突出设计能力培养的电工电子虚拟平台建设

彭莉峻， 杨 蕊

(西安建筑科技大学 机电学院， 陕西 西安 710055)

突出设计能力培养的电工电子虚拟平台建设

彭莉峻， 杨 蕊

(西安建筑科技大学 机电学院， 陕西 西安 710055)

针对全实物电工电子实验教学平台在培养本科生实践能力过程中的缺乏创新空间等缺点，根据实验课程特点，以培养学生综合设计能力为出发点，建设了虚拟实验平台，开展“虚实结合”的教学模式。实验教学实例表明，该平台的建设有效提升了学生完成设计的能力和基本的工程及科研素养，教学效果得到极大提升。

虚拟实验；电工电子；设计能力；实验教学改革

0 引言

我校电工电子实验中心面向全校土木工程、环境工程、机械电子工程等20个非电类专业学生开设电工电子实验课程。这些基础实验课程，在培养学生的动手能力、实践能力、创新能力等综合素质方面发挥着重要的作用。近年来，本中心在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》指导下，以全面提高学生创新精神和实践能力为目的，提出促进多学科交融和交流，建设有创新空间、体现专业特色的实验教学平台，有效提升实验实践教学在培养创新型人才中的作用[1]。

1 电工电子实验课程现存问题

1)全实物教学环境

长期以来，本中心开设的电工电子实验课程都是全实物教学模式，它对培养学生熟练使用专业电工电子仪器仪表，掌握基本的电工知识，同时具备工程人员应有的读图识物等操作技能发挥着重要的作用。但随着高等教育实验实践环节对学生、创新能力、设计能力的培养要求不断提高，目前这种全实物教学模式已显现出许多不足之处。

首先，出于对实验过程中学生和设备的安全考虑，现使用的实验操作板都是成套封闭的，学生面对的实验对象大多数仍然是与书本上一样的图形符号，实验过程是静态的死板的，学生很难认知到实际元件动态的工作过程，如图1所示。其次，在成套封闭的实验操作板上，实验项目相对固定，元器件数量有限，学生很难在现有实验操作板上完成自主设计的内容，这对于学生创新能力的培养是相当大的障碍。

(a)实验操作面板 (b)实验操作背板图1 全实物实验平台示例

2)共性培养模式

本中心面向全校非电类专业开设电工电子实验，实验的开设多以验证性内容为主，体现了共性培养的特点，未能体现电工电子技术与各专业的交叉，交融。举一个例子，在不断推广深入的创新创业大赛中，电工电子技术实验是其重要的训练环节[2]。但大赛要求的面向专业需求、综合设计能力培养的内容，本中心有限的实验资源是很难得到满足的。现代本科电工电子实验教学势必在传统实验基础上向创新性及研究性的方向转变[3-4]。

2 以虚补实的实验教学平台

自2013年国家开始开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，虚拟仿真教学成为教育改革的一个重点，其在延伸实验教学的时、空间上和节约设备资金投入等方面有着不可比拟的优势[5]。

本中心针对自身存在的问题，顺势开展了电工电子虚拟实验教学平台的建设，以体现专业特色、培养学生综合设计能力为出发点，利用虚拟实验平台开放、资源丰富，限制性小但效果真实等优势，选取能够充分体现相关课程大纲要求，同时具有较深的工程应用背景的实验内容和项目，通过与科研、工程实践结合紧密的实验训练，促使学生在扎实基本实验原理及理论知识的基础上，极大的激发其进行自主设计、创新的能力和积极性，培养本科生后续进行科研工作的基本素养。下面，就该虚拟实验教学平台上已开展的两项研究性实验为例，说明该平台建设成果。

2.1 RLC串联电路频率特性研究实验

在炼钢炉、稠油开采中广泛应用的中频加热电源其重要的环节之一就是RLC串联谐振电路[6]，RLC串联谐振电路实验也是电工技术类实验重要的内容之一，实验要求学生掌握寻求谐振点的方法，设计规定频率下串联谐振电路的参数。相较传统全实物实验中，学生面对固定的电路参数，在有限学时下，大都只能通过测量电阻两端电压大小来判断电路的状态，对实验的理解较为肤浅。且在实验过程中，一方面输出电压的稳定性对信号源的输出能力有很高要求，另一方面，如学生需进行自主串联谐振回路设计工作，参数的合理化验证是必经环节，但原先有限的实验操作板上难以满足多样化的需求，出现实验效果不理想的情况，在虚拟平台上就能够很好地克服其缺点，仿真实验线路如图2(a)所示。

虚拟平台下信号源频率的调整并不影响其输出电压的稳定性，学生不仅可以通过观测电流表I和电压表UR的读数找到准确的谐振点；还可同时观察电压、电流波形之间波形特点及相位关系，寻找谐振点，其表现示于图2(b)-图2(d)。还可将此方法应用到实际工程中信号源为非正弦波的场合，对帮助学生进行中频电源的设计和优化很有帮助。

(a)RLC串联谐振 (b)R=50Ω f=2.85kHz 电路仿真电路 电路谐振呈阻性

(c)R=50Ω f=2kHz (d)R=50Ω f=4kHz电路呈容性 电路呈感性图2 RLC串联电路频率特性仿真研究实验

通过该实验的训练，参与本科生科研训练项目《中频感应加热电源节能运行技术研究》项目的学生收到了良好的效果，学生通过反复进行虚拟仿真，在不消耗硬件条件的情况下，对该项目有较为深刻的理解，且对自行设计的参数在项目研究中将会出现的结果有正确的预期，避免材料的浪费及失误的发生。

2.2 PWM电机调速系统设计实验

脉宽调制PWM已应用于多种场合，包括开关电源、电机调速以及可对目前流行的LED进行无极调光等[7-8]，而运动小车的控制也是电子设计大赛每年必含的项目之一，其最基本的要求就是学生会使用控制器驱动电机。该实验项目就是要求学生掌握PWM波发生方法及电机的驱动方法。

传统的全实物教学平台下，学生初次接触该类开放的设计性实验往往采用网络上提供的电路，不进行线路分析思考和必要的验证，对出现的实验结果不能做出良好的解释，且容易出现烧坏芯片等事故。通过利用虚拟实验平台，在教师指导下，学生有目的地进行线路设计、分析，给出合理的设计思路和基本仿真实验结果，对实验效果能做到心中有数。

由于虚拟实验平台没有器件上的限制，学生根据自己的兴趣和先修课程的情况，设计电路如图3所示。

(a)555可调PWM (b)AT89C51可调PWM电机调速电路 电机调速电路图3 PWM电机调速系统设计实验

通过“以虚补实，虚实结合”的实验平台，学生能够更深层次的理解和观察实验，对完成实物搭建

更有信心，并具备解决调试中出现的问题的能力，设计性实验的成功率大大提高，同时由于参数选择有理有据，且具有先验性的仿真实验结果，对有限的实验室资源做到了最大化利用和节约。

3 结语

传统电工电子全实物实验教学平台是学生掌握电工电子基本知识和操作技能的基础，在不断强调综合创新、设计能力的高等教育培养模式下，构建体现虚拟实验教学平台，开展开放式、虚实结合的实验教学模式，培养学生设计能力和良好的科研素养，充分体现实验实践教学在培养创新型人才中的作用。

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室.《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》.2010.7.

[2] 刘宏,肖发远,黄朝志等.构建创新创业特色的电工电子实验教学体系[J].实验技术与管理,2011,28(1):137-139,155.

[3] 教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验中心建设工作的通知[Z].高教[2013]94号文件.

[4] 杜坤,张彪,魏万红等.生物学虚拟实验室的构建与应用[J].实验技术与管理.2015,32(9):132-136.

[5] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J],实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[6] 罗晓晔,胡美君,丁学恭等.一种提升中频加热炉功率因数的原理及方法[J].锻压技术,2007,32(5):160-164.

[7] 于洪国.稠油油井中频加热电源设计及控制方法研究[D].中国石油大学(华东),2007.

[8] 侯利朋,李杰,刘俊等.直流无刷伺服电机调速系统设计[J].计算机测量与控制,2015,23(6):2126-2127.

The Construction of Electrical and Electronic Virtual Experiment Platform for Comprehensive Design Ability Training

PENG Li-jun， YANG Rui

(Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an710055,China)

For the problems of traditional electrical and electronic experimental teaching platform in the process of undergraduate students practice ability training， according to the characteristic of the experimental course, To cultivate students' comprehensive innovation ability as starting point, the virtual experiment platform has been developed. Experimental teaching examples show that the construction of the platform effectively improved the students' ability to complete design and basic engineering and scientific research quality, teaching effect is improved greatly.

virtual experiment; electrical and electronic; design capability; experiment teaching reform

2016-07-25;

2017-03- 17

陕西省教育厅专项科研基金(14JK1427)；西安建筑科技大学教改立项课题(JG021525)；西安建筑科技大学青年科技基金(QN1627、QN1636)

彭莉峻(1986-)，女，硕士，工程师，主要从事电工电子技术实验教学及研究工作，E-mail：271483869@qq.com

G642.0

A

1008-0686(2017)04-0138-03