虚拟仿真技术在“电机与拖动”课程教学中的应用与实践

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　　摘 要 结合"电机与拖动"课程的特点，阐述了虚拟仿真技术在“电机与拖动”课程教学中的可行性和重要性。同时，探索出一套行之有效的实施方案， 并对其特色与创新之处和方案实施的保障条件进行了分析。
　　关键词 虚拟仿真技术 电机与拖动 实施方案
　　中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.01.041
　　Abstract With a consideration of the characteristics of the course Motor and Drive， this paper discusses the feasibility and significance of virtual simulation technology in the teaching of this course. At the same time， the paper explores a set of effective detail design， the features and innovation and the guarantee conditions for the implementation of the scheme are analyzed.
　　Keywords virtual simulation technology； motor and drive course； detail design
　　“电机与拖动”是一门主要阐述电机与电力拖动的基本理论的课程，该课程具有电机学和电力拖动的基本内容。在自动化专业的课程体系中，它是自动化专业的一门學科基础必修课，需要把科学实验与生产实际紧密地联系起来。该课程的主要内容是运用“电路”、“大学物理”、“高等数学”等基础课程的基本理论来分析电机和变压器的工作原理和运行特性以及与之相关的工程实践问题。由于“电机与拖动”课程涉及到较多的基础课程内容，所以学生普遍反映该门课程学习起来比较枯燥和抽象。抽象的电磁理论和概念、大量的公式推导和计算过程，使学生在学习期间难以形成一个比较全面系统的认识，从而对其学习积极性有很大的影响。
　　虚拟仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术。它具有沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性。基于虚拟仿真技术的所具有的四个基本特性，可以让学生在接近现实工作场景下进行探究和学习，从而能大幅度提升学生的学习兴趣，这种生动形象的教学方法，可以使学生很快的融入相应的学习情境，有助于学生更容易理解抽象的理论和概念。因此，如何将虚拟仿真技术运用到教学改革的过程中是一个重要的研究课题。[1]
　　1 总体思路
　　本次教学改革是以教育部下发的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》以及《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设》等文件精神为指导，基于翻转课堂式教学模式，按照教育部自动化教指委在全国范围内开展的“自动化专业课程体系改革与建设试点”工作的基本要求，以培养学生能力为导向，根据“电机与拖动”课程的特点，运用ANSYS Maxwell软件选取相关的课程内容，进行课程开发。按照工程专业认证对学生的要求，遵循学生学习能力培养的基本规律，对相关教学内容进行整合、优化，依照循序渐进的原则，将其内容从简到繁、从易到难，设计出适合的设计项目和学习任务，利用虚拟仿真技术教学的优势，制定出更高水平的“教、学、做”一体化的教学方案。[2]
　　2 实施方案
　　本研究所面对的学习主体是自动化专业二年级的学生，通过在深度分析学生学习特点的基础上，基于虚拟仿真技术的沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性，借鉴项目式教学法和信息化教学的优点，建立起将虚拟仿真技术融入到典型任务和相关研究设计项目的教学模式当中，实现了基于虚拟仿真技术的“教、学、做”三位一体的教学设计方案。教学设计方案由“项目设定”、“计划制定”、“计划实施”和“项目评价”四个环节组成，其中基于虚拟仿真技术的教学设计方案贯穿了所有的环节。具体实施方案如下：
　　（1）在“项目设定”环节中，指导老师应该从以下三个方面展开教学活动：
　　一是通过搭建好的虚拟仿真实验平台，将所需要设定的研究设计项目的内容和目标传递给学生，并告知学生最终必须完成的项目成果，随后指导老师再根据学生的学习情况布置具体的学习任务。
　　二是利用虚拟仿真实验平台，让学生通过具体的学习任务内容明确自己在完成任务后可以获取哪些知识以及达到一个什么样的学习水平，从而让学生对完成项目的达成度有一个清晰的认识。
　　三是按照自主学习与协作学习的策略，依据学生的现有知识和能力水平对学生进行分组，安排具体的完成时间和成果的评价方式等。
　　（2）在“计划制定”环节中，可以通过分布式学习环境下的协作学习，引导学生对研究设计项目的任务内容进行分解，让学生明确任务所涉及的每一个知识点，充分运用所学的前期知识在虚拟仿真实验平台上进行决策，由每一组的小组长为各自小组的组员确定研究设计项目的实施步骤，为各自小组需完成的设计项目的实施做好充分的准备。
　　（3）在“计划实施”环节中，学生主要学会运用ANSYS Maxwell软件，通过虚拟仿真实验平台，按照之前由每一组的小组长为各自小组的组员所确定的研究设计项目的实施步骤逐步的完成任务内容。指导老师则可以很好地借助虚拟仿真实验平台的实时性，对学生进行及时的相应指导，实现师生之间以及学生之间的学习交流。学生通过完成项目设计中所指定的任务，对所学到的知识重新进行建构，进一步完善自身的知识体系，从而巩固学习的效果。
　　（4）在“项目评价”环节中，则需要学生将自己最终完成的项目成果在虚拟仿真实验平台上逐一进行展示，在展示过程中将接受指导老师和其他同学对于该项目成果的反馈意见。同时，在项目成果展示的过程中，学生可以在通过与其他同学的项目成果的对比中，查找出自己项目设计中的不足之处，并可与指导老师和其他同学一起讨论其改进方法。之后，指导老师则可以依据每位学生完成该项目的达成度，进行公正的打分，并将此作为学生在教学过程中的考核成绩。 　　3 特色与创新之处
　　3.1 引入翻转课堂式的教学模式，重建学习流程
　　在大多数情况下，学生的学习过程通常是由“信息传递”和“吸收内化”两个阶段所组成的。在“信息传递”阶段中，主要是通过教师和学生、学生和学生之间的相互交流和沟通得以实现的；在“吸收内化”阶段中，则主要依靠学生在课后自行完成的。而在“吸收内化”这个阶段中，由于缺少指导老师的引导和其他学生的交流，因此常常会使学生在学习过程中遇到难题时一筹莫展，由此产生挫败感，从而逐渐丧失了学习的兴趣，同时成就感也随之逐步消退。引入翻转课堂式的教学模式，则可以将学生之前传统的学习过程进行重构。在这种教学模式下，则是将“信息传递”阶段安排在课前进行。因此老师不仅可以在线提供视频，还可以在线进行及时的辅导，同时学生之间也可以在线上进行沟通和交流；另一方面则将“吸收内化”安排在是在课堂上通过互动来完成的。在这样的安排下，指导老师不仅能够提前了解学生的学习困难，而且还能在课堂上给予有效的辅导，再加上同学之间的相互交流，则可以起到促进学生对知识的吸收内化的效果。[3]
　　3.2 引入ANSYS Maxwell 软件，实现电机实验“内与外”的结合
　　通过引导学生应用ANSYS Maxwell软件制作电机模型，加载相关运行参数，能直接观察到电机仿真的电磁场的分布状况和分布特点。同时通过立体建模方式，加深学生对电机结构知识的学习，提高学生的空间思维和电机设计的综合能力。[4]从电机实验所需完成的内容以及实验目的出发，设计不同的运行条件，通过改变电机的运行状况，从而达到仿真电机实际的运行环境。学生通过利用 ANSYS Maxwell 软件可以快速而有效地搭建起虚拟仿真实验平台，从而打破了传统电机实验的局限性，由此既可以完成以验证性为目标的常规实验，同时还可以对电机内部磁场的运行情况进行仿真展示，从而完美地实现电机了实验“内与外”的结合——既可以通过常规实验数据了解电机的运行规律，也可以通过虚拟仿真实验数据直观地了解电机的磁场分布规律。[5]
　　4 方案实施的保障条件
　　在高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的发展过程中，虚拟仿真技术教学是其重要内容，因为它将学科专业与信息技术进行了深度的融合。在教高司函[2013]94号文件中已明确指出：决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。可见，虚拟仿真教学得到了国家政策的大力支持。[6]
　　目前有很多与电机设计的相关软件，比如ANSYS Maxwell， Motor-CAD， Flux等都为电机类专业课的虚拟仿真设计教学提供了实现的必要条件，也为虚拟仿真设计教学的实施提供了基础。而且，大学生思维活跃，乐于接受新事物，经过系统的基礎教育，掌握了较为完整的基础知识机构体系，因此他们具备开展研究性学习的条件。
　　我校始终坚持“应用型本科”的办学定位，定位于培养应用型的高级人才，一直致力于应用型本科院校办学思路和课程体系改革的研究，现正积极组织开展工程教育专业认证及相关课程的配套改革工作，这些成果为本方案的实施提供了丰富的素材。
　　此外，学校经常开展各种高水平的讲座和学术交流活动，也为本方案的实施搭建了广阔的平台。通过这些学术交流活动，不仅可以使学生的视野变得更加开阔，而且使学生的思维也变得更加活跃。老师辅以指导，因此学生会更加积极地投身到研究性学习中来。
　　5 结束语
　　近年来，学校和相关职能部门大力推进信息化教学改革，出台了一系列的教育信息化发展规划，不断加强虚拟仿真实验教学中心的建设，以此来促进学校课程教学改革和应用型人才培养模式改革。同时，学校对于教师积极开展教学改革的应用与实践活动，在研究经费的配套与管理方面均提供了有力的保障。
　　参考文献
　　[1] 陈世军，李彦梅，吴文进，徐文权.ANSYS Maxwell在“电机及拖动基础”课程教学中的应用[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2016（9）.
　　[2] 安毅，宋天宁，王孝良，周订订.面向工程师素质培养的《电机与拖动》课程教学探索[J].中国电子教育，2017（7）.
　　[3] 梁芬，郭亚男，张新英.构建基于翻转课堂的微课教学新模式——以电机与拖动基础课程为例[J].中国教育技术装备，2017（12）.
　　[4] 林若波，彭燕标，陈炳文，方春城.虚拟仿真技术在“电力电子技术”课程教学中的应用[J].云南民族大学学报（自然科学版），2013（9）.
　　[5] 崔贯勋，熊建萍.基于虚拟仿真技术的MOOE实践教学平台开发[J].实验技术与管理，2016（4）.
　　[6] 张泽中，刘尚蔚，徐红松，齐青青.基于虚拟仿真技术的水利水电工程概论课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2018（3）.
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