基于MATLAB的“電氣工程基礎”課程實驗教學改革研究

仰彩霞 楊蕾 鄭雪

摘 要 根據電氣工程及其自動化專業對人才培養的特點，將MATLAB的編程仿真技術引入電氣工程基礎課程的實驗教學。經過教學實踐證明，不僅能加強學生對理論知識的理解，提高理論聯系實踐的能力，還能激發學生的學習興趣，提升學生學好本課程的信心，達到較好的學習效果。

關鍵詞 電氣工程基礎 實驗教學改革 人才培養

“電氣工程基礎”課程是本校電氣自動化專業必修核心課之一，實驗8學時，占總學時（56）的七分之一，雖然實驗學時不多，但實驗教學的好壞，直接反應了學生對理論學習的理解程度，并且對學生以后在該專業領域的學習研究有很大影響，因此對本課程進行實驗教學改革研究十分必要。[1]MATLAB的M文件編程仿真技術能夠讓學生開動腦筋，結合課本的理論知識，對系統進行建模，編寫程序，觀察仿真結果，非常適合“電氣工程基礎”課程的實驗教學和研究。其友好的交互界面和編程環境，有利于培養學生在專業課實驗環節的創新實踐能力。在實物實驗條件達不到良好效果的情況下，運用計算機數字仿真技術可彌補其不足，提高實驗教學的效果。在“電氣工程基礎”課程中引入MATLAB的M文件編程仿真技術進行實驗教學是非常有意義的。

1 傳統實驗教學模式

“電氣工程基礎”是一門理論性、實踐性及專業性比較強的課程，為了提高教學水平，必須具備較高水平的實驗教學和良好的教學環境，傳統的實驗教學模式是固定實驗學時和實驗設備，學生的實踐能力和創新能力的培養都受到限制，無法提高。學生幾乎都是被動的在老師或實驗指導書的指導下機械式地連線、讀取實驗數據、完成實驗報告，甚至有些學校根本沒有開設實驗部分，學生在課本中學到的理論知識無法得到驗證，分析問題、解決問題的能力未能得到任何提高。學生對實驗教學的興趣不大，沒有較高的積極性，造成“電氣工程基礎”課程實驗教學水平無法提高。因此，需要對傳統的實驗教學進行改革和創新，在滿足課程教學目標的同時，提升學生的動手能力，本文提出利用MATLAB的M文件編程仿真技術進行本課程的實驗教學，能有效彌補傳統實驗教學的不足。

2 實驗教學改革研究

傳統的實物實驗受場地環境和設備的限制，不容易實現綜合性系統實驗，且準確性和精度都不高。[2-3]而MATLAB仿真軟件以綜合性和開放性的實驗平臺為支撐，為學生提供綜合性的實驗教學界面，可以進行繪制函數和數據、進行矩陣運算、創建可視化較好的用戶界面、與其他編程語言的程序進行連接等，其主要優勢表現在：[4]（1）不受時間和空間限制，可信度高、編程運算效率高；（2）其高效的數值計算和符號計算功能使用戶擺脫復雜的數學運算分析；（3）MATLAB較強的圖形處理功能，能夠實現運算計算結果的可視化；（4）豐富的應用功能工具箱，為用戶提供了有效且方便實用的處理工具。程序設計具有較高的靈活性和圖形處理功能強大等，在應用過程中，將教學內容、教學方法和教學手段進行全面改革，基于M文件自身特點，讓每一位學生都參與進來，結合課本的理論知識，對系統進行建模，編寫程序，觀察仿真結果，并與課本中的理論分析結果進行比較。

2.1 實驗內容改革

學生的學習興趣是學好一門課程的關鍵，要提高學生的學習興趣，本課程的實驗內容必須改革，才能培養出具有創新能力，并且適應能力強的高素質人才?！半姎夤こ袒A”作為一門專業基礎課，涉及的內容廣，比如電力系統潮流計算、電力系統短路計算、繼電保護、發電廠和變電站的一次和二次系統、電力系統穩定運行等專業課的相關內容，只有對這本門課實行實驗教學內容改革，才能為后續的專業課程及研究生課程做好充分準備。

為了在“電氣工程基礎”課程中更好的開展實驗教學，MATLAB課程應該作為基礎平臺課程先行開設，作為工科專業學習的工具，盡量安排在學生學習專業課甚至專業基礎課之前。在開設專業課時，要盡量選用含有仿真實驗內容的教材方便學生實驗，或者通過教研組編寫包含傳統實驗和仿真實驗的實驗講義供學生實驗時學習。并逐步改善專業實驗室環境，在實驗室里，除了傳統的實驗儀器，應該配備學生電腦和多媒體教學設備，方便教師演示仿真程序。

2.2 實驗教學方法的改革

曾經的實驗教學中，教師習慣性在實驗之前講解實驗原理，甚至給出實驗程序，學生只要照著已有的程序敲進電腦點擊運行按鈕即可。在這個過程中，學生沒有參與到建立模型這一重要環節，對實驗結果的對錯也無法做出自己的判斷。為了提高學生的積極主動性，并且考慮實驗只有8個學時，故在實驗之前一到兩周時間把實驗題目發送給大家，大家可以根據課本的理論知識，互相討論，如何建立數學模型。也可以通過網絡查詢相關類似程序，從中吸取有用的知識，以備自己的上機寫程序需要。在上機過程中，教師要盡力做到有問必答、一一指導。由于班級人數較多，有時候一一指導會忙不過來，可以先指導實驗完成較好的同學，然后帶領幾位同學一起指導編程速度較慢的同學，遇到問題大家共同探討、研究，既培養了師生之間、同學之間的感情，又培養了團隊合作意識，學生也會在編程的過程中體驗到自己完成程序所帶來的成就感。每次實驗結束，總有學生感嘆，終于理解了課本上的理論。在實驗教學方法改革之前，教師僅僅通過學生提交的實驗報告給實驗成績，但由于實驗報告抄襲嚴重，實驗成績無法區分層次。實驗教學方法改革之后，大部分同學的程序都是自己努力完成，實驗報告除了實驗原理和實驗內容是大家相同的以外，實驗程序部分用自己的程序即可，抄襲現象自然就不存在了。通過完成兩個基本實驗，一個綜合實驗，學生門不僅對“電氣工程基礎”這門課程的核心內容有了更好的理解，為我們電氣專業的學生畢業以后讀研或者工作都做了良好的鋪墊。

例如，本課程開的實驗之一為用牛頓拉夫遜法進行潮流計算，首先在理論課中給大家講解了什么是牛頓拉夫遜法，由于大家之前都沒有聽過這種數學方法，現在要將其應用到電力系統潮流計算中，大家覺得像是聽天書一樣，課本中給出的算例，也不知道算例結果是否準確，結果是怎么來的，自己通過手算又很難完成，計算量太大。通過開設的實驗課程，大家先將課本中講解的公式變成計算機語言，然后根據實例的數據進行仿真，再將結果與課本中的結果進行比較，從中發現問題，解決問題，徹底理解高難度的理論知識。

2.3 考核方式改革

成績對學生的學習態度影響很大，部分優秀的同學對自己本身要求比較嚴格，奔著拿高分去做實驗，這部分同學往往是不用老師操心就可以完成的。大部分同學為了完成實驗任務，也會認真對待實驗，還有一小部分同學是為了及格而去參與實驗。為了公平對待，并能體現出優良中差，在給實驗打分的時候分成幾部分，實驗的原創性占60%，實驗的調試及結果的準確性占30%，對實驗結果進行總結歸納，完成實驗報告占10%。如果不認真對待實驗，僅完成實驗報告，實驗成績是無法及格的。

3 總結

經過幾年努力，將MATLAB的M文件編程仿真技術引入到“電氣工程基礎”課程的實驗教學中，使實驗教學更加生動，教學內容更加充實，能夠讓學生將“電氣工程基礎”理論課中無法消化的內容，通過編程徹底消化吸收，更重要的是培養了學生的主動參與性，通過參與整個實驗過程，掌握現代科研的能力，使自己的綜合能力得到提升，并在其它領域和后續學習工作中能夠發揮更好的作用。

參考文獻

[1] 高嬿，張運波，張龍斌.電氣工程專業”電力系統分析”教學改革探索[J].中國電力教育，2013（20）：52-53.

[2] 艾青，李時東.基于MATLAB的電氣工程專業實驗教學改革研究[J].中國電力教育，2014（35）：152-153.

[3] 孫歆鈺.基于MATLAB的電氣工程綜合仿真實驗教學研究[J].信息通信，2015（10）：274-275.

[4] 劉荊飛，康積濤.基于 MATLAB/SIMULINK 的電力系統動態仿真分析[J].東北電力技術，2007（10）：16-19.