线。

3 结语

根据电气专业课程的特点，结合电气工程虚拟仿真实验系统建设和规划，进行相应的实验教学改革和课程教学改革，从培养方案、课程设置、实践基地的改造、实验课程、教学课程方法等方面进行一系列改革，为电气工程省级虚拟仿真实验室的顺利建设和将来冲击国家级虚拟仿真实验室奠定了良好基础。

参考文献：

[1] 周洪，刘超，何珊等.电力生产过程虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验技术与管理， 2014，38（8）：1-8.

[2] 罗萍，吕霞付.虚实结合电气类实验实训教学模式的研究与应用[J].教育教学论坛，2015 （50）：248-249.

[3] 吴涓，孙岳民，雷威，等.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理， 2014，31（10）：5-9.

[4] 欧阳星明，姚小龙，谢欣荣.网络虚拟实验室的设计与实现[J].计算机工程，2004，30（2）：185-187.

[5] 张柳，高阳，邹全平.电气专业虚拟仿真实验基地的研究建设与实践[J].职业，2015 （36）：122-123.

[6] 高辉，王乃艳.智能电网虚拟仿真实验教学探讨[J].中国电力教育，2014 （17）：94-95.

责任编辑 祁秀春