基于虛擬仿真平臺(tái)的電機(jī)學(xué)教學(xué)實(shí)踐與思考

王艷萍 劉萬(wàn)強(qiáng)

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

當(dāng)前是信息時(shí)代和科技時(shí)代，科技已經(jīng)走進(jìn)了我們生活中的每一個(gè)角落，以往在科幻電影中的場(chǎng)景已逐步成為人們生活的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。社會(huì)各行各業(yè)尤其是教育行業(yè)應(yīng)該重視新興科技帶來(lái)的變化，積極的將新興科技結(jié)合到教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，提升教學(xué)效果。目前，各大高校已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了多媒體數(shù)字化技術(shù)給課堂教學(xué)帶來(lái)的改變，虛擬仿真技術(shù)在用于理工科專業(yè)課的講解時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，能夠使學(xué)生以第一視角感受到知識(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，達(dá)到塑造全方位人才的目標(biāo)。

1 “電機(jī)學(xué)”課程存在的教學(xué)問題

1.1 學(xué)生難以參與到電機(jī)學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中

在傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)教學(xué)時(shí)，電機(jī)學(xué)授課教師是主導(dǎo)，學(xué)生只是被動(dòng)的接受教師的教學(xué)，很少能在課堂中與教師對(duì)于某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行討論。學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)參與度不高，難以對(duì)知識(shí)點(diǎn)留下深刻的印象和深入理解，且對(duì)知識(shí)的想象力和發(fā)散能力不足。

傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教師一個(gè)人完成了課前教案設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)以及課后的教學(xué)效果監(jiān)督?？梢哉f，學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中都處于被動(dòng)接受的地位，對(duì)學(xué)生來(lái)說，這種學(xué)習(xí)模式枯燥乏味，扼殺了大學(xué)生積極創(chuàng)造和想象的能力。由于教師和學(xué)生的互動(dòng)較少，教師沒能了解到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣所在，也不能與學(xué)生共同探討課程知識(shí)在實(shí)際生活中的最新應(yīng)用，導(dǎo)致老師的教學(xué)與學(xué)習(xí)脫軌，教學(xué)效率低下。[1]

1.2 學(xué)生難以理解晦澀難懂的電機(jī)學(xué)知識(shí)

電機(jī)學(xué)是電子信息學(xué)院的專業(yè)課程，蘊(yùn)含復(fù)雜的電學(xué)和機(jī)械學(xué)知識(shí)，學(xué)習(xí)難度非常高。學(xué)生對(duì)于肉眼不可見的電機(jī)磁場(chǎng)以及書上的電路繪圖難以進(jìn)行深刻的了解，只能憑借想象學(xué)習(xí)電路的排列。這種學(xué)習(xí)效果只能應(yīng)對(duì)考試題型，難以真正達(dá)到實(shí)踐操作的要求。甚至學(xué)生在學(xué)習(xí)完電機(jī)學(xué)全部課程后，對(duì)于電機(jī)學(xué)知識(shí)仍然處于一知半解的狀態(tài)。學(xué)習(xí)效率非常低下，直接導(dǎo)致期末考試成績(jī)較差。教師對(duì)此常常感到困惑，而學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)又感覺到非常吃力，直接導(dǎo)致了課本知識(shí)壓縮，形成惡性循環(huán)，學(xué)生難以對(duì)電機(jī)學(xué)知識(shí)形成一個(gè)完整的認(rèn)知體系，使得學(xué)生對(duì)于電機(jī)學(xué)這門課程感到排斥和恐懼，這種情況與高校的教學(xué)理念背道而馳。

1.3 電機(jī)學(xué)的實(shí)踐課程難以展開

要真正學(xué)好電機(jī)學(xué)，必須要求學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐操作，真正感受到電機(jī)學(xué)的應(yīng)用知識(shí)。然而電機(jī)的設(shè)計(jì)制造周期十分漫長(zhǎng)，且對(duì)電學(xué)和機(jī)械學(xué)的加工工藝要求很高，操作起來(lái)具有一定的難度和危險(xiǎn)性。高校在進(jìn)行電機(jī)學(xué)實(shí)踐教學(xué)中往往難以讓每個(gè)學(xué)生都深入體會(huì)到電機(jī)學(xué)的操作過程。因此，對(duì)于電機(jī)學(xué)這門課程的教學(xué)大部分時(shí)間還只是停留在課堂的講解過程中。

由于電機(jī)學(xué)所涉及到的電磁場(chǎng)知識(shí)不是實(shí)物，并不能被學(xué)生所看見和感觸到，學(xué)生常常感到知識(shí)點(diǎn)太過抽象，喪失了學(xué)習(xí)興趣和信心，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果低下。在解決這一問題時(shí)，目前大部分高校只是增加了多媒體技術(shù)進(jìn)行PPT 演示和虛擬圖像展示，雖然增加了學(xué)生的直觀感受和教學(xué)娛樂性，但并沒有真正讓學(xué)生切身體會(huì)到電機(jī)學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用，教學(xué)效果仍然難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2 虛擬仿真平臺(tái)概述

虛擬仿真平臺(tái)運(yùn)用了多項(xiàng)前沿科技，例如VR 技術(shù)、多媒體技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等，構(gòu)建起立體的直觀感受。通過虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)實(shí)踐的應(yīng)用過程的自操作，加強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和實(shí)踐探索能力的同時(shí)避免真正接觸電機(jī)時(shí)的危險(xiǎn)性以及電機(jī)制作周期過長(zhǎng)等問題，大大節(jié)省了真正電機(jī)實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間成本和資金成本。

針對(duì)目前電機(jī)學(xué)課程在教學(xué)過程中存在的這些問題，引進(jìn)虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)可以使得學(xué)生的實(shí)踐課程不受地理因素和硬件因素的干擾。充分利用現(xiàn)有的教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)學(xué)生進(jìn)行高效的實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自主性，使得學(xué)生真正參與到電機(jī)學(xué)這門課程的學(xué)習(xí)中，并且發(fā)散學(xué)生的思維，給學(xué)生以學(xué)習(xí)自主權(quán)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和探索。

教學(xué)主要是為了讓學(xué)生充分掌握理論，同時(shí)也能在實(shí)踐中學(xué)習(xí)。作為教師，首先應(yīng)該為學(xué)生設(shè)立實(shí)驗(yàn)課程，將理論與實(shí)踐相結(jié)合。根據(jù)課程設(shè)計(jì)來(lái)看，電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)有較高的優(yōu)越性，所以在使用中會(huì)采用PC機(jī)連接，結(jié)合使用軟件開發(fā)平臺(tái)。運(yùn)行中如果想要控制電機(jī)，首先數(shù)據(jù)參數(shù)要獲得采集以及處理，實(shí)驗(yàn)完成之后可以及時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)報(bào)告。直流電機(jī)也是非常常見的一種動(dòng)力裝置，在應(yīng)用中非常廣泛。但是前提需要掌握其特性，對(duì)于世界來(lái)講非常的重要，同時(shí)對(duì)于電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)講也很重要。步電機(jī)作為典型的離散運(yùn)動(dòng)裝置，在實(shí)際應(yīng)用中，于現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)充分融合，有了決定性的優(yōu)勢(shì)，但是在本質(zhì)上會(huì)有很大的關(guān)聯(lián)。目前所使用的數(shù)字控制系統(tǒng)以及步進(jìn)電機(jī)，在各領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，所以在早期所采用的典型機(jī)電一體化與原件中，就包含步進(jìn)電機(jī)。但是由于在早期所使用的系統(tǒng)較為落后，所以沒有體現(xiàn)出步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。步進(jìn)電機(jī)自身的優(yōu)越性在應(yīng)用中很廣泛，可是在實(shí)際工作中，雖然比直流電機(jī)性能要好，但是無(wú)法應(yīng)用于常規(guī)工作。所以對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的使用中的匹配，一定要特別注意。在應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，會(huì)涉及到很多領(lǐng)域，例如機(jī)械、電子計(jì)算機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的參數(shù)以及性能其實(shí)非常復(fù)雜，要根據(jù)產(chǎn)品的樣本來(lái)分析其主要參數(shù)以及性能指標(biāo)。在大部分情況下，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)想要達(dá)到目標(biāo)，首先應(yīng)該展開試驗(yàn)，要充分掌握步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中所體現(xiàn)的參數(shù)以及特性，通過測(cè)試對(duì)其進(jìn)行控制，采取合理的方法，使其達(dá)到最佳的狀態(tài)。參數(shù)以及性能是理論學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，在實(shí)際操作中，需要對(duì)其時(shí)刻關(guān)注。

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，目前為各行各業(yè)注入了新活力。微電子技術(shù)就是計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)物，針對(duì)于大型集成電路來(lái)講，充分融入數(shù)字化儀器以及智能儀器，可獲得更好的發(fā)展。在實(shí)際使用中，微電子技術(shù)精準(zhǔn)度非常高，功能也很強(qiáng)大，其性能的豐富，可以滿足各領(lǐng)域的使用。傳統(tǒng)儀器并沒有擺脫獨(dú)立使用的問題，所以在使用中還面臨著較復(fù)雜的問題，例如測(cè)試參數(shù)以及應(yīng)用場(chǎng)合等，都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，也會(huì)受到更多的局限性。

在教學(xué)中，應(yīng)該充分掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)，目前計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)充分的融合，可體現(xiàn)出飛速發(fā)展的現(xiàn)狀，計(jì)算機(jī)技術(shù)目前還需不斷的優(yōu)化以及改善，才可以摒棄傳統(tǒng)儀器的落后，計(jì)算機(jī)技術(shù)想要開辟新天地，就要尋找更多的功能。通過最近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)為領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。使用互聯(lián)網(wǎng)可以做到全球?qū)崟r(shí)交流，其傳輸功能非常強(qiáng)大。

3 基于虛擬仿真平臺(tái)的混合式教學(xué)

3.1 虛擬仿真平臺(tái)混合式教學(xué)概述

基于虛擬的仿真平臺(tái)混合式教學(xué)顧名思義是將虛擬的技術(shù)與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相結(jié)合起來(lái)，將二者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)融合，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。基于虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電機(jī)學(xué)教學(xué)是將虛擬的仿真平臺(tái)融入到電機(jī)學(xué)的整體教學(xué)進(jìn)程當(dāng)中，將理論知識(shí)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生對(duì)于電機(jī)學(xué)理論以及實(shí)踐的應(yīng)用都有一個(gè)直觀的感受，幫助學(xué)生構(gòu)建起電機(jī)學(xué)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，為之后學(xué)習(xí)更加深入的學(xué)習(xí)電機(jī)學(xué)的理論以及實(shí)踐操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 課前知識(shí)預(yù)習(xí)與實(shí)踐操作

要想真正實(shí)現(xiàn)虛擬仿真平臺(tái)在電機(jī)學(xué)教學(xué)過程中進(jìn)行運(yùn)用，保證教學(xué)效果。必須要求任課教師在課堂前期準(zhǔn)備充足的教學(xué)資料，通過網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行教學(xué)資料搜集，積極學(xué)習(xí)虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)方式，制作適合學(xué)生學(xué)習(xí)的虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)方案以及課件。在學(xué)生通過虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐操作之前，必須要求學(xué)生對(duì)于本章節(jié)電機(jī)學(xué)知識(shí)要有一個(gè)深刻的掌握，要求學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)、課前預(yù)習(xí)本章節(jié)知識(shí)，并積極通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全方位的預(yù)習(xí)，從而能夠在仿真平臺(tái)進(jìn)行電機(jī)實(shí)踐操作時(shí)有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備。

在體驗(yàn)虛擬的仿真操作之后能夠得出實(shí)踐操作心得，加深對(duì)于所學(xué)知識(shí)的理解，并要求學(xué)生學(xué)習(xí)之余提出疑問，通過課后組建學(xué)習(xí)小組的模式進(jìn)行問題的討論與解決。教師要收集學(xué)生關(guān)于本章節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)和困惑，確保學(xué)生在進(jìn)行虛擬仿真平臺(tái)實(shí)踐操作之后能夠?qū)λ婕暗碾姍C(jī)學(xué)知識(shí)有全方位的認(rèn)知。

3.3 課堂活動(dòng)教學(xué)

在課堂中，任課教師可以通過多媒體課件的演示對(duì)學(xué)生進(jìn)行PPT 展示，或者收集網(wǎng)絡(luò)課程資源，對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的講解。也可以通過一些教學(xué)設(shè)備加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)。根據(jù)不同章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)搜集不同的教學(xué)模式和課堂活動(dòng)。在電機(jī)學(xué)課堂中進(jìn)行實(shí)踐，探索出最適合學(xué)生的課堂模式，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[2]

電機(jī)學(xué)所涉及的知識(shí)十分廣泛，單個(gè)學(xué)生無(wú)法獨(dú)自完成某一個(gè)教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目，這就要求學(xué)生要積極組成學(xué)習(xí)小組，共同探討完成教學(xué)實(shí)踐任務(wù)的方案，進(jìn)行責(zé)任分工。每個(gè)學(xué)生要對(duì)自己負(fù)責(zé)的電機(jī)部分以及各部分知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)強(qiáng)化認(rèn)知，從而在與其他同學(xué)進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作和任務(wù)銜接時(shí)有足夠的能力推進(jìn)實(shí)踐任務(wù)的進(jìn)度，確保團(tuán)隊(duì)能夠按時(shí)完成實(shí)踐操作任務(wù)。還可以充分利用虛擬仿真系統(tǒng)，讓團(tuán)隊(duì)小組成員之間互換角色，設(shè)計(jì)不同的實(shí)踐方案，共同探索實(shí)踐操作步驟，達(dá)到最好的實(shí)踐效果。

教師在課堂教學(xué)活動(dòng)中發(fā)揮導(dǎo)向作用，以激發(fā)學(xué)生參與電機(jī)學(xué)課程學(xué)習(xí)為目的，為電機(jī)學(xué)課堂添加更多的“調(diào)料”；引導(dǎo)學(xué)生積極參與并實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的電機(jī)學(xué)教學(xué)效果。電機(jī)結(jié)構(gòu)通常是復(fù)雜的，學(xué)生獨(dú)立完成教師布置的項(xiàng)目方案難度較大；因此采用分組學(xué)習(xí)模式時(shí)，合理分配小組中每個(gè)成員的職責(zé)，例如某個(gè)成員負(fù)責(zé)電機(jī)結(jié)構(gòu)的整體裝配，另一個(gè)成員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)繞組參數(shù)等等；小組每個(gè)成員負(fù)責(zé)電機(jī)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)部分，學(xué)生通力配合完成電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)。隨后引導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)中驗(yàn)證小組設(shè)計(jì)成果的實(shí)際效果，總結(jié)設(shè)計(jì)成果中的亮點(diǎn)以及不足之處；與此同時(shí)組織不同小組根據(jù)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行互評(píng)，在充分利用課堂時(shí)間和課堂資源的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思想和合作探究能力；學(xué)生在這樣的學(xué)習(xí)氛圍中，不僅掌握電機(jī)學(xué)知識(shí)內(nèi)容并提升應(yīng)用能力，也為今后更深刻的合作探究奠定基礎(chǔ)。

教學(xué)過程中還可以將教學(xué)資源延展到更廣闊的范圍，在慕課形式逐步推廣的情況下，教師可以嘗試將慕課資源引入到電機(jī)學(xué)課程的教學(xué)體系中，發(fā)揮慕課資源在展示形式、內(nèi)容解讀等多個(gè)方面的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。由于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中可供使用的電機(jī)學(xué)慕課資源規(guī)模龐大，將慕課資源選擇權(quán)利全部下放給學(xué)生，慕課資源選擇效率偏低；教師憑借自身經(jīng)驗(yàn)，在規(guī)模龐大的電機(jī)學(xué)慕課資源中，選擇較為典型、代表性較強(qiáng)的課程資源供給學(xué)生學(xué)習(xí)，學(xué)生使用慕課資源開展學(xué)習(xí)的過程更加精準(zhǔn)從容，學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量更勝一籌。

3.4 課后復(fù)習(xí)提升

教師在掌握學(xué)生課堂表現(xiàn)的基礎(chǔ)上，制定電機(jī)學(xué)課程的課后任務(wù)。在課上階段中下需要記錄學(xué)生操作虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)際情況，分析學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的效果，定位學(xué)生所處的學(xué)習(xí)層次，并制定針對(duì)性的回饋練習(xí)方案。在課后環(huán)境中加大對(duì)在線資源的使用力度，教師借助線上資源組織電機(jī)學(xué)課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)競(jìng)賽；學(xué)生報(bào)名參加競(jìng)賽后，應(yīng)用虛擬仿真平臺(tái)擬定項(xiàng)目方案并完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)。此后將個(gè)人項(xiàng)目設(shè)計(jì)成品代入到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，驗(yàn)證本人項(xiàng)目設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值。例如教師通過虛擬仿真平臺(tái)開展新能源汽車電機(jī)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，學(xué)生在完成電機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)后，在虛擬仿真平臺(tái)中驗(yàn)證本人設(shè)計(jì)成果，總結(jié)本人項(xiàng)目設(shè)計(jì)的成功之處和不足之處；不同學(xué)生之間也可以通過虛擬仿真平臺(tái)開展產(chǎn)品性能比賽，參與競(jìng)賽的學(xué)生相互之間交流項(xiàng)目設(shè)計(jì)心得并達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的目的，加深對(duì)電機(jī)學(xué)理論知識(shí)的理解，對(duì)電機(jī)參數(shù)和性能的認(rèn)識(shí)更加到位。

4 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)應(yīng)該以學(xué)生為本，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人。應(yīng)當(dāng)積極改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與傳統(tǒng)課堂進(jìn)行融合，進(jìn)行混合式教學(xué)，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的體驗(yàn)感。傳統(tǒng)的教學(xué)模式大部分教學(xué)時(shí)間限于課本知識(shí)的教學(xué)，只能培養(yǎng)理論型人才，而不適合工程技術(shù)人才的培養(yǎng)，與社會(huì)的需求脫節(jié)。然而，要培養(yǎng)工程技術(shù)人員型人才往往需要大量的資金和時(shí)間成本。虛擬仿真平臺(tái)的出現(xiàn)很好的解決了這一問題，為高校從實(shí)際出發(fā)培養(yǎng)工程技術(shù)人才提供了良好的教學(xué)平臺(tái)。