摘要：电气工程专业中许多实验由于危险性高、设备昂贵，通过在线方式无法达到认识相关设备结构、系统组成、工作原理、运行方式等教学要求，学生的实践能力不能得到有效培养。为弥补原有教学的不足，以潜油电动机实验为例，详细介绍了虚拟仿真实验在电气工程专业的应用。利用虚拟仿真技术将教学重点、难点融入虚拟场景，构建与生产现场一致的实验场景，将典型运行操作任务转化为实验任务，解决理论教学、实验教学、生产实习和仿真实习等相关教学实践难题。通过基础性操作、综合性操作、复杂性操作，循序渐进地提升学生的实践能力。
关键词：虚拟仿真；电气工程；电机设计；潜油电动机实验
1实验设计思路
对于电气工程专业的学生，深入了解各类采油设备驱动用电动机结构与原理、熟悉各类采油设备驱动用电动机的组装过程、掌握各类采油设备驱动用电动机的设计过程是学习专业课的基础。各类采油设备驱动用电动机性能测试实验无法在实验室完成，因此，笔者开发了各类采油设备驱动用电动机设计与运行特性虚拟仿真实验项目。潜油电动机实验是采油设备驱动用电动机设计实验的重要实验，针对电气工程及其自动化专业学生大三、大四课程和学生毕业设计开设，要求学生能够根据所学的电机理论知识分析复杂工程问题，提出合理可行的解决方案，并能够独立完成电动机的设计、仿真、优化及实验验证，从而培养学生的综合实践能力和创新精神。通过各类采油设备驱动用电动机设计与运行特性虚拟仿真实验(简称虚拟仿真实验)，学生在掌握基础知识的同时，深刻理解各类采油设备驱动用电动机的运行操作规程，提高实践动手能力、团结协作能力和创新意识。因此，实验设计时突出真实性、科技感与美感，让学生在虚拟仿真实验过程中既有真实实验的体验，又被实验设计的科技感和画面美感吸引，从而提高学生的学习积极性和主动性。其中，真实的实验体验从实验环境的真实性、实验操作的真实性、实验结果的真实性三方面来体现。通过搭建一个逼真的实验环境，实现了实验环境的真实性；在实验过程中设计大量人机交互环节，实现了实验操作的真实性，增强了学生的工程意识；基于真实的工程项目，达到实验结果的真实性。在实验设计中增大科技含量，展现了大量实验室无法看到的实际工程场景以及水轮机、发电机等电动机的内部工作场景。而且实验设计注重视觉效果，使呈现给学生的画面美感十足，带来真实的视觉冲击。虚拟仿真实验设计方案如图1所示。驱动用电动机的原理与设计过程认知，包括油田潜油电机介绍、工作原理阐述、电机设计要点说明以及设计软件介绍。二是各类采油设备驱动用电动机组装与运行场景认知，包括海上油田潜油电机运行场景认知，陆上油田潜油电机运行场景认知—无杆和陆上油田潜油电机运行场景认知—游梁式。三是各类采油设备驱动用电动机不同工况下运行特性实验，包括空载实验、短路实验、负载实验和潜油电机的M-S曲线测绘。四是各类采油设备驱动用电动机温度实验，包括热电偶测温系统、样机的负荷及驱动、电机运行环境的模拟、潜油电机样机温度测试。虚拟仿真实验能够使学生熟练掌握电机空载、负载、参数测定等基本实验的实验方法，加深对理论课教学内容的理解与掌握，学会并掌握电机基本实验的操作规程和各种仪器的使用方法，从而培养学生综合运用所学专业知识的能力，提高学生的综合设计能力。虚拟仿真实验具有以下功能：一是创设实验室真实环境；二是展现局部细节(包括电流的流动、磁场的旋转等)；三是展示动态图；四是引导操作者识别所有环节，如有遗漏，可提示；五是有提示模式和考试模式两种展现方式。提示模式每次操作前都会出现相应提示；考试模式操作前无提示，当出现错误操作时显示警示框，同时后台进行相应的扣分处理。
2虚拟仿真实验项目考核评价方法
本虚拟仿真实验项目考核评价方法主要包含5个方面。
2.1预习考核
实验之前学生需要预习，查阅文献资料，完成预习报告，教师对该环节进行考核。该部分占总成绩的10%。
2.2认知考核
学生需要通过软件进入相应环节，了解实验目的、实验原理、认知深井油田采油设备驱动用电动机结构、认知实验场地与仪器设备。该环节完成后，教师对学生进行相关知识考核，再进入实验操作环节。该部分占总成绩的10%。
2.3操作考核
学生的实验操作步骤应正确、规范，实验态度认真。如某些环节操作有误，进行相应扣分。例如，接错实验设备要扣除相应的实验操作分，错一步扣5分；实验数据记录错误也要扣除相应的实验操作分，错一个实验数据扣5分。该部分占总成绩的30%。
2.4数据处理考核
数据处理准确，分析合理。例如，通过数据采集获得空载特性曲线与短路特性曲线等，要求数据正确，曲线规范。该部分占总成绩的20%。
2.5实验报告考核
完成实验后需要在系统中提交实验报告。报告应包含完整的实验目的、原理、步骤，以及对实验结果的分析、讨论，思考题解答。报告中缺少相应内容或者有不完善的、思考题解答有错误的均扣除相应分数。该部分占总成绩的30%。
3虚拟仿真实验的创新之处
3.1教学方法创新
虚拟仿真实验采用线上线下混合式教学模式，真正达到能实不虚、虚实结合[4-6]。第一，提供了与现场一致的实验场景，与真实设备的原理、结构和性能一致的虚拟设备。利用这些虚拟设备可以开展更加灵活的实验形式，根据教学需要进行分组和组合，而且操作方式、内容与真实设备一致。虚拟仿真实验给予学生身临其境的体验，极大地调动了学生的积极性和主动性，有利于培养学生的工程意识。第二，虚拟仿真实验涵盖了海上油田和陆上油田的全部运行设备，并与机电设备运行的知识深度融合，按照实际的运行任务开展实验。学生通过操作、观察和分析，能够将所学知识和技术与实际设备运行联系起来，有利于形成完整的知识体系。第三，基础性操作、综合性操作和复杂性操作相结合，以能力输出为导向，循序渐进地提升学生的实践能力。学生通过基础性操作掌握标准流程和规范，形成基本概念；通过综合性操作形成综合思维，重构知识体系；通过复杂性操作培养学生紧急事故处理的能力，进一步提升其工程实践能力。
3.2评价体系创新
评价体系方面的创新在于借助虚拟仿真实验的模块化授课模式，将课前预习和课后答疑等环节纳入虚拟仿真实验过程中，从而实现全教学过程的考核评价，例如，在虚拟仿真实验正式开始前设置了基本知识学习环节。这样学生从基础知识学习到实验，再到最终的实验报告提交，每个环节均有相关数据收集并纳入总成绩的评价中，能够全面反映学生的实验效果[7]。
3.3原有教学的延伸与拓展
原有教学的延伸与拓展方面的创新在于将原来以书本和观看视频为主的教学方式转变为人机交互式的虚拟仿真实验教学方式。一方面，将抽象枯燥的书本内容可视化，另一方面，将学生无法接触到的各类采油设备驱动用电动机实验变为每个人都可以上手一试的虚拟仿真实验，对教学内容进行了拓展，有助于培养具有宽广眼界和专业知识的卓越工程师。
4结语
虚拟仿真实验弥补了各类采油设备驱动用电动机实验无法完成的缺陷，而且不具危险性。通过虚拟仿真实验，熟悉和掌握各类采油设备驱动用电动机的结构、工作原理、设计方法、工作过程与测试技术；培养学生的基本操作技能，提高学生的实验设计能力和实验现象的分析能力，锻炼学生对实验过程中出现问题的分析和解决能力，进而提高其在真实实验中的动手能力。
作者：艾萌萌 夏云彦 徐永明 单位：哈尔滨理工大学电气工程与电子信息学院
