基于网络的虚拟远程电力拖动基础实验教学

郭丙君

【摘要】在现代教育中，远程实验开发和使用具有重要的意义。文章总结了基于网络的虚拟远程电力拖动基础的实验教学方法，分析了实验方法的特点，指出了其适用的范围，对于开展远程实验具有一定的参考价值。

【关键词】仿真实验;网络;远程实验

一、引言

远程教育在互联网时代具有重要的意义，在工科课程的远程教育中，实验教学一直是教学过程中的一个薄弱环节，而要进一步提高教学质量，开展工科专业远程实验教学已经显得十分必要[1-3]。学生开展实验的时间与地点不同，决定了远程实验不能受时间和空间的限制。目前，一种基于网络的虚拟实验开发技术得到了广泛的应用，利用开发的积件库可以自由地搭建相关課程的实验，该技术是开放性的，完全基于网络环境，非常适合于远程实验的开发。笔者基于目前使用比较广泛的“静一积件式教学仿真软件”开发环境，开发了电力拖动基础的实验，用于远程实验教学，对于同类远程实验的开发具有一定的指导意义。

二、基于网络的虚拟远程电力拖动基础实验平台

目前在远程实验的开发技术方面一般是动画、多媒体，按照一定的脚本演示实验步骤，让学生模仿学习，这种方法局限性比较大。也有采用在实验室装置摄像设备来进行管理，采用了较多的硬件，开发难度比较大，开发周期比较长，往往是针对某个别实验进行的[4-5]。利用积件库方式开发的基于网络的远程实验非常适合于远程教学。

这种仿真实验首先要进行有效的建模，一般是根据物理模型建立数学方程组，然后应用数值计算方法进行仿真计算，将实验的要素制作成为积件库，由学生根据实验要求来搭建实验系统，形成积件式教学仿真软件。软件是基于B/S结构开发的，以其为核心的资源库平台可以运行于互联网。由于是基于网络的思想来开发实验的，它使实验教学真正实现了网络化，摆脱了实验对物理环境的依赖[6-8]。

这种远程实验方式满足了：（1）虚拟化，即整个实验环节都在软件平台上实现;（2）自由构建，允许实验人员在软件平台上完全按照实验人员的意愿根据积件来搭建实验，搭建成的实验能被系统解析和运行，并显示运行的结果;（3）实验结果能自动评测，即系统能自动评测操作者搭建的实验是否正确达到了实验要求[9]。

基于网络的虚拟实验平台保持了网络教学对时空的突破特性，同时学生获得了更大的自由空间，并能及时观察到实验的结果是否符合预期，平台为教学效果的检测提供了便利。学生也可以自己出试题，自己完成实验操作，并自己评分，判断自己掌握知识的程度，满足了自主学习的发展趋势，使整个网络实验教学形成了“教学-实验-评测”的闭环，比较大地减轻了教师的指导负担，彰显了学生的主体地位，进一步体现了远程实验的本质。

这种基于网络的虚拟实验平台的关键是建模的精确性问题，由于很难考虑到元器件非理性状态下的情况，仿真的结果和实际电路有一定的距离，同样要强调从系统及总体上理解实验结果，系统开发成本不高，比较有利于推广使用，是一种很有前途的远程实验方法。

电力拖动基础课程是电气工程及其自动化专业的一门核心的专业基础课程，处于本专业的中心地位。切实掌握好电力拖动基础课程的知识，为专业课程电力拖动控制系统、特种电机、电力工程和电力系统分析等可以打下扎实的基础。而要学习好电力拖动基础课程，开展实验教学是十分必要的。

目前已经开发了比较多的实验项目：（1）直流发动机;（2）直流电动机;（3）直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性;（4）变压器的并联运行;（5）三相鼠笼异步电动机的工作特性;（6）三相鼠笼交流异步电动机功率流程实验;（7）三相异步电动机的起动与调速;（8）三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性;（9）三相同步电动机的启动和变频调速等仿真实验。和实验室现有的硬件实验平台互相补充，发挥出各自的优点，取长补短。如一般学校大型的高压同步电动机实验开展起来比较困难的，用仿真实验就非常合适;又如三相鼠笼交流异步电动机功率流程实验，可以非常形象地展现出功率的流向，非常有利于学生对于知识的理解。

对于像电力拖动基础这样一门与实际应用密切联系的课程，实验教学无疑是其中的重要环节。由于本课程涉及的内容较多，而实验课时相对较少，因此，如何适当安排实验教学内容，使有限的实验课尽可能发挥更大的作用，显然是一个比较重要的问题。笔者认为，本课程实验教学主要应达到两个目的：一是通过实验教学使学生进一步掌握各种电机的工作原理和工作特性，二是使学生掌握一些基本的电气测量方法，如互感器的使用及转矩和转速的测量等。

根据以上认识，再结合我校为本课程设置16课时实验教学的具体情况，笔者将本课程的教学内容分为四个部分，即直流电动机、变压器、异步电动机和同步电机，共安排七个实验。其中，直流电动机部分主要安排直流发电机、直流电动机的启动、反转和调速，以及并励直流电动机机械特性的测定;变压器部分主要安排单相变压器的参数测定和三相变压器的极性、连接组别的测定;异步电机部分主要安排三相异步电动机的工作特性和三相异步电动机的启动、反转和调速;同步电机部分主要安排三相同步电动机的启动和变频调速。这样的安排既紧密结合了课堂教学的主要内容，又较好地解决了实验课时不足的矛盾。为了发挥学校现有的硬件实验平台和仿真实验平台的各自优势，三相同步电动机和三相鼠笼交流异步电动机功率流程实验就用基于网络的虚拟远程实验平台完成。

应该指出，对于网络学院的学生，应用基于网络的虚拟远程实验平台就非常合适，由于学生分布在全国各地，安排学生到学校用硬件实验平台进行实验是比较困难的，用虚拟仿真平台就可以很好地解决这个问题。目前对于网络学院的电力拖动基础课程的远程虚拟实验根据教学大纲要求已经开发了六个实验：（1）直流发电机;（2）直流电动机;（3）三相鼠笼异步电动机的工作特性;（4）三相鼠笼异步电动机功率流程;（5）三相异步电动机的起动;（6）三相异步电动机的调速。这基本可以满足网络学院电力拖动基础课程的实验教学。

举例说明：根据静一积件式教学仿真资源库，他励直流电动机电压反接制动实验。