“互聯(lián)網(wǎng)+”視野下的虛擬仿真教學(xué)新常態(tài)

楊堆元

(天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

引言

在“十二五”期間，天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院(以下簡稱學(xué)院)為完善天津市重點建設(shè)專業(yè)電力系統(tǒng)自動化的實驗實訓(xùn)條件定制了“35kV虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)”，籌建了達50人學(xué)員規(guī)模的虛擬仿真實訓(xùn)室，為電力系統(tǒng)自動化專業(yè)核心課程的教學(xué)、科研創(chuàng)造了優(yōu)越條件。本文以學(xué)院“35kV虛擬仿真系統(tǒng)”為例，針對在“互聯(lián)網(wǎng)+”視野下虛擬仿真教學(xué)出現(xiàn)的一些新常態(tài)，重點介紹其在“互聯(lián)網(wǎng)+”視野下的一些不足，依照學(xué)院核心課程《電力系統(tǒng)設(shè)備運行與維護》在“工學(xué)結(jié)合”模式下的教學(xué)設(shè)計提出了完善虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的一些建議。

一、“互聯(lián)網(wǎng)+”視野下的虛擬仿真教學(xué)新常態(tài)

“互聯(lián)網(wǎng)+”就是憑借當前計算機技術(shù)、通信技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)平臺等，充分利用各行各業(yè)線下線上資源打造新領(lǐng)域新生態(tài)。國外一些知名高校在一些網(wǎng)絡(luò)開放課程中增加了虛擬實踐仿真的教學(xué)內(nèi)容，并采用基于平板電腦、智能手機、可穿戴計算機的移動式交互實驗，例如美國斯坦福大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)等。美國麻省理工學(xué)院實施的MIT TEAL(Technology Enabled Active Learning)計劃，體現(xiàn)了“教室就是實驗室”的理念，以學(xué)生為主體，激發(fā)主動學(xué)習興趣，構(gòu)建了彼此合作、高度互動、動手實作、虛擬實驗、過程可視的新穎教學(xué)環(huán)境。因此，在“互聯(lián)網(wǎng)+”視野下，學(xué)員們能根據(jù)崗位項目需求組織自己的學(xué)習內(nèi)容，還可以不受時間和空間的限制隨時隨地學(xué)習。虛擬仿真教學(xué)呈現(xiàn)的新常態(tài)主要有：

(一)學(xué)員重構(gòu)知識體系

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的視野背景下，知識體系可以被隨意切割、分類重構(gòu)。如一些通過虛擬3D技術(shù)立體展示出來仿真項目，學(xué)員可以通過重構(gòu)使學(xué)習內(nèi)容更加獨立、有序和生動。

(二)“互聯(lián)網(wǎng)+”打破時空限制

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的視野背景下，學(xué)生可以從任何知識點開始進行反復(fù)學(xué)習，直到學(xué)懂為止；獲取知識的地點，從一臺普通電腦擴充到整個互聯(lián)網(wǎng)。

(三)“互聯(lián)網(wǎng)+”教育教學(xué)打破人數(shù)限制

“互聯(lián)網(wǎng)+”教育教學(xué)不用擔心學(xué)習的門檻，需要的花費也較少，節(jié)約了前期學(xué)習投入資金，擴大了學(xué)習人群，是一種全新的教育教學(xué)學(xué)習模式。

(四)學(xué)習媒介越來越便利

學(xué)生們可以利用智能手機、平板電腦等移動設(shè)備構(gòu)建虛擬課堂、虛擬工作場景獲取專業(yè)知識、專業(yè)技能。如日本學(xué)生可以通過虛擬仿真學(xué)習3.11級地震后福島第一核電站動力工廠核能源的使用和核事故的福射污染等社會科學(xué)問題等等。

所以，“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式真正打破了時間、地域限制，使得整個教學(xué)體系更加完善，學(xué)習者可以獲得全球范圍內(nèi)更多的優(yōu)秀教育資源。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+”視野下傳統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)存在的不足

2006年教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中提出將“工學(xué)結(jié)合”作為高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)模式改革的切入點，大力支持與鼓勵虛擬仿真在職業(yè)教育中的應(yīng)用。在“十一五”、“十二五”期間，設(shè)備生產(chǎn)廠家開發(fā)了大量虛擬仿真系統(tǒng)，如虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗等。在當時歷史背景下，傳統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)一定程度上提高了教育教學(xué)質(zhì)量，起到了良好作用，如我院“35kV虛擬仿真實訓(xùn)室”、“電梯虛擬仿真實訓(xùn)室”、“自動生產(chǎn)線虛擬仿真實訓(xùn)室”及一些常用的Pspice虛擬仿真軟件、Matlab虛擬仿真軟件等等。

現(xiàn)以學(xué)院“35kV虛擬仿真實訓(xùn)室”的虛擬仿真系統(tǒng)及在其“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的一些不足為例，列舉傳統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)在“互聯(lián)網(wǎng)+”視野下存在的一些不足，供高等職業(yè)學(xué)校和生產(chǎn)廠家參考。學(xué)院35kV虛擬仿真系統(tǒng)(以下簡稱虛擬仿真系統(tǒng))是由國網(wǎng)電力科學(xué)研究院北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司研制而成，其技術(shù)在國內(nèi)電力行業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)中處于領(lǐng)先水平，但是在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下也存在如下不足，需要生產(chǎn)廠家以教學(xué)項目任務(wù)為單位進行碎片化處理。

首先，虛擬仿真系統(tǒng)昂貴。該虛擬仿真系統(tǒng)包括了變壓器、斷路器、高壓線路、互感器、用電檢查、用電巡視、高壓隔離開關(guān)等設(shè)備日常運行操作、正常操作、事故處理等等上百個虛擬仿真項目。學(xué)校為了購買某個或者某幾個虛擬仿真項目不得不購買整套系統(tǒng)，繁目眾多的虛擬仿真項目，投入太大，壓力大，大多學(xué)校只能望而卻步。

其次，該虛擬仿真系統(tǒng)還算比較先進，采用的開發(fā)模式為C/S結(jié)構(gòu)，通過組裝局域網(wǎng)實現(xiàn)較大規(guī)模的教學(xué)，但是沒有采用B/S開發(fā)模式，不能上傳到internet網(wǎng)上，因此受益人群窄。

其三，該虛擬仿真系統(tǒng)操作流程嚴謹、死板，容忍度不高，教員和學(xué)員要經(jīng)過嚴格的局域網(wǎng)設(shè)置、教員機設(shè)置、學(xué)員機設(shè)置和選取等等教學(xué)前期準備工作。在使用虛擬仿真系統(tǒng)之前，教員和學(xué)員都要經(jīng)過嚴格的培訓(xùn)，因此教員學(xué)員興趣不太濃。

其四，培訓(xùn)人員受計算機臺數(shù)的限制。該虛擬仿真系統(tǒng)采用的開發(fā)模式為C/S結(jié)構(gòu)，教學(xué)規(guī)模人數(shù)為50人。學(xué)院如需要擴大虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)規(guī)模，還得另外購置計算機等。同時，筆者也調(diào)研了其他仿真系統(tǒng)如“電梯仿真實訓(xùn)室”、“自動生產(chǎn)線仿真實訓(xùn)室”及Pspice仿真軟件、Matlab仿真軟件等，提煉出目前傳統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)主要存在的一些不足供參考：

學(xué)習地點受限。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)大多為單機版或者采用C/S模式，也就是說它們不能被上傳到internet網(wǎng)上，供教員和學(xué)員網(wǎng)上學(xué)習。要想學(xué)習和使用，必須進入虛擬仿真實訓(xùn)室，找到有虛擬仿真系統(tǒng)的電腦；

價格昂貴。廠家往往打包銷售，一個虛擬仿真系統(tǒng)往往具有很多專業(yè)課程的很多仿真項目，提高了產(chǎn)品價格；

不能碎片化處理運行。運行時需要整套系統(tǒng)，不能以項目任務(wù)為單位分開運行；

不能重構(gòu)知識體系。即使采用了B/S結(jié)構(gòu)模式，整套資源比較死板，只是從線下簡單地整套搬到了線上，學(xué)員教員不能重構(gòu)專業(yè)技能知識，學(xué)員教員興趣有限；

受益人群少。單機版或者采用C/S模式的虛擬仿真資源，不方便推廣使用；

缺少互動。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)里大多項目任務(wù)不能互動，缺少與學(xué)員交流的互動性，不具備“互聯(lián)網(wǎng)+”要求的所謂智慧型和開放性；

操作使用不方便，教員和學(xué)員都得經(jīng)過嚴格培訓(xùn)。

總之，在“互聯(lián)網(wǎng)+”大背景下，傳統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，大多沒有采用B/S結(jié)構(gòu)模式，不能被上傳到internet網(wǎng)上，沒有按照項目任務(wù)碎片化處理，不能滿足學(xué)生們泛在學(xué)習、移動學(xué)習、線上線下個性化隨時隨地學(xué)習的要求。

三、基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的仿真教學(xué)設(shè)計

高等職業(yè)學(xué)校正在不斷嘗試著翻轉(zhuǎn)課堂、微課等新興教學(xué)模式，找尋適合自己的教學(xué)模式。這些教學(xué)模式的變革需要依靠互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)提供有效的個性化和協(xié)作化教學(xué)服務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習意識，將學(xué)習變?yōu)樽陨韮?nèi)化特質(zhì)，實現(xiàn)基于“O2O”的教學(xué)價值推送，讓學(xué)生更加愿意學(xué)，教師更加愿意教，形成真正的教學(xué)內(nèi)容和方式的突破?！笆濉逼陂g，學(xué)院為重點建設(shè)“電力系統(tǒng)設(shè)備運行與維護”國家精品課程，滿足“工學(xué)結(jié)合”教學(xué)模式要求，特向國家電網(wǎng)公司定制了35kV虛擬仿真系統(tǒng)。項目組按照“工學(xué)結(jié)合”教學(xué)模式的要求，運用虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)電力系統(tǒng)設(shè)備運行與維護課程，課程資源包括“課程介紹”、“課程標準”、“演示文稿”、“錄像動畫”等20項資源，如圖2所示。學(xué)院電力系統(tǒng)設(shè)備運行與維護課程虛擬仿真教學(xué)設(shè)計合理，教學(xué)效果明顯，供大家交流，希望能起到拋磚引玉的作用。

(一) 課程性質(zhì)

“電力系統(tǒng)設(shè)備運行與維護”是電力系統(tǒng)自動化專業(yè)一門核心主干課。本課程以電機學(xué)、供配電技術(shù)、繼電保護系統(tǒng)運行與維護的學(xué)習為基礎(chǔ)，同時與高電壓技術(shù)、電氣設(shè)備檢修實習、變電檢修技能培訓(xùn)課程相銜接。學(xué)好本課程可為學(xué)生提供將來從事電力系統(tǒng)設(shè)備安裝調(diào)試、運行維護、檢修以及供電設(shè)計等相關(guān)方面的工作所必需的知識和技能。

(二)教學(xué)目的

掌握變壓器、互感器、電力電容器、配電裝置、接地裝置等電氣設(shè)備的基本知識；培養(yǎng)供電設(shè)備電氣故障檢修能力。

具體教學(xué)目的為：職業(yè)知識：掌握變壓器油溫、油色、油位不正常情況，冷卻系統(tǒng)、差動保護跳閘、有載分接開關(guān)維護及故障處理；掌握真空斷路器、高壓隔離開關(guān)、高壓熔斷器、高壓配電裝置、電壓互感器、電流互感器、消弧線圈、電力電容器、避雷器的運行、絕緣子、握接地裝置、電動機維護及故障處理；掌握低壓配電裝置、低壓斷路器、控制繼電器和起動器的運行維護及故障處理；培養(yǎng)學(xué)生查閱電氣國家技術(shù)標準和企業(yè)電氣設(shè)計規(guī)范能力。

(三)教學(xué)項目任務(wù)

名稱崗位要求教學(xué)任務(wù)教學(xué)載體建議學(xué)時項目一走近電氣值班員1.熟悉工作環(huán)境2.熟悉工作崗位要求1.工作環(huán)境多媒體2.崗位要求多媒體8項目二 變壓器的運行及維護(油浸式變壓器)1.掌握變壓器的投運檢查和正常運行的操作2.掌握變壓器日常巡視檢查3.掌握變壓器典型故障處理方法1.變壓器基本知識多媒體2.變壓器的正常操作仿真系統(tǒng)3.變壓器日常巡視檢查仿真系統(tǒng)4.變壓器典型故障處理仿真系統(tǒng)16項目三斷路器的運行與維護1.掌握斷路器正常運行的操作2.掌握斷路器日常巡視檢查3.掌握斷路器典型故障處理方法1.斷路器基本知識仿真系統(tǒng)2.斷路器的正常操作仿真系統(tǒng)3.斷路器日常巡視檢查仿真系統(tǒng)4.斷路器典型故障處理仿真系統(tǒng)16項目四 互感器的運行與維護1.掌握互感器正常運行的操作2.掌握互感器日常巡視檢查3.掌握互感器典型故障處理方法1.互感器的基本知識多媒體2.互感器的正常操作仿真系統(tǒng)3.互感器日常巡視檢查仿真系統(tǒng)4.互感器典型故障處理仿真系統(tǒng)10項目五 其他常見一次設(shè)備運行與維護1.掌握高壓隔離開關(guān)的運行與維護方法2.掌握高低壓熔斷器的運行與維護方法1.隔離開關(guān)運行與維護仿真系統(tǒng)2.熔斷器運行與維護仿真系統(tǒng)12項目六 成套配電裝置的運行與維護1.掌握高壓開關(guān)柜的運行與維護方法2.掌握箱式變電站的運行與維護方法1.配電裝置基本知識多媒體2.開關(guān)柜的運行與維護仿真系統(tǒng)3.變電站的運行與維護仿真系統(tǒng)8合計70

四、總結(jié)

線上線下一體化的個性化“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式將枯燥的課堂理論知識學(xué)習搬到互聯(lián)網(wǎng)上，有利于泛在學(xué)習、移動學(xué)習，并投以直觀生動的影像資料，學(xué)生學(xué)習動力將被激發(fā)；教員可以重構(gòu)碎片，為學(xué)員設(shè)置合適的教學(xué)項目任務(wù)，為學(xué)員節(jié)約了學(xué)習時間?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式真正打破了時間、地域限制，使得整個教學(xué)體系更加完善，學(xué)習者可以獲得世界范圍的優(yōu)秀教育資源。“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真教學(xué)模式的實現(xiàn)不僅要靠學(xué)校、教員、學(xué)員三者的共同努力，更重要的是要靠虛擬仿真系統(tǒng)生產(chǎn)廠家按照學(xué)校的課程教學(xué)設(shè)計要求，將整個大系統(tǒng)按項目任務(wù)甚至工作過程階段進行碎片化處理，而且碎片能在Internet網(wǎng)上單獨運行，供全世界范圍內(nèi)不分貴賤貧富的各類人群學(xué)習和使用。