虚拟仿真技术在电机学课程教学中的应用研究

董淑惠 李建文

摘  要：随着信息技术的飞速发展，虚拟仿真技术在电机学课程教学中具有广泛的应用前景。高校通过虚拟仿真技术来构建电机学虚拟仿真实验室，使抽象概念具体化，进而帮助学生更好地理解知识。文章重点研究虚拟仿真技术在电机学课程教学中应用的必要性、电机学课程传统教学存在的问题，并深入探讨虚拟仿真技术在电机学课程教学中的应用策略，希望为高校电机学课程教学提供技术支持与理论参考。

关键词：虚拟仿真技术;电机学;存在问题;应用策略

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）14-0058-04

Abstract： With the rapid development of information technology， virtual simulation technology has a wide application prospect in the teaching of electrical engineering courses. Colleges and universities construct virtual simulation laboratories of electrical engineering through virtual simulation technology， which makes abstract concepts concrete and helps students to understand knowledge better. This paper focuses on the necessity of the application of virtual simulation technology in the teaching of electrical engineering， and the existing problems in the traditional teaching of electrical engineering， and probes into the application strategies of virtual simulation technology in the teaching of electrical engineering， hoping to provide technical support and theoretical reference for the teaching of electrical engineering in colleges and universities.

Keywords： virtual simulation technology; Electromechanics; existing problems; the application strategy

电机学是电气类专业、自动化专业等相关专业的一门具有较强综合性的基础课程，该课程的内容主要涉及变压器、直流电机、电磁场等相关知识，需要学生具备大学物理、高等数学等多学科知识来分析电机的工作原理、运行特性，并具备解决工程实践问题的能力。由于该课程涉及抽象概念、基本原理、公式推导较多，需要学生具备良好的想象力和思维能力，学生理解起来较为困难，学习效果不佳。鉴于此，本文在电机学课程教学过程中引入虚拟仿真技术，帮助学生直观认识电机学的内部机理，让学生在仿真的实训教学环境中探究和学习，有助于激发学生的学习兴趣，提高学生应用电机学知识解决工程实际问题的能力，进而提升电机学课程教学效果。

一、对虚拟仿真技术的理解

（一）概念

虚拟仿真技术是集互联网共享技术、传感技术、人工智能等多项技术相结合的产物。在实际应用中，其通过人机交互、传感器、计算机图形等来模拟仿真现实仪器设备和实验环境，创造一个三维立体的虚拟空间。在虚拟空间中，利用虚拟仿真、场景模拟等方式实现场景转换，让学生体验不同场景，同时还可亲自操作，与虚拟场景进行动态交互，帮助学生理解抽象知识。

（二）优点

一是资金投入少。购买真实的仪器设备需要大量资金，且设备容易损坏和老化，需要定期维护，增加了教学成本，而运用虚拟仿真技术可减少资金投入，无须购买真实的仪器设备，且能根据教学内容创设出不同的仿真环境。二是灵活性好。虚拟仿真教学不受场地的限制，使教学过程不再抽象化，学生也可借助虚拟仿真平台灵活地进行实践操作，反复练习教学难点。三是新颖性高。学生在虚拟仿真環境中能从不同角度观察电机模型，学习科研前沿和较新的知识，有助于激发学生的创造力。

二、虚拟仿真技术在电机学课程教学中应用的必要性

电机学课程内容抽象难懂，仅依靠教师口头阐述学生很难理解，学校需要增加工程实践类的内容，帮助学生在实践中理解并掌握所学知识。然而，高校的实验条件有限，不能满足学生的实践操作需求。因此，有必要在电机学课程中应用虚拟仿真技术，用仿真手段向学生直观演示抽象内容，进而改善教学质量。

（一）有助于调动学生学习的积极性，培养学生的创新能力

将虚拟仿真技术应用于电机学课程教学中，改变了传统“教师讲学生听”的教学模式，有助于教师直观地讲解知识。教师可以利用虚拟仿真平台当堂进行实验教学，将抽象难懂的理论知识转化为实践操作过程，加深学生对知识的理解。另外，学生在虚拟仿真中可以突破现实中的限制，有效发挥自己的想象力和创造力，在虚拟仿真系统中自己设计电路，对仿真参数进行调试，可通过线上管理系统随时向教师提出疑问，教师进行答疑。整个过程中，教师起主导作用，引导学生独立完成电路的设计、仿真参数的调试过程，进而有效调动学生学习的积极性，提高学生分析问题、解决问题的能力和创新能力。

（二）有助于更好地锻炼学生的动手操作能力

目前电机学实验教学存在电机设备昂贵，数量少，设备型号陈旧等问题，只能分小组进行实验教学，5～6个学生才能分到一台设备，减少了每个学生进行实践操作的时间，导致部分学生失去实验兴趣，不利于学生动手操作能力的培养。虚拟仿真技术的应用为学生创造更好的学习环境，打破时间和地点的限制使得电机学实验教学不必在实验室完成，摆脱了电机设备的束缚，学生可以自由安排实验时间和地点，只需要在自己电脑上登录账号即可进入虚拟仿真实验室，在虚拟仿真场景中直观地认识虚拟电机设备的构造，以及设备各参数的动态变化过程，自主进行虚拟仿真实验的操作，进而深入了解电机设备运行的原理。这样既避免了现实场景中因学生围观而看不仔细的情况，又能确保每个学生都能动手操作，激发学生动手操作的兴趣，同时在模拟实验中还可以反复操作，进而更好地锻炼学生的动手操作能力。

（三）有助于完善電机学实验课的评价方式

由于在传统的电机学实验课教学过程中，学生多处于围观状态，仅有少量同学进行实践操作，教师无法对学生的实验操作过程进行评价，主要考察学生的出勤情况，并对学生的实验报告进行打分，而实验报告存在学生抄袭的现象，这样一来大部分学生实验课成绩相差不大，导致学生对电机学实验课学习的热情降低。而虚拟仿真实验平台可以自动记录学生的实际操作过程，教师可通过虚拟仿真实验平台评价学生的实验操作过程，并结合学生最后的实验报告，科学、客观、全面地综合评价学生的学习效果。当然，对于在虚拟仿真平台上操作不合格的学生，还可以进行重复学习和操作，以深入理解并掌握所学知识。

三、现阶段电机学课程教学存在的问题分析

（一）课程教学方式单一，学生学习兴趣不高

互联网技术对教育领域产生了积极的推动作用，教师对教学方式的选择直接关乎教学质量的好坏。尤其是电机学课程内容晦涩难懂，电机磁场看不见摸不着，电机内部磁场耦合关系很难直观地描述出来，这就需要教师运用互联网技术辅助教学，以增加教学的趣味性，使抽象内容形象化，便于学生理解，进而有助于提高课堂教学效率。然而，现阶段，电机学课程教学方式单一，大多数教师主要运用多媒体技术进行教学，长此以往，学生产生视觉疲劳，加之课堂上缺少互动环节，学生基本上没有发言的机会，导致学生逐渐失去学习兴趣。随着互联网技术的发展，新兴了微课、翻转课堂、虚拟仿真技术等教学工具，教师应该有效运用这些教学工具来丰富自己的教学方式，以提高学生对电机学课程的学习兴趣。但实际上，很少有电机学教师在课堂上运用这些新的教学工具，制约了电机学课堂教学质量的提升。

（二）课程教学内容落后，难以满足学生需求

时代在进步，电机、变压器、发电技术也在不断推陈出新，而电机学中涉及直流电机、异步电机、同步电机等多种类型的电机和多种变压器，通过学习促使学生掌握电机和变压器的基本结构、运行原理等知识，具有很强的时代性、理论性、工程实践性。目前，大部分教师主要以电机学课程教材内容为主，而教材的更新速度很难跟上时代发展的速度，特别是科研前沿、工程项目等内容涉及较少，教学内容落后，与生产实际相脱节，难以满足学生需求。此外，实验教学内容模式化，大部分是一些验证性实验，缺乏设计性实验。例如单相变压器、直流电动机的机械特性以及异步电机的调速综合实验等验证实验，在整个实验过程中，学生基本不需要思考，更无须创新，只需要按书本规定操作连接，照葫芦画瓢，得到实验结果即可。这些验证性实验只能培养学生的基本实验技能，不利于学生探究能力、创造性思维能力、动手能力以及运用知识去分析、解决问题能力的发展。

（三）实验设备存在局限性，影响学生对实验内容的理解

一是电机学课程实验中需要用到多种仪器设备等，包括各种直流电机、异步电机、同步电机以及各种变压器等大型设备，这些设备价格昂贵且占用实验室场地大，高校购买数量少。随着电机控制技术的不断发展，新类型的电机层出不穷，而购买新型的电机需要大量的资金支持，当前高校电机实验室资金和空间有限，以至于许多设备都没有及时更新，学生很难接触到新款电机设备，限制了学生对各类新型电机的应用，致使所学知识和实践技能已经过时，加之设备数量有限，更无法确保为每位学生提供实验创新的机会，导致学生失去实验兴趣，因而动手能力较差。二是由于现行装备仅利用过流保护、短路保护、过压保护等方式来保护电路，缺少欠压和掉相保护等功能，设备容易产生故障，加之使用量大，尤其是电阻箱，完好率非常低，导致学生在实验过程需要消耗一大部分时间去解决设备老化或损坏带来的问题，影响学生对实验内容的理解。三是大功率型的电机在使用过程中也存在人身危险因素，实验设备的可操作性有限，在实验过程中不能看到各参数的动态变化过程，导致学生难以理解设备运行原理。

（四）实践教学流于形式，教学效果不佳

电机学课程涉及电压、电流、电磁场等参数，内容抽象难懂，很难用通俗易懂的语言描述出来，需要将理论教学与工程实际相结合，促使学生在实践中领会知识，进而提高教学效果。然而，现阶段电机学课程实践教学存在明显不足，实践教学流于形式，教学效果不佳。一是教师重理论轻实践，实验课程的时间较短，次数有限，导致学生积累的实践经验不足，难以掌握所学内容。事实上，电机学具有很强的实践性，倘若学生仅仅是学习理论知识而很少去动手实践，那么就不能深入理解各类电机的工作原理和特性，就不具备实践创新能力和解决实际问题的能力。二是互联网时代，学生容易接受线上学习+线下实训的方式，需要自由的学习时间，而现实中受教学时间与资源的限制，难以满足学生自主学习的需求，教学效率和学习效率不佳。三是缺乏一支专业的实践教学队伍。大部分教师缺乏工程实践经验，遇到实际问题，只会纸上谈兵，无法保证电机学课程实践教学的质量。

四、虚拟仿真技术在电机学课程教学中应用的具体策略

针对电机学课程教学存在的问题，将虚拟仿真技术融入电机学课程教学过程中，使得课程教学不受空间、时间、设备数量和类型等方面的限制，能结合电机学课程需要来设计虚拟仿真资源，促使学生可以自由地进行实验操作，有效解决实验成本高、危险性高、操作复杂等问题，显著提高学生的参与感，有助于培养学生独立思考、独立操作以及分析、解决问题的能力。

（一）实现传统教学方式与虚拟仿真教学方式的有效融合

传统教学方式的优势是能发挥教师的主导作用，更好地管理学生，能短时间内将教师理解的教学内容传递给学生，但容易让学生产生依赖心理，不能有效调动学生学习的积极性，同时对于较难描述的抽象内容，也不利于学生掌握。虚拟仿真教学则能有效发挥学生的主观能动性，真实再现设备内部结构及各参数的动态变化过程，有助于学生深刻理解所学知识，但由于学生自控能力不强，不同学生的学习能力、理解能力不同，容易产生教学进度不统一的问题。这就需要将传统教学模式与虚拟仿真教学方式有效结合起来，更好地提升教学质量。例如，在讲解异步电动机工作原理时，教师可首先利用PPT课件、网络教学视频等资源对课程内容进行讲解，将自己多年来对电机工作原理的理解概括为几个方面，并与学生互动交流，帮助学生理解;然后运用虚拟仿真技术，直观地讲解电机内部复杂的结构以及电磁转化过程;接着让学生在三维仿真环境中自由探索电机结构并进行实践操作，进而产生较好的教学效果。

（二）結合时代发展与学生实际需求，完善课程教学内容

1. 运用虚拟仿真技术，优化课程教学内容

随着虚拟仿真技术的不断发展，虚拟仿真教学的优势越来越明显。因此，高校应结合时代发展与学生实际需求来合理规划电机学课程教学内容，并把握好虚拟仿真教学的优势，增加方便学生独立学习的资源。在电机学课程讲授过程中，应利用虚拟仿真软件来辅助课程具体事例的讲解，以便将抽象的电机结构、原理以更加直观的方式表现出来，确保学生更好地掌握课程重难点。例如在讲解电机运行情况时，在教材传统内容的基础上，可运用虚拟仿真软件MATLAB和Sim ulink工具箱程序来进行简单的仿真设计，通过建立仿真模块和调试参数来动态地显示电机的运行情况，便于学生理解，进而提高学生的学习效率。

2. 将科研工作融入课堂教学，丰富课程教学内容

将科研工作融入授课过程中，以拓宽学生视野，确保教学内容与时俱进。例如，三相异步电动机的启动、调速和制动常常出现在教师科研课题中，教师可以在授课过程中提出课题设计的基本要求，并分小组讨论课题设计内容，教师预审之后，对学生设计的实施方案进行评价，学生结合虚拟仿真软件，对自己的设计性实验进行操作，并处理实验数据，撰写实验报告。在整个过程中，学生主动构思课题设计内容，提高了学生的课堂参与感，有助于实现“虚拟仿真技术-理论知识-思考能力、探究能力、创新能力、实践能力”的转化，保证教学效果。

（三）加强校企合作力度，将虚拟仿真教学与企业实训相结合

电机学具有很强的实践性，在运用虚拟仿真技术辅助实践教学的同时，也要加强校企合作力度，建立良好的合作机制，实现虚实结合，进而真正提高电机学课程教学质量。一是利用虚拟仿真实践教学平台来辅助课程实践教学。学生在学习完一定的理论知识后，可在虚拟实验平台上根据自己的需求选择实验项目，进行实验操作。在实验操作过程中，师生可在虚拟仿真实践教学平台上进行互动与交流，实验结束后，平台会自动记录学生的实验操作过程，实验管理模块会结合学生实验步骤的得分情况对学生学习能力、学习效果给予评价，反馈给学生与教师，帮助学生调整学习侧重点，帮助教师有针对性地改进教学方法。二是学校应开发校企联合项目，让学生参与企业实际工程项目，操作真实的仪器设备，这样既有助于电机学课程教学与行业需求接轨，拓宽学生的就业渠道，又有助于锻炼学生的探究能力、创新能力、动手操作能力。三是组织学生去企业实践基地现场进行参观，在现场由教师对各类电机的结构、运行原理等基础知识进行讲解，并邀请电气类专业方面的专家来指导实践教学，在企业实践基地对学生进行电机学实验设计培训，以确保实践教学的有效性，需要注意的是，在整个过程中要考虑学生安全、企业实训的时间等因素。

（四）建立一支专业的实践教学队伍

互联网时代，大部分电机学课程教师的虚拟仿真技术运用能力和实践能力不足，导致电机学课程实践教学流于形式，因此，高校应建立一支专业的实践教学队伍。第一，提高教师的虚拟仿真技术的应用能力。学校可邀请虚拟仿真技术应用方面的专家来校开办讲座和学术交流活动，指导教师的实践教学，以提升教师运用虚拟仿真技术辅助电机学课程教学的能力，进而更好地指导学生的实践教学。第二，定期组织电机学课程教师去企业培训，促使教师增加企业工程实践经验，并将其运用到电机学课程教学中去，指导学生在实践中灵活地应用所学知识，培养学生的实践创新能力和解决实际问题的能力。第三，学校还可以引进具有丰富理论知识且具有企业工程实践经验的人才来校任教，以壮大电机学课程师资队伍，进而促进电机学教学质量的提升。

五、结束语

总之，与传统电机学课程教学模式相比，虚拟仿真教学能将抽象概念具体化，改善了教学效果，同时，虚拟仿真教学限制条件少，不受实践时间与地点的限制，促使学生更自由地学习与实践，增强学生实践的积极性。教师应合理运用虚拟仿真技术的优势，更新电机学课程教学内容与方式，并结合传统实物教学模式，将二者有效结合，进而培养出满足时代发展需求的应用型人才。

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基金项目：2018年河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于3D虚拟增强现实技术的《电机学》多元混合式教学方法应用研究”

（2018GJJG397）;2020年河北省教学改革项目“融入课程思政的《电机学》对分课题研究”（2020GJJG619）;华北电力大学校级教改项目“基于 Web 3D技术的‘电力电子技术’课程虚拟混合教学平台开发与实践研究”（无编号）

作者简介：董淑惠（1978-），女，汉族，青海西宁人，硕士，副教授，研究方向为风力发电控制研究。