楊 靜，王維俊，左永剛，袁 韜，易 斌

(后勤工程學(xué)院1.機(jī)電系 電氣工程教研室;2、供油系 油料裝備與指揮教研室，重慶 401311)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，社會對人才需求的不斷變化，高校的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式都在不斷地發(fā)生著變化，對創(chuàng)新型和綜合型人才的培養(yǎng)成為了高校教學(xué)的目標(biāo)，注重學(xué)生能力培養(yǎng)是教學(xué)的核心［1］。實驗教學(xué)是高等教育的重要組成部分，是理論與實踐相結(jié)合的過程，對于學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，起著理論和其他教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的作用［2］。

教學(xué)實驗可分為驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗。驗證性實驗是指實驗用于驗證課堂上所學(xué)的理論;綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或相關(guān)課程知識的實驗［3］。它要求學(xué)生具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識和基本實驗操作技能，在此基礎(chǔ)上綜合運用多門課程的知識，對學(xué)生實驗技能和實驗方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性、開發(fā)性實驗，著重培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力、動手操作能力、數(shù)據(jù)處理能力和綜合分析解決問題的能力。綜合性實驗的最大特點是學(xué)生在完成實驗過程中必須將多門專業(yè)課、專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課的基本理論、基本操作技能有機(jī)地結(jié)合在一起，學(xué)生在實驗過程中需將所學(xué)的理論知識系統(tǒng)化，促進(jìn)了學(xué)生知識、素質(zhì)和能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。設(shè)計性實驗是指根據(jù)給定實驗?zāi)康囊蠛蛯嶒灄l件，由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)的實驗。

設(shè)計性實驗要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)預(yù)定的實驗?zāi)康暮蛯嶒灄l件，自己設(shè)計實驗方案、確定實驗方法、選擇實驗儀器設(shè)備、擬定實驗步驟和操作程序，獨立完成整個實驗過程并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析處理。設(shè)計性實驗的最大特點是要求實驗內(nèi)容具有一定的探索性和創(chuàng)新性，學(xué)生通過實驗項目的選題和論證、項目實施、實驗結(jié)果分析和討論以及綜合實驗報告的撰寫等過程，有時會獲得意想不到的結(jié)果，實驗收獲也比一般實驗要大得多，對培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的能力、創(chuàng)新工作能力和科技寫作能力具有重要作用。

我院電力工程及其自動化專業(yè)是一個實踐性較強(qiáng)的專業(yè)，在“電機(jī)學(xué)”和“電力電子”等專業(yè)基礎(chǔ)課程中，需要開設(shè)大量的實驗來培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，教學(xué)實踐證明，開設(shè)驗證性實驗已不能滿足高校人才培養(yǎng)的需要，急需開設(shè)能綜合學(xué)生所學(xué)知識的綜合性、設(shè)計性實驗［4］。

1 驗證性實驗基本模式

我院電力工程及其自動化專業(yè)三年級學(xué)院所學(xué)過專業(yè)基礎(chǔ)課包括“電磁場”、“電機(jī)學(xué)”、“電力電子技術(shù)”和“自動控制原理”，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)依附于單一的理論課程，為單一項目實驗。例如“電機(jī)學(xué)”教學(xué)中的直流發(fā)電機(jī)特性實驗、直流電動機(jī)特性實驗、單相變壓器空載及短路實驗、異步電動機(jī)的啟動實驗、異步電動機(jī)的特性實驗和同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運行實驗，都是著重于驗證各類電機(jī)的特性曲線和參數(shù)測定等電機(jī)學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”教學(xué)中的電力電子元器件性能實驗、晶閘管相控整流電路實驗和PWM直流斬波電路實驗，則著重于驗證幾種基本電力電子變流電路的波形。自動控制原理實驗則Matlab的平臺上進(jìn)行，驗證控制系統(tǒng)的幅—頻特性、零、極點分布等?！半姶艌觥闭n程由于實驗條件限制，連驗證性實驗都無法開設(shè)，而電場和磁場的分布是看不見的，電磁場理論較深奧，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果普遍不佳，也進(jìn)一步影響了后續(xù)電機(jī)學(xué)等課程的學(xué)習(xí)。

由于上述各實驗的目的基本是分別驗證所學(xué)課程中某一局部的理論研究結(jié)果，學(xué)生完成實驗時機(jī)械性很強(qiáng)。通常，學(xué)生根據(jù)下發(fā)的實驗指導(dǎo)書進(jìn)行實驗的全過程，包括設(shè)置實驗電路、實驗設(shè)備選材、操作步驟安排、實驗數(shù)據(jù)處理方法、實驗現(xiàn)象與結(jié)論的說明等，在整個實驗過程中，學(xué)生完全處于被動接受學(xué)習(xí)狀態(tài)。他們根據(jù)實驗指導(dǎo)書給出的實驗步驟，依樣畫葫蘆，完成實驗。對于這種缺乏原創(chuàng)力的驗證性實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生普遍缺乏學(xué)習(xí)興趣。真正能通過實驗提高能力的學(xué)生很少。

理論課程教學(xué)通常需要對研究對象分門別類加以理論分析及論述，以保證其完整性，依據(jù)課程設(shè)置若干對應(yīng)單一性驗證實驗雖能給學(xué)生演示書中相關(guān)理論的正確性。但學(xué)生在今后的工程實踐中碰到的很少是涉及單一學(xué)科的問題，往往是需要綜合其所學(xué)多門知識才能解決的問題。因此，從大學(xué)階段便培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力會使其受益終生，在大學(xué)高年級階段開設(shè)綜合性實驗便是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的有力手段。

2 綜合性仿真實驗

開設(shè)綜合性實驗和設(shè)計性實驗需要具有綜合性和開放性的實驗平臺支撐，但目前學(xué)院實驗室里配置的是單一學(xué)科對應(yīng)的，主要滿足單一學(xué)科驗證性實驗要求的實驗平臺，不能滿足綜合性實驗的要求。例如電機(jī)學(xué)實驗平臺中直流電源部分是臺架上的固定部分，學(xué)生做直流電動機(jī)調(diào)速實驗時只需要調(diào)臺面上的一個旋鈕即可改變電樞電壓，具體這個可變大小的直流電源是怎么樣得到的，學(xué)生并不知道。實際上，利用他們所學(xué)的電力電子技術(shù)和自動控制原理的知識，他們是可以自己設(shè)計出這個可調(diào)大小的直流電源的。而電力電子技術(shù)實驗的臺架上也是固定模塊，主要用于驗證各種變流電路在不同負(fù)載情況、不同觸發(fā)角及不同占空比的情況時的波形，缺乏能用于綜合性實驗設(shè)計的元器件。

為了改善實驗室硬件條件，我們利用Matlab軟件強(qiáng)大的仿真計算功能開設(shè)了綜合性仿真實驗。Matlab仿真的方法與傳統(tǒng)的硬件實驗相比較，其仿真結(jié)果的可信度高，不受空間、時間和物質(zhì)條件的限制，并且可調(diào)動學(xué)生的積極性和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感［5，7］。Matlab 具有編程效率高、程序設(shè)計靈活、圖形處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點。為準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型和進(jìn)行仿真分析，Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具Simulink工具箱。在Simulink仿真環(huán)境中，通過點擊拖動鼠標(biāo)的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對系統(tǒng)和電路的仿真。Simulink提供了用方框圖進(jìn)行建模的模型窗，與傳統(tǒng)的用微分方程和積分方程建模相比，更直接方便靈活。

在Matlab中的電力系統(tǒng)模塊庫PSB以Simulink為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下7個子模塊組成:電源模塊庫、電器元件模塊庫、電機(jī)模塊庫、電力電子元件模塊庫、連接件模塊庫、測量儀器模塊庫和其他電氣模塊庫。在這7個基本模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其它模塊添加到所需的模塊庫中，為進(jìn)行綜合性仿真實驗帶來更多的方便。

利用Matlab這一軟件平臺，我們開設(shè)了單相同步發(fā)電機(jī)性能仿真實驗。在該實驗中，學(xué)生可以運用Matlab仿真了單相同步發(fā)電機(jī)的的內(nèi)部磁場分布(圖1)、空載運行及負(fù)載運行曲線。通過該實驗，學(xué)生綜合運用所學(xué)“電機(jī)學(xué)”、“電力電子技術(shù)”和“電磁場”的知識，對單相同步發(fā)電機(jī)的基本原理，內(nèi)部磁場情況、運行性能都有了深入認(rèn)識。

圖1 仿真得到的單相同步電機(jī)內(nèi)部磁場分布圖

我們還開設(shè)了直流電動機(jī)啟動、調(diào)速和工作特性的綜合性仿真實驗。教師給定系統(tǒng)電源為單相交流電、直流電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)，讓學(xué)生自己設(shè)計出直流電動機(jī)啟動、調(diào)速和工作特性的仿真實驗電路，計算電路參數(shù)，在Matlab中進(jìn)行仿真，得出直流電動機(jī)的各種特性曲線。學(xué)生在設(shè)計仿真電路時需要先查閱大量資料，確定采用什么樣的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是采用全控整流呢還是不控整流后再加DC-DC變換，他們根據(jù)查閱的文獻(xiàn)分析比較，得出他們認(rèn)為較優(yōu)的方案。然后計算、調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析相關(guān)原理。圖2是學(xué)生建立的一種測試直流電動機(jī)啟動和工作特性的仿真電路。從這個電路中，可以得出直流電動機(jī)的啟動、額定工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等特性曲線。調(diào)整系統(tǒng)的PI參數(shù)，可以分析在不同的閉環(huán)控制參數(shù)下，直流電動機(jī)的動態(tài)特性，從而對直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

圖2 直流電動機(jī)啟動和工作特性仿真電路

3 結(jié)語

實踐教學(xué)作為我院電力工程及其自動化專業(yè)教學(xué)體系的重要組成部分，對于培養(yǎng)本專業(yè)大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提高其綜合素質(zhì)起著至關(guān)重要的作用?；贛atlab的綜合性仿真實驗的開設(shè)，能系統(tǒng)地讓學(xué)生掌握和綜合應(yīng)用電氣工程學(xué)科專業(yè)知識，取得了良好的教學(xué)改進(jìn)效果:在實踐中掌握理論知識，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動研究，全方位鍛煉了學(xué)生的綜合能力，有利于培養(yǎng)出更多知識、能力和素質(zhì)綜合發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

［1］ 周淑紅，陳曉華，趙大威等，綜合實驗的系統(tǒng)設(shè)計與實施［J］.實驗室研究與探索［J］，2009，28(12):168-170

［2］ 楊德先，陸繼明，吳彤等，電氣工程專業(yè)綜合實驗平臺和實驗教材建設(shè)，電氣電子教學(xué)學(xué)報［J］，2007，29(1):64-66

［3］ 段曉英，姚天明，楊勇等，巧設(shè)綜合實驗提升綜合能力，實驗室研究與探索［J］，2008，27(4):97-99

［4］ 吳曉，堵俊，羌予踐等，電氣專業(yè)課程綜合性和設(shè)計性實驗教學(xué)改革與實踐，實驗室研究與探索［J］，2009，28(8):124-125

［5］ 沈媛媛，基于Matlab的數(shù)字信號處理綜合性實驗設(shè)計，實驗室研究與探索［J］，2009，28(8):60-61

［6］ 孔英秀，基于Matlab/Simulink在電力電子技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)中的研究，科技信息［J］，2010，21:225-226

［7］ 金波，Matlab在動態(tài)電路分析中的應(yīng)用，實驗室研究與探索［J］，2009，28(11):27-3