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摘要：電氣工程專業中許多實驗由于危險性高、設備昂貴，通過在線方式無法達到認識相關設備結構、系統組成、工作原理、運行方式等教學要求，學生的實踐能力不能得到有效培養。為彌補原有教學的不足，以潛油電動機實驗為例，詳細介紹了虛擬仿真實驗在電氣工程專業的應用。利用虛擬仿真技術將教學重點、難點融入虛擬場景，構建與生產現場一致的實驗場景，將典型運行操作任務轉化為實驗任務，解決理論教學、實驗教學、生產實習和仿真實習等相關教學實踐難題。通過基礎性操作、綜合性操作、復雜性操作，循序漸進地提升學生的實踐能力。

關鍵詞：虛擬仿真；電氣工程；電機設計；潛油電動機實驗

1實驗設計思路

對于電氣工程專業的學生，深入了解各類采油設備驅動用電動機結構與原理、熟悉各類采油設備驅動用電動機的組裝過程、掌握各類采油設備驅動用電動機的設計過程是學習專業課的基礎。各類采油設備驅動用電動機性能測試實驗無法在實驗室完成，因此，筆者開發了各類采油設備驅動用電動機設計與運行特性虛擬仿真實驗項目。潛油電動機實驗是采油設備驅動用電動機設計實驗的重要實驗，針對電氣工程及其自動化專業學生大三、大四課程和學生畢業設計開設，要求學生能夠根據所學的電機理論知識分析復雜工程問題，提出合理可行的解決方案，并能夠獨立完成電動機的設計、仿真、優化及實驗驗證，從而培養學生的綜合實踐能力和創新精神。通過各類采油設備驅動用電動機設計與運行特性虛擬仿真實驗(簡稱虛擬仿真實驗)，學生在掌握基礎知識的同時，深刻理解各類采油設備驅動用電動機的運行操作規程，提高實踐動手能力、團結協作能力和創新意識。因此，實驗設計時突出真實性、科技感與美感，讓學生在虛擬仿真實驗過程中既有真實實驗的體驗，又被實驗設計的科技感和畫面美感吸引，從而提高學生的學習積極性和主動性。其中，真實的實驗體驗從實驗環境的真實性、實驗操作的真實性、實驗結果的真實性三方面來體現。通過搭建一個逼真的實驗環境，實現了實驗環境的真實性；在實驗過程中設計大量人機交互環節，實現了實驗操作的真實性，增強了學生的工程意識；基于真實的工程項目，達到實驗結果的真實性。在實驗設計中增大科技含量，展現了大量實驗室無法看到的實際工程場景以及水輪機、發電機等電動機的內部工作場景。而且實驗設計注重視覺效果，使呈現給學生的畫面美感十足，帶來真實的視覺沖擊。虛擬仿真實驗設計方案如圖1所示。驅動用電動機的原理與設計過程認知，包括油田潛油電機介紹、工作原理闡述、電機設計要點說明以及設計軟件介紹。二是各類采油設備驅動用電動機組裝與運行場景認知，包括海上油田潛油電機運行場景認知，陸上油田潛油電機運行場景認知—無桿和陸上油田潛油電機運行場景認知—游梁式。三是各類采油設備驅動用電動機不同工況下運行特性實驗，包括空載實驗、短路實驗、負載實驗和潛油電機的M-S曲線測繪。四是各類采油設備驅動用電動機溫度實驗，包括熱電偶測溫系統、樣機的負荷及驅動、電機運行環境的模擬、潛油電機樣機溫度測試。虛擬仿真實驗能夠使學生熟練掌握電機空載、負載、參數測定等基本實驗的實驗方法，加深對理論課教學內容的理解與掌握，學會并掌握電機基本實驗的操作規程和各種儀器的使用方法，從而培養學生綜合運用所學專業知識的能力，提高學生的綜合設計能力。虛擬仿真實驗具有以下功能：一是創設實驗室真實環境；二是展現局部細節(包括電流的流動、磁場的旋轉等)；三是展示動態圖；四是引導操作者識別所有環節，如有遺漏，可提示；五是有提示模式和考試模式兩種展現方式。提示模式每次操作前都會出現相應提示；考試模式操作前無提示，當出現錯誤操作時顯示警示框，同時后臺進行相應的扣分處理。

2虛擬仿真實驗項目考核評價方法

本虛擬仿真實驗項目考核評價方法主要包含5個方面。

2.1預習考核

實驗之前學生需要預習，查閱文獻資料，完成預習報告，教師對該環節進行考核。該部分占總成績的10%。

2.2認知考核

學生需要通過軟件進入相應環節，了解實驗目的、實驗原理、認知深井油田采油設備驅動用電動機結構、認知實驗場地與儀器設備。該環節完成后，教師對學生進行相關知識考核，再進入實驗操作環節。該部分占總成績的10%。

2.3操作考核

學生的實驗操作步驟應正確、規范，實驗態度認真。如某些環節操作有誤，進行相應扣分。例如，接錯實驗設備要扣除相應的實驗操作分，錯一步扣5分；實驗數據記錄錯誤也要扣除相應的實驗操作分，錯一個實驗數據扣5分。該部分占總成績的30%。

2.4數據處理考核

數據處理準確，分析合理。例如，通過數據采集獲得空載特性曲線與短路特性曲線等，要求數據正確，曲線規范。該部分占總成績的20%。

2.5實驗報告考核

完成實驗后需要在系統中提交實驗報告。報告應包含完整的實驗目的、原理、步驟，以及對實驗結果的分析、討論，思考題解答。報告中缺少相應內容或者有不完善的、思考題解答有錯誤的均扣除相應分數。該部分占總成績的30%。

3虛擬仿真實驗的創新之處

3.1教學方法創新

虛擬仿真實驗采用線上線下混合式教學模式，真正達到能實不虛、虛實結合[4-6]。第一，提供了與現場一致的實驗場景，與真實設備的原理、結構和性能一致的虛擬設備。利用這些虛擬設備可以開展更加靈活的實驗形式，根據教學需要進行分組和組合，而且操作方式、內容與真實設備一致。虛擬仿真實驗給予學生身臨其境的體驗，極大地調動了學生的積極性和主動性，有利于培養學生的工程意識。第二，虛擬仿真實驗涵蓋了海上油田和陸上油田的全部運行設備，并與機電設備運行的知識深度融合，按照實際的運行任務開展實驗。學生通過操作、觀察和分析，能夠將所學知識和技術與實際設備運行聯系起來，有利于形成完整的知識體系。第三，基礎性操作、綜合性操作和復雜性操作相結合，以能力輸出為導向，循序漸進地提升學生的實踐能力。學生通過基礎性操作掌握標準流程和規范，形成基本概念；通過綜合性操作形成綜合思維，重構知識體系；通過復雜性操作培養學生緊急事故處理的能力，進一步提升其工程實踐能力。

3.2評價體系創新

評價體系方面的創新在于借助虛擬仿真實驗的模塊化授課模式，將課前預習和課后答疑等環節納入虛擬仿真實驗過程中，從而實現全教學過程的考核評價，例如，在虛擬仿真實驗正式開始前設置了基本知識學習環節。這樣學生從基礎知識學習到實驗，再到最終的實驗報告提交，每個環節均有相關數據收集并納入總成績的評價中，能夠全面反映學生的實驗效果[7]。

3.3原有教學的延伸與拓展

原有教學的延伸與拓展方面的創新在于將原來以書本和觀看視頻為主的教學方式轉變為人機交互式的虛擬仿真實驗教學方式。一方面，將抽象枯燥的書本內容可視化，另一方面，將學生無法接觸到的各類采油設備驅動用電動機實驗變為每個人都可以上手一試的虛擬仿真實驗，對教學內容進行了拓展，有助于培養具有寬廣眼界和專業知識的卓越工程師。

4結語

虛擬仿真實驗彌補了各類采油設備驅動用電動機實驗無法完成的缺陷，而且不具危險性。通過虛擬仿真實驗，熟悉和掌握各類采油設備驅動用電動機的結構、工作原理、設計方法、工作過程與測試技術；培養學生的基本操作技能，提高學生的實驗設計能力和實驗現象的分析能力，鍛煉學生對實驗過程中出現問題的分析和解決能力，進而提高其在真實實驗中的動手能力。

作者：艾萌萌 夏云彥 徐永明 單位：哈爾濱理工大學電氣工程與電子信息學院