虚实融合的项目化教学在《电机学与电力拖动》课程中的实践研究

引言

《电机学与电力拖动》作为电气类专业主干课程，其教学效果直接影响后续《电力电子技术》《运动控制系统》等课程的学习质量。然而，传统教学存在明显弊端：首先，教学内容侧重电磁场理论推导，学生普遍反映旋转磁场、坐标变换等概念难以建立直观认知；其次，实验设备受限于场地与成本，难以开展新能源电机、智能控制等前沿技术实验；再者，现有考核方式偏重笔试，缺乏对系统设计能力的评价。教育部《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》明确指出，要推进信息技术与教育教学深度融合。在此背景下，本研究以某高校电气工程及其自动化专业 2021-2023 级学生为对象，开展虚实融合的项目化教学实践探索。

教学改革的理论依据

本研究以建构主义学习理论和 CDIO 工程教育模式为指导思想。建构主义强调在真实情境中通过主动探索构建知识体系，这与电机学课程中 " 从电磁现象到控制系统" 的认知规律高度契合。 CDIO 模式要求的" 构思—设计—实现—运作 " 完整流程，则为项目化教学提供了方法论支撑。具体到本课程，将三相异步电动机的教学分解为四个认知阶段：第一阶段通过 ANSYS Maxwell 软件可视化磁场分布（认知建立），第二阶段利用 Simulink 搭建矢量控制模型（原理验证），第三阶段在 RT-Lab 半实物平台上调试变频器参数（技能训练），第四阶段完成电梯曳引机节能改造项目（能力迁移）。这种递进式设计符合维果茨基" 最近发展区" 理论，使学生在教师指导与同伴协作中逐步提升工程能力。

教学改革的实施路径

在理论教学方面，采用 " 现象导入—仿真演示—理论提炼 " 的新授课逻辑。例如讲解永磁同步电机时，先播放电动汽车加速过程的磁场变化动画，再引导学生通过 JMAG 软件修改极弧系数观察转矩脉动变化，最后推导出电磁转矩公式。这种教学法使抽象理论具象化，2022 级学生的课堂问卷显示， 83% 的学生认为 " 能更清晰理解参数间的耦合关系 "。在实践环节构建了三级实验体系：基础层保留传统电机特性测试实验，确保学生掌握仪器使用规范；提高层引入Typhoon HIL 实时仿真系统，可模拟风力发电机在电网波动下的动态响应；创新层则要求学生分组完成基于 STM32 的 BLDC 控制器开发，从 PCB 绘制、程序编写到性能测试全流程实践。这种设计既保障了教学大纲要求的技能培养，又为学有余力者提供拓展空间。

项目化教学的具体载体是精心设计的六个典型工业案例。以 " 数控机床进给系统设计与调试 " 项目为例，学生需要完成以下任务：首先根据切削力要求选择伺服电机型号，通过SolidWorks 进行机械结构仿真；然后使用 PSIM 软件设计电流环 PID 参数，在 dSPACE 快速原型系统上验证控制算法；最后连接实际电机测试定位精度，撰写符合 GB/T 16439 标准的测试报告。项目实施中特别强调工程规范，如要求电气图纸符合IEC 60617 标准，代码编写遵循MISRA-C 规范。这种真实场景的训练显著提升了学生的职业素养，2023 届毕业生跟踪调查显示，在机电设备制造企业就业的学生适应期平均缩短2 个月。

教学改革的保障措施

为确保改革成效，配套建设了三大支撑平台。虚拟仿真平台整合了 ANSYSElectromagnetics Suite、PLECS 等专业软件，开发了 12 个交互式实验模块，学生可远程登录完成电机设计、故障诊断等实验。实物实验平台新增了带数字孪生功能的电机测试系统，通过 OPC UA 协议实现物理设备与虚拟模型的实时数据交互。例如在做直流电机调速实验时，屏幕同步显示 Simulink 模型计算的理想转速曲线与实际传感器采集的转速波形，这种即时对比使学生能直观理解参数整定的影响。校企合作平台则与本地智能制造企业共建案例库，将实际工程问题转化为教学项目，如某企业伺服系统抖动问题的解决方案被改造为课堂探究课题。

教学效果评估

采用多元评价方式验证改革成效。量化数据显示：2021 级（传统教学）与2022 级（改革后）对比，期末考试中分析计算题的得分率从 58% 提升至 79% ，系统设计题的完整作答比例从 34% 跃升至 67% 。更具说服力的是实践能力评估，在统一的 " 三相异步电机变频调速系统调试 " 考核中，改革后班级的平均完成时间缩短 40% ，故障排除成功率提高 35% 。质性分析同样显示积极变化，学生反馈 " 通过虚拟调试避免了实物操作的危险性 "" 项目答辩锻炼了工程表述能力 "。企业参与的教学委员会评价指出，学生的系统思维和标准意识明显增强，2023 年有7 个学生小组完成的课程项目被当地中小企业直接采用。

反思与改进方向

当前改革仍存在需完善之处。首先，虚实平台的深度融合有待加强，部分复杂工况（如电机极端温升实验）的仿真精度不足；其次，项目难度梯度设计不够合理，少数基础薄弱学生难以完成创新层任务。后续改进将聚焦三点：一是引入数字孪生技术构建高保真虚拟实验环境，二是开发自适应学习系统实现个性化项目推荐，三是深化产教融合，将企业认证标准（如西门子 SMC 认证）融入课程考核。这些措施将进一步强化课程与产业需求的对接度。

结论

本研究证明，虚实融合的项目化教学模式能有效破解《电机学与电力拖动》课程的教学困境。通过理论教学与工程实践的螺旋式结合、虚拟仿真与实物操作的互补性强化、个体学习与团队协作的多元化组织，显著提升了学生的工程素养和创新能力。该模式的核心价值在于构建了 " 学以致用、用以促学 " 的良性循环，为培养适应智能制造需求的高素质工程技术人才提供了可行方案。未来将继续优化教学资源的开放共享机制，推动改革经验在同类院校中的推广应用。

参考文献

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