OBE理念下電工電子技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探索

馬強(qiáng)　劉靜

摘 要：基于成果導(dǎo)向的人才培養(yǎng)需要相關(guān)課程教學(xué)方法的改進(jìn)。針對(duì)電工電子技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了虛擬仿真操作方式，能夠有效解決學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，客觀反映同學(xué)對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握和運(yùn)用能力，有助于教師對(duì)教學(xué)方法的進(jìn)一步改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：成果導(dǎo)向 課程實(shí)驗(yàn) 虛擬仿真 獨(dú)立 教學(xué)方法

《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程是湖北文理學(xué)院交通設(shè)備與控制工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力有較高要求。該課程共設(shè)置12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包含電路分析、交流電與電機(jī)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)四部分內(nèi)容，能夠?qū)碚撝R(shí)的具體應(yīng)用起到重要補(bǔ)充作用。一般情況下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由同學(xué)通過(guò)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)操作完成，達(dá)到對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握情況的檢測(cè)。在實(shí)際開展過(guò)程中，由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限、設(shè)備老化等因素的影響，不能保證每個(gè)同學(xué)都可以獨(dú)立完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)同學(xué)是否真正掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用無(wú)法做出準(zhǔn)確判斷。因此該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有待進(jìn)一步改善。

虛擬仿真技術(shù)隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸成為重要的設(shè)計(jì)與分析手段。采用虛擬仿真的方法可以保證在設(shè)置相同的前提下，取得較好的一致性結(jié)論，特別適合應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)的操作。

OBE（Outcome Based Education，OBE）理念是一種以成果為目標(biāo)導(dǎo)向的教育方式，它以學(xué)生為中心，讓學(xué)生在完成最終目標(biāo)的過(guò)程中可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，采用所學(xué)的各種知識(shí)，可以充分體現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力。

本文將以“星-三角轉(zhuǎn)換器”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，探討OBE理念下如何應(yīng)用Multisim仿真軟件開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，為該課程的教學(xué)改革提供借鑒。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

“星-三角轉(zhuǎn)換器”是異步電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)的重要方式之一，該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍从惩瑢W(xué)對(duì)電機(jī)繞組連接形式的理解和變換過(guò)程中電壓、電流的改變情況。使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)容易造成臺(tái)面連接線雜亂、連接錯(cuò)誤后不容易判斷改正等問(wèn)題。將此項(xiàng)目變換為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以避免以上問(wèn)題。

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)定

“星-三角轉(zhuǎn)換器”的功能是對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)，從而達(dá)到降低啟動(dòng)電流、同電網(wǎng)其他用電設(shè)備安全運(yùn)行的目的。因此本實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容有兩點(diǎn)：一是同學(xué)獨(dú)立完成星-三角轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)（不包含繼電器部分）；二是根據(jù)完成的電路進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并分析降壓前后電壓、電流及轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

根據(jù)OBE理念，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑槿齻€(gè)：

（1）學(xué)生能夠正確完成星-三角轉(zhuǎn)換器的電路圖，并運(yùn)行無(wú)誤；

（2）學(xué)生能夠選擇并正確設(shè)置測(cè)量?jī)x表，獲得電壓、電流等數(shù)據(jù)；

（3）學(xué)生能夠?qū)y(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確分析，得到星三角降壓前后的電壓、電流及轉(zhuǎn)矩關(guān)系。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作

“星-三角轉(zhuǎn)換器”的本質(zhì)是將正常運(yùn)行時(shí)三角形連接的定子繞組在啟動(dòng)的時(shí)候首先按照星型連接，在電機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后自動(dòng)再將定子繞組連接為三角形，工作原理如圖1所示。

Multisim軟件中雖然有異步電機(jī)模塊，但是該模塊的定子繞組卻不能改變連接形式，因此不能直接使用。從OBE的角度，這里需要同學(xué)能夠根據(jù)星三角變換的本質(zhì)，自己尋找合適的元件，滿足繞組連接方式變化的要求。

該實(shí)驗(yàn)的電路圖主要由三個(gè)元件組成：三相電源、三相對(duì)稱定子繞組和轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中三相電源選擇元件庫(kù)中“電源組”中“POWER_SOURCES”系列中的“THREE_PHASE_WYE”電源，如下圖2。三相對(duì)稱定子繞組可以認(rèn)為由三個(gè)一樣的RL電路組成，電阻R可以選擇元件庫(kù)中“Basic”組中“RESISTOR”系列中默認(rèn)的1.0K歐姆的電阻。電感L可以選擇元件庫(kù)中“Basic”組中“INDUCTOR”系列中默認(rèn)的1mH的電感，組合后的RL電路如下圖3。對(duì)RL電路繪制過(guò)程再重復(fù)2次操作，獲得一組對(duì)稱的三相定子繞組電路。轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇元件庫(kù)中的“Electro_Mechanical”組中的“SUPPLEMENTARY_SWITCHES”系列中的“3PDT_SB”元件，如圖4。雙擊這些元件，可以進(jìn)入?yún)?shù)修改頁(yè)面，針對(duì)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行參數(shù)修改。

將所有元件連接并整理，同時(shí)為便于觀察，設(shè)置一個(gè)電壓表測(cè)量A相繞組兩端電壓；設(shè)置一個(gè)示波器，用A通道觀察電壓UAB，用B通道觀察A項(xiàng)繞組電壓UA，設(shè)置一個(gè)探針用于觀察A相中的電流，完整電路如圖5。

轉(zhuǎn)換開關(guān)初始位于星型連接狀態(tài)。點(diǎn)擊運(yùn)行，在一定時(shí)間間隔后對(duì)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換操作，觀察電壓表讀數(shù)變化和示波器波形變化。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)

星三角轉(zhuǎn)換器的作用就是降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)過(guò)大的電流，同時(shí)考察在降低電流的同時(shí)定子上電壓的變化情況，因此設(shè)計(jì)了以下的基本數(shù)據(jù)表1：

完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建模后，運(yùn)行仿真程序并根據(jù)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，可以得出結(jié)論：使用星型連接進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流相對(duì)電機(jī)正常使用三角形連接運(yùn)行時(shí)的電流小的多，最終實(shí)現(xiàn)降低啟動(dòng)電流的作用。圖6-圖8分別給出了兩種連接形式下的電壓、電流、波形。

3 實(shí)驗(yàn)改革成效分析

湖北文理學(xué)院交控專業(yè)開設(shè)的《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程目前共有4個(gè)課程目標(biāo)，其中三個(gè)課程目標(biāo)由課程實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)支撐，具體是：能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確采集與記錄；能夠利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)電工電子相關(guān)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行分析與驗(yàn)證；能夠在實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)中體現(xiàn)組織協(xié)調(diào)能力。最后一個(gè)課程目標(biāo)將由最后一個(gè)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)，2—3人形成一個(gè)小組，完成自主實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、采集與分析。

交控專業(yè)2021班通過(guò)完實(shí)驗(yàn)臺(tái)成星三角轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備只有11臺(tái)，所以2—3人一組使用一臺(tái)設(shè)備，不能保證每位同學(xué)獨(dú)立完成操作，也不能充分發(fā)揮同學(xué)的主動(dòng)性。而交控專業(yè)2022班通過(guò)虛擬仿真的方式完成該實(shí)驗(yàn)，每位同學(xué)通過(guò)電路分析、元件選擇與連接、數(shù)據(jù)記錄與分析等操作獨(dú)立完成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相關(guān)知識(shí)的獨(dú)立運(yùn)用，掌握了該內(nèi)容，達(dá)到了該實(shí)驗(yàn)的設(shè)置目的。

表2為課程實(shí)驗(yàn)改革前后不同年級(jí)同學(xué)的課程目標(biāo)達(dá)成情況分析。通過(guò)對(duì)最后的課程分析情況可以看出：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程改革后同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)相關(guān)的成績(jī)有所提高，反映出了同學(xué)們的實(shí)踐能力得到進(jìn)一步鍛煉，體現(xiàn)了現(xiàn)階段開展教學(xué)方法改革的必要性。

4 結(jié)束語(yǔ)

課程實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)的重要組成，也是對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用體現(xiàn)。本文從OBE理念出發(fā)，對(duì)電工電子技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)采用仿真實(shí)驗(yàn)的方式，實(shí)現(xiàn)每位同學(xué)都獨(dú)立建模操作、獨(dú)立運(yùn)用知識(shí)、獨(dú)立數(shù)據(jù)分析，充分反映了同學(xué)對(duì)相關(guān)知識(shí)的運(yùn)用成效，也有利于教師根據(jù)同學(xué)完成情況進(jìn)行針對(duì)性輔導(dǎo)和教學(xué)方法的改進(jìn)。

基金項(xiàng)目：湖北文理學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目“基于OBE 和CDIO 理念的交通控制課程群育人模式研究與實(shí)踐”資助（編號(hào)JY2023052）。

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