線(xiàn)上一樣做實(shí)驗(yàn)——清華大學(xué)電機(jī)系推出“云”實(shí)驗(yàn)
清華新聞網(wǎng)2月24日電 開(kāi)課以來(lái)，電機(jī)系所有課程都按照課表時(shí)間要求有序進(jìn)行?？墒?，作為工科生的同學(xué)們?cè)趺茨懿蛔鰧?shí)驗(yàn)?zāi)?？目前的云端教學(xué)情景下，實(shí)驗(yàn)怎么做呢？當(dāng)然沒(méi)問(wèn)題，快來(lái)看看電機(jī)系真材實(shí)料的實(shí)驗(yàn)課吧！
“電路原理”：雷實(shí)驗(yàn)
朱桂萍老師的“電路原理”小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的主要特色之一，就是同學(xué)們可以基于便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成大量與理論課融合的實(shí)驗(yàn)。為了及時(shí)了解同學(xué)們?cè)谡n外完成實(shí)驗(yàn)的情況，朱老師從2016年起就開(kāi)始與雨課堂合作開(kāi)發(fā)“雷實(shí)驗(yàn)”（取自漢語(yǔ)拼音LEI，Lab of Electronic Intelligence）智慧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；谶@一平臺(tái)，教師可以在手機(jī)端通過(guò)微信布置實(shí)驗(yàn)、跟蹤學(xué)生實(shí)驗(yàn)狀態(tài)、接收學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生也可以按照教師設(shè)定的實(shí)驗(yàn)流程完成實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中每個(gè)步驟進(jìn)行截屏或拍照，最后自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。開(kāi)課前，朱老師把實(shí)驗(yàn)設(shè)備（圖1）和配套的元器件通過(guò)快遞發(fā)給了同學(xué)們，并在課堂上通過(guò)視頻給大家講解了設(shè)備的基本操作（圖2），課后很快就在手機(jī)上看到了全班同學(xué)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展?fàn)顩r（圖3），同學(xué)們發(fā)過(guò)來(lái)的在家做實(shí)驗(yàn)的照片（圖4）也說(shuō)明大家相當(dāng)投入。
圖1 雷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖2 課堂上給學(xué)生講解設(shè)備的基本操作
圖3 教師手機(jī)端看到的當(dāng)前全班實(shí)驗(yàn)進(jìn)展以及部分同學(xué)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容
圖4 學(xué)生在家做實(shí)驗(yàn)
“可編程控制器及變頻器系統(tǒng)”： 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)
于慶廣老師講授的“可編程控制器及變頻器系統(tǒng)”課程授課和實(shí)驗(yàn)各占一半，所用清華大學(xué)-施耐德聯(lián)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)室位于清華西主樓一區(qū)215，Premium可編程控制器和ATV71變頻器等實(shí)驗(yàn)裝置都具有以太網(wǎng)接口，可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)“透明工廠(chǎng)”的泛在物聯(lián)網(wǎng)功能。
為了讓同學(xué)們?cè)谇Ю镏庖材苓M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，于老師和負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的賈玉榮老師對(duì)實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器和路由器的配置進(jìn)行了改造，把局域網(wǎng)的Premium可編程控制器和ATV71變頻器的以太網(wǎng)端口映射到公網(wǎng)。課程實(shí)驗(yàn)2人一組，一位同學(xué)運(yùn)行下位機(jī)可編程控制器組態(tài)軟件Unity XL Pr，完成控制邏輯編程，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)遠(yuǎn)在清華的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制；同組的另一位同學(xué)運(yùn)行上位機(jī)組態(tài)軟件KingView，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器系統(tǒng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和人機(jī)交互功能。為了讓同學(xué)們看到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的真實(shí)動(dòng)作情況，二位老師又在實(shí)驗(yàn)室加裝了一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，同學(xué)們?cè)谑謾C(jī)上就可以實(shí)時(shí)對(duì)自己遠(yuǎn)程控制的電動(dòng)機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)“云監(jiān)工”。
通過(guò)這種方式，學(xué)生們實(shí)現(xiàn)了真刀真槍做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景和每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5和圖6所示。
圖5 PLC實(shí)驗(yàn)室全景
圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖
2月17日第四節(jié)課，16個(gè)小組同時(shí)進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)，效果非常好。第6組電72班姜智霖同學(xué)在河南商丘的家里順利完成對(duì)下位機(jī)可編程控制器的編程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行控制；電72班徐宇軒同學(xué)在四川成都的家里順利完成對(duì)上位機(jī)組態(tài)軟件的編程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)讀取電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皩W(xué)生在家操作實(shí)驗(yàn)的照片如圖7所示。
圖7 PLC實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)例及學(xué)生在家實(shí)驗(yàn)照片
“電力系統(tǒng)仿真”：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)
電機(jī)系加強(qiáng)并提升國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“基于云仿真的光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬實(shí)驗(yàn)”在線(xiàn)服務(wù)能力，通過(guò)云仿真和云實(shí)驗(yàn)方式傳遞知識(shí)，讓在線(xiàn)教學(xué)形式更豐富、訓(xùn)練更充分，使用更便捷。
學(xué)生訪(fǎng)問(wèn)電機(jī)系創(chuàng)立的云仿真平臺(tái)（www.cloudpss.net），即可開(kāi)展虛擬仿真試驗(yàn)（可通過(guò)教育部網(wǎng)站www.ilab-x.com獲得訪(fǎng)問(wèn)入口）。本虛擬實(shí)驗(yàn)課程面向電氣工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科大三及以上學(xué)生，課程包含“光儲(chǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制基礎(chǔ)知識(shí)”“光儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真測(cè)試系統(tǒng)”以及“光儲(chǔ)系統(tǒng)PCC點(diǎn)管理控制實(shí)驗(yàn)”三個(gè)子實(shí)驗(yàn)，涉及并離網(wǎng)控制、充放電切換、負(fù)荷投切、功率平滑控制等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持學(xué)生對(duì)重要步驟和關(guān)鍵參數(shù)的自由構(gòu)建和自主設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展獨(dú)立仿真操作實(shí)踐和建模分析，以提高學(xué)生對(duì)微電網(wǎng)相關(guān)知識(shí)的理解和掌握水平。
圖8 光儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)圖
上述的光儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)包含了三組光伏發(fā)電系統(tǒng)，一組儲(chǔ)能系統(tǒng)，一組可變負(fù)載系統(tǒng)以及單相交流電網(wǎng)。采用主功率回路與控制回路分離的構(gòu)建模式，具有結(jié)構(gòu)清晰、便于學(xué)生理解及修改的特點(diǎn)。豐富的電氣及控制元件庫(kù)，支持學(xué)生對(duì)仿真算例進(jìn)行擴(kuò)展。學(xué)生可隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐。
供稿：電機(jī)系
編輯：李華山
審核：呂 婷
