1、基于 Lab,VIEW 构建“四维一体”的含信息处理类课程教学研究打开文本图片集【摘要】含信号处理类专业课程一般理论性强、概念抽象，帮助学生理解课程中的基本原理、基本判据、信息实现等是这类课程教学中所面临的一个关键问题。随着计算机、互联网等先进技术手段在课堂上应用，高效优质的网络教学模式建设和资源是开展教学研究的关注点，进一步把仿真技术应用到日常教学中，加深学生对基本原理的理解。本文引用 Lab VIEW 的虚拟仿真技术，对“四维一体”的实验教学进行探索，重在信息化教学模式、辅助教学平台的设计、信息化多媒体课件的制作、信息化的讲授过程。通过类课程平台建设，可有效调动学生的积极性和创造性，进而提
2、高分析和解决问题的能力，切实提高教学质量。【关键词】四位一体;Lab VIEW;信息处理类;教学改革【基金项目】本文系三峡大学教学研究项目“基于 Lab VIEW 构建“四维一体”的含信息处理类课程教学研究与实践”（编号：J2014016）的研究成果。中图分类号：G642.4文献标识码：A文章编号：1671-0568（2016）02-0069-03信息处理是现代电力系统保护与控制由理论走向工程实现的基础，信息处理类的课程也由基础课程“信号与系统”拓展到“微机继电保护”“自动装置”等电气工程专业课。传统的信息类课程教学方法是以理论课与课程实验等教学环节构成。从教学调研来看，大多数学生对信息处理的
3、学习不感兴趣，一方面是因为信息处理课程本身内容比较抽象、枯燥，另一方面则是诸如保护原理的信息处理实验较少，学生难以从系统上理解和关联所学知识，造成学生只愿意接受定论，不理解课程应用，缺乏求知欲。目前，国内研究试通过增加实验内容，增大实习层次，改善对这类课程的理解，但相应地增加了教学资源和教学时间，同时课堂教学问题并没有改善。随着多媒体教学的普及应用，引入 Lab VIEW 软件设计辅助教学平台，在含信息处理的课程理论教学中，可以同步进行实验环节，形成“动态展示理论教学课程实验系统分析”的“四维一体”教学。目前，三峡大学电气与新能源学院本科教学和研究生教学开设很多含信息处理类课程，因此有必要加强
4、这类课程的一体化教学研究。一、“四维一体”信息化教学资源的建立和设计所谓“四维一体”，体现在采用信息化的多媒体课件;结合最新发展，讲授专业知识;应用辅助教学平台同步实验与理论教学;形成信息化的教学资源库，系统答疑学生的问题。而电气工程方向大学生毕业后基本上都走向了电力相关行业从事实际技术研究和设计工作，熟练掌握含信息处理类的课程对于提高学生的知识面和动手能力尤为重要。当前三峡大学电气与新能源学院正走在试点学院的改革道路上，针对英才班、卓越班、求索班等学生的培养更是要求学生具备创新能力和工程师的技术。因此，本文通过建立“四维一体”的教学模式，长期开展这类课程的同步教学，可系统联系电气学科的知识，
5、逐渐形成学生对问题的思考以及动手解决问题的动力。1.“四维一体”信息化教学模式的建立采用类似 Lab VIEW 的专业软件设计实验仿真和辅助教学平台，通过同步理论教学和课程实验设计，能够直观地分析和比较仿真结果以及各种原理的优劣。相对于“信号与系统”“数字信号处理”专业基础课程，“电力系统微机保护”是一门含信息处理的专业课，主要研究确定性信号处理实现继电保护原理和判据等的基本分析方法。利用 Lab VIEW强大的数值计算和信号处理功能，可以很方便地得到继电保护各种保护原理实现和控制的设计结果，并能直观地分析和比较各种原理性能指标以及各种二次系统设计方法的优劣，为学生理解算法和简化运算带来了极大
6、的方便。信号处理系列课程是以算法为核心的理论性很强的学科，许多理论都基于比较抽象和烦琐的推论和推导，本科学生学习这两类课程具有一定的困难，所以实验显得尤为重要。开设 Lab VIEW 软件编程实验，对理论进行验证，可帮助学生理解与掌握课程中的基本概念和基本分析方法，提高学生的动手能力、科研能力和创新能力。2.信息化辅助教学平台的设计为了提高平台的灵活性和可扩展性，本文已设计了“微机保护”课程的信息处理实验都作为一个子模块，具有单独的子 VI，学生可以灵活修改和调试，以便系统维护和增加新的实验项目。整个仿真平台的系统结构如图 1 所示，该仿真平台由信息参数设置、系统数据调入、初级信号处理、高级信
7、号处理、滤波、电气参数计算、动作方程实现、二次保护控制等 8 个基本模块构成，基本上涵盖了微机保护课程的主要教学内容。为简化每个基本模块的设计，本平台采用了层次化设计方法，将每个基本模块又分解为若干个子模块，子模块下面还可以包括子模块。图 2、图 3 分别给出滤波和动作方程的组成框图，它们各自有多个子模块构成（其他基本模模块组成框图限于篇幅，不一一列出）。该平台主要为继电保护课程教学提供一个交互式的用户界面，通过对专业理论课程中的重要内容动态仿真，以帮助学生深刻理解这些内容的物理概念、物理过程和几何意义。该平台通过单击主界面的相关按钮即可进入相应的子模块窗口进行保护对象的设置和实验仿真，进而获
8、得到对应的原理验证，并且各个子模块仿真窗口可以随意进行相互切换，使用灵活方便。3.信息化多媒体课件的制作信息化多媒体课件的制作，即多媒体素材的收集、加工与处理。多媒体素材拓展包括文本、图形图像、动画、视频、声音等。多媒体课件的制作注重学生的学习自主性和交流协作性作为教学设计的特点，教学内容的展示充分运用多媒体和信息技术，动画演示配以同步文字描述或语音解说，学生能观察到与课堂教学内容完全相符的信号处理过程，能从听觉、视觉上充分强化学生的学习印象，同时激发学生学习信号处理类课程的兴趣，达到主动学习，主动获知的目的。4.信息化的讲授过程针对信号处理类课程课堂教学的特点，在教学难点和重点处设计理论讲授
9、和实验环节，通过展示实验结果和信息的处理过程，加强学生的理解，真正利于课堂教学。把抽象的原理形象化，能把枯燥的理论与工程实践紧密结合。建立重点内容的信息资源库，便于学生课后的答疑。二、应用举例利用 Lab VIEW 软件验证纵联电流差动保护原理：纵联电流差动保护原理是建立在基尔霍夫定律的基础之上，当线路 MN 正常运行以及被保护线路外部短路时，按母线流向线路的电流方向为正，则 M 测电流为正，N 测电流为负，两侧电流大小相等，方向相反，即iM+iN=0，当线路内部短路时，则 iM+iN=iK（iK 为短路电流）。利用被保护元件两侧电流在区内和区外故障时的差别，构成电流差动保护。图 4 实现了区
10、内故障的实验验证，图 5实现了区外故障的实验验证。现在打开 Lab VIEW 软件，进入 Lab VIEW 仿真界面，然后从元件库中调出所需的线路元器件+差动保护，得到图 4 所示的仿真图，由图可知这是一条长为 120Km 的双侧电源供电网络，系统的容量为 1000MVA，两个电流互感器的参数完全一致，变比为 1200/5，故障类型为 A 相接地短路（电力系统中发生最多），发生在线路内部 30%处，过渡电阻为50。由纵联差动保护原理可知，发生内部故障时，则 iM+iN=iK（iK 为 k1 点短路电流）。仿真结果得知 im=3030.6，in=1829.5，ir=4830.2，现在进行课堂讲解
11、验证：im+in=3030.6+1829.5=30cos30.6+30sin30.6+18cos29.5+18sin29.5=25.82+j15.37+15.67+j8.86=41.49+j24.23=4830.2=ir当发生外部故障时，由纵联差动保护动作原理可知，iM+iN=0，现由图 5 可知，设故障发生在线路外 120%处，既外部故障，但此时依然需要用式 iM+iN=iK 验证，已知im=3045.2，in=29.8224.3，ir=0.51111.6。现在进行如下验证：im+in=3045.2+18224.3=30cos45.2+30sin45.2+29.8cos224.3+129.8
12、sin224.3=21.14+j21.29-21.33-j20.81=-0.19+j0.48=0.51111.6=ir经过上述两处基于 Labview 的仿真，差动保护原理基本被验证，通过可视化的图像可以清楚地理解差动保护的原理和构造，实时了解各电气量的变化，排除学习枯燥、粗像、难以理解的难题，在此基础上，学生还可以自主开发研究，搭建模型，仿真不同故障类型的电流变化，加深对信息数据处理类理论的理解，通过 Lab VIEW 实现的这些可视化系统，具有可重性高、开发功能通用、高效等优点。将其应用到教学中来，能够快速、轻松、高效地对理论知识和图论进行设计和验证，使学生深入理解，提高分析和解决问题的能
13、力，切实提高教学质量。随着科学技术的发展，计算机技术的飞速发展和信息化程度的进一步推进，利用“四维一体”的教学资源进行授课已经成为可能，这种“四维一体”的教学资源的建立对提高学生的综合素质和提升学校的办学特色起到很好的推动作用。越来越多的实验教学课程都引入了虚拟仿真技术，利用 Lab VIEW 软件进行仿真实验，其建模简单，功能强大，可有效调动学生的积极性和创造性，进而提高分析和解决问题的能力，切实提高教学质量。参考文献：1 张红兵，赵二刚，张颖.虚拟仿真在电子类实验教学中的应用探索J.实验室科学，2015，（3）：44-45.2 程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践J.实验技术与管理，2013，（7）：94-95.3 杨敬松，贺秀玲，刘淑聪.基于 LabVlEW 的“信号分析与处理”实验教学平台设计J.实验技术与管理，2014，（11）：114-115.4 许力，张波，陶薇薇.基于 LabVIEW 的数字电路实验教学平台设计J.实验室科学，2011，（4）：98-100.5 巩萍，祁雪梅.虚拟仪器技术及其在实验教学中的应用J.长沙大学学报，2007，21（2）：103-104.（编辑：秦俊嫄）
