OBE理念下电工电子技术基础课程实验设计探索

马强　刘静

摘 要：基于成果导向的人才培养需要相关课程教学方法的改进。针对电工电子技术基础课程实验设计了虚拟仿真操作方式，能够有效解决学生独立完成实验的问题，客观反映同学对相关知识的掌握和运用能力，有助于教师对教学方法的进一步改进。

关键词：成果导向 课程实验 虚拟仿真 独立 教学方法

《电工电子技术基础》课程是湖北文理学院交通设备与控制工程专业的学科基础课程，对知识的应用能力有较高要求。该课程共设置12个实验项目，包含电路分析、交流电与电机、模拟电子技术、数字电子技术四部分内容，能够对理论知识的具体应用起到重要补充作用。一般情况下实验项目由同学通过对应的实验设备在规定的时间内操作完成，达到对相关知识的掌握情况的检测。在实际开展过程中，由于受到实验设备数量有限、设备老化等因素的影响，不能保证每个同学都可以独立完成相关实验，对同学是否真正掌握相关知识点的应用无法做出准确判断。因此该实验教学方法有待进一步改善。

虚拟仿真技术随着电子技术的不断发展逐渐成为重要的设计与分析手段。采用虚拟仿真的方法可以保证在设置相同的前提下，取得较好的一致性结论，特别适合应用于课程实验的操作。

OBE（Outcome Based Education，OBE）理念是一种以成果为目标导向的教育方式，它以学生为中心，让学生在完成最终目标的过程中可以发挥各自优势，采用所学的各种知识，可以充分体现学生的知识运用能力。

本文将以“星-三角转换器”设计实验为例，探讨OBE理念下如何应用Multisim仿真软件开展虚拟仿真实验设计与分析，为该课程的教学改革提供借鉴。

1 虚拟实验项目设计

“星-三角转换器”是异步电机降压启动的重要方式之一，该实验能够反映同学对电机绕组连接形式的理解和变换过程中电压、电流的改变情况。使用实验台进行该项实验容易造成台面连接线杂乱、连接错误后不容易判断改正等问题。将此项目变换为虚拟仿真实验可以避免以上问题。

1.1 实验目的设定

“星-三角转换器”的功能是对异步电机进行降压启动，从而达到降低启动电流、同电网其他用电设备安全运行的目的。因此本实验的核心内容有两点：一是同学独立完成星-三角转换器的电路结构（不包含继电器部分）；二是根据完成的电路进行数据测量并分析降压前后电压、电流及转矩之间的关系。

根据OBE理念，本虚拟仿真实验的实验目的为三个：

（1）学生能够正确完成星-三角转换器的电路图，并运行无误；

（2）学生能够选择并正确设置测量仪表，获得电压、电流等数据；

（3）学生能够对测量的数据进行正确分析，得到星三角降压前后的电压、电流及转矩关系。

1.2 实验操作

“星-三角转换器”的本质是将正常运行时三角形连接的定子绕组在启动的时候首先按照星型连接，在电机运行一定时间后自动再将定子绕组连接为三角形，工作原理如图1所示。

Multisim软件中虽然有异步电机模块，但是该模块的定子绕组却不能改变连接形式，因此不能直接使用。从OBE的角度，这里需要同学能够根据星三角变换的本质，自己寻找合适的元件，满足绕组连接方式变化的要求。

该实验的电路图主要由三个元件组成：三相电源、三相对称定子绕组和转换开关，其中三相电源选择元件库中“电源组”中“POWER_SOURCES”系列中的“THREE_PHASE_WYE”电源，如下图2。三相对称定子绕组可以认为由三个一样的RL电路组成，电阻R可以选择元件库中“Basic”组中“RESISTOR”系列中默认的1.0K欧姆的电阻。电感L可以选择元件库中“Basic”组中“INDUCTOR”系列中默认的1mH的电感，组合后的RL电路如下图3。对RL电路绘制过程再重复2次操作，获得一组对称的三相定子绕组电路。转换开关选择元件库中的“Electro_Mechanical”组中的“SUPPLEMENTARY_SWITCHES”系列中的“3PDT_SB”元件，如图4。双击这些元件，可以进入参数修改页面，针对实验需要进行参数修改。

将所有元件连接并整理，同时为便于观察，设置一个电压表测量A相绕组两端电压；设置一个示波器，用A通道观察电压UAB，用B通道观察A项绕组电压UA，设置一个探针用于观察A相中的电流，完整电路如图5。

转换开关初始位于星型连接状态。点击运行，在一定时间间隔后对转换开关进行切换操作，观察电压表读数变化和示波器波形变化。

2 实验数据分析设计

星三角转换器的作用就是降低电机启动时过大的电流，同时考察在降低电流的同时定子上电压的变化情况，因此设计了以下的基本数据表1：

完成实验项目建模后，运行仿真程序并根据表1进行数据记录，可以得出结论：使用星型连接进行电机启动时电流相对电机正常使用三角形连接运行时的电流小的多，最终实现降低启动电流的作用。图6-图8分别给出了两种连接形式下的电压、电流、波形。

3 实验改革成效分析

湖北文理学院交控专业开设的《电工电子技术基础》课程目前共有4个课程目标，其中三个课程目标由课程实验的数据来支撑，具体是：能够根据实验项目对实验数据进行正确采集与记录；能够利用实验数据对电工电子相关的基础理论进行分析与验证；能够在实验团队中体现组织协调能力。最后一个课程目标将由最后一个自主设计实验体现，2—3人形成一个小组，完成自主实验的设计、实现、采集与分析。

交控专业2021班通过完实验台成星三角转换器设计实验。由于实验设备只有11台，所以2—3人一组使用一台设备，不能保证每位同学独立完成操作，也不能充分发挥同学的主动性。而交控专业2022班通过虚拟仿真的方式完成该实验，每位同学通过电路分析、元件选择与连接、数据记录与分析等操作独立完成，实现了对相关知识的独立运用，掌握了该内容，达到了该实验的设置目的。

表2为课程实验改革前后不同年级同学的课程目标达成情况分析。通过对最后的课程分析情况可以看出：进行实验课程改革后同学们在实验相关的成绩有所提高，反映出了同学们的实践能力得到进一步锻炼，体现了现阶段开展教学方法改革的必要性。

4 结束语

课程实验是课程教学的重要组成，也是对课程知识点的应用体现。本文从OBE理念出发，对电工电子技术基础课程实验设计进行了改进，通过采用仿真实验的方式，实现每位同学都独立建模操作、独立运用知识、独立数据分析，充分反映了同学对相关知识的运用成效，也有利于教师根据同学完成情况进行针对性辅导和教学方法的改进。

基金项目：湖北文理学院教学研究项目“基于OBE 和CDIO 理念的交通控制课程群育人模式研究与实践”资助（编号JY2023052）。

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