東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)及應(yīng)用

胡 蔓， 楊 明， 杜萍靜

（山東大學(xué)a．工程訓(xùn)練中心；b．電氣工程學(xué)院，濟南250061）

0 引 言

在能源革命、“一帶一路”倡議的快速推進中，建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為承載能源革命、實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的全球共識。在電力能源行業(yè)向多能耦合、跨區(qū)互聯(lián)進行戰(zhàn)略調(diào)整的背景下，實驗教學(xué)對應(yīng)升級電氣工程人才培養(yǎng)方案迫在眉睫。

依托于山東大學(xué)“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”新工科特色班的人才培養(yǎng)體系，將虛擬仿真軟件應(yīng)用于跨國能源互聯(lián)網(wǎng)的實踐教學(xué)，以信息技術(shù)應(yīng)用作為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段［1-2］。以東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)為實驗背景，采用數(shù)字仿真技術(shù)和3D 建模等技術(shù)建立高度仿真的能源互聯(lián)網(wǎng)分析項目。項目包含能源系統(tǒng)規(guī)劃、能源系統(tǒng)運行、資源稟賦分析、能源經(jīng)濟分析等多方面的考核內(nèi)容，融合電力、能源、經(jīng)濟等多學(xué)科知識，采用探究式等多種教學(xué)手段，契合新工科人才培養(yǎng)的理念，培養(yǎng)學(xué)生理解、分析、解決全球能源問題的基本素養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生在能源、經(jīng)濟以及政治等領(lǐng)域的交叉思考能力，為未來跨國能源互聯(lián)互通培育具有全球能源意識和國際視野的人才［3-4］。

該實驗項目的建立，將理論知識與實踐操作更好融合，支持學(xué)生隨時隨地進行學(xué)習(xí)，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)多以教師講解的不足，填補了國內(nèi)跨國能源互聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的空白。在教學(xué)中有助于樹立學(xué)生的能源意識，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，促進創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)［5］。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)項目建設(shè)必要性

1.1 全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求

自習(xí)近平總書記2015 年9 月26 日在聯(lián)合國發(fā)展峰會提出全球能源互聯(lián)網(wǎng)倡議以來，全球能源互聯(lián)網(wǎng)理念已得到了國際上的認(rèn)可與積極響應(yīng)［6-7］。2019 年全球能源互聯(lián)網(wǎng)合作發(fā)展組織正式頒布“一帶一路”能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方案，促進了全球能源互聯(lián)網(wǎng)的加速建設(shè)。能源互聯(lián)網(wǎng)的加速推進，需要有強大的科研、工程實力作保障，要求該領(lǐng)域科研、工程人員具備全球化視野、一定的現(xiàn)場經(jīng)驗、專業(yè)的能源知識和過硬的自主創(chuàng)新能力。

鑒于全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對該領(lǐng)域教學(xué)，尤其是實驗教學(xué)方面提出的強烈需求，考慮東北亞地區(qū)作為“一帶一路”能源發(fā)展規(guī)劃的起點，具有能源供需逆向分布、綜合能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求迫切、學(xué)生對其認(rèn)知相對充分等特點，因此展開東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真的研究有助于該方向的教學(xué)和人才培養(yǎng)［8］。

1.2 實驗教學(xué)的現(xiàn)實需求

山東大學(xué)特設(shè)“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”新工科特色班，培養(yǎng)能源互聯(lián)領(lǐng)域人才，通過《全球能源互聯(lián)網(wǎng)概論》等課程進行該領(lǐng)域教學(xué)。然而全球能源互聯(lián)網(wǎng)存在能源傳輸路徑復(fù)雜、多種能源并濟、綜合能源理論相對抽象等特點，教學(xué)內(nèi)容難度相對較大。由此，亟須通過實驗教學(xué)手段，提升學(xué)生對于知識的直觀理解。然而，受限于實驗空間、實驗環(huán)境和實驗安全等多方面因素，實際中存在難以還原真實系統(tǒng)、缺乏實體操作型實驗等教學(xué)壁壘［9］。

為此，開發(fā)數(shù)據(jù)實時傳輸、后臺真實存儲的東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗，可以填補跨國能源互聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的空白，破解學(xué)生無法直觀了解跨國能源傳輸與配置問題。從而實現(xiàn)信息技術(shù)和實驗教學(xué)的深度融合，提高了實驗教學(xué)的水平和質(zhì)量，進一步提升高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)能力［10］。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)

2.1 虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)目標(biāo)

虛擬仿真實驗教學(xué)項目高度還原東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)的真實狀態(tài)，為多種能源場景下的自主探索提供了平臺。項目建設(shè)以期達到以下目標(biāo)：

（1）打破實驗教學(xué)壁壘，提升教學(xué)水平。依托東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目，消除能源互聯(lián)網(wǎng)理論教學(xué)與實際現(xiàn)場的壁壘，讓學(xué)生在仿真實驗中夯實知識、驗證知識，改變能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域理論教學(xué)抽象無趣的課堂效果。通過化抽象為具體的教學(xué)手段，幫助學(xué)生消化知識，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提升教學(xué)水平。

（2）鼓勵學(xué)生自我探究，提升學(xué)生綜合能力。該項目充分落實新工科人才培養(yǎng)理念，融合多學(xué)科知識，采用情境體驗式實踐育人方法，鼓勵學(xué)生自我探究。項目能夠支持學(xué)生對開放性問題進行探索，同時能源情境、能源數(shù)據(jù)等的自主設(shè)置可滿足學(xué)生在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的探索和研究，成為輔助學(xué)生進行科研的實驗探索和驗證平臺。因此，有利于培養(yǎng)實踐、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才［11］。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目體系架構(gòu)

實驗內(nèi)容的設(shè)計充分貼近全球能源互聯(lián)網(wǎng)理論教學(xué)課程，落實到實際問題，本著先易后難、先基礎(chǔ)后提升的原則設(shè)置全球能源互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)搭建、實時功率和多能源能量平衡仿真實驗4 部分內(nèi)容。

其基本實驗框架和知識點如圖1 所示。①通過能源互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知，讓學(xué)生了解全球各地區(qū)的能源特性、樹立全球能源意識。②以此為理論基礎(chǔ)，對能源互聯(lián)網(wǎng)的搭建原則和規(guī)劃進行探究，讓學(xué)生明確東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征，掌握合理規(guī)劃能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的原理與方法，形成一定的全球能源配置觀念。③在電力網(wǎng)架基礎(chǔ)上，設(shè)置東北亞地區(qū)電力能源功率平衡實驗，使學(xué)生了解電力負(fù)荷的時區(qū)差異性、清潔能源電源的波動性，及電力互聯(lián)的機理與特征，形成正確認(rèn)識和把握電力平衡規(guī)律的能力。④以功率平衡理論為參考設(shè)置東北亞多能源能量平衡仿真實驗，讓學(xué)生了解各地區(qū)能源需求的差異性，理解能源之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系及其重要意義，熟悉環(huán)境、經(jīng)濟等因素與能量平衡的相關(guān)性，掌握能源互聯(lián)網(wǎng)能量平衡的分析方法。整個實驗框架涵蓋知識點全面、層層推進，授課邏輯清晰。

圖1 實驗內(nèi)容框圖

圖2 水電站3D仿真界面

在各部分內(nèi)容實現(xiàn)時，結(jié)合內(nèi)容與教學(xué)需求，充分利用多種仿真、教學(xué)手段和交互性步驟以達到最佳實驗設(shè)置效果。如能源互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知部分著重采用Unity3d作為3D引擎［12-13］，高度還原了圖2所示水電站等一系列3D設(shè)備場景。使實驗有良好的用戶體驗感和真實感，便于學(xué)生對相關(guān)概念建立直觀印象，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)建實驗過程中，充分利用啟發(fā)式、探究式教學(xué)方法，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建時，由學(xué)生自主設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c容量（圖3），以增強學(xué)生對于跨國能源互聯(lián)的理解，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。后2 個實驗則設(shè)置了能源互補特性的影響、“電力替代”的作用等探究類問題（圖4），激發(fā)學(xué)生的課堂興趣，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究意識和自主學(xué)習(xí)能力［14-15］。

圖3 自主設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c容量操作示意圖

圖4 “電力替代”作用研究操作示意圖

整個實驗內(nèi)容在設(shè)置時，充分考慮能源互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)領(lǐng)域的需求和難點，將理論教學(xué)中難以充分展示的能源互補特性的影響、“電力替代”的作用和互聯(lián)線路搭建原則等16 個知識點融入實驗內(nèi)容，且包含20 個交互步驟和“能源峰谷特性的影響”等多項開放性問題的探究。

2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)特點

（1）面向國家需求，培養(yǎng)新型電氣工程人才。國際能源合作是“一帶一路”倡議的重要領(lǐng)域，隨著“一帶一路”建設(shè)的不斷推進，培養(yǎng)具有國家能源安全觀和國際視野的新型電氣工程人才是發(fā)展的必然要求。同時新工科建設(shè)也對本科教學(xué)提出了應(yīng)當(dāng)適用和使用新的、先進的教學(xué)工具，注重創(chuàng)新性、實踐性的要求［16-17］。項目順應(yīng)全球能源互聯(lián)戰(zhàn)略布局和新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的新要求，從全球視野出發(fā)，以東北亞地區(qū)為例進行研究，構(gòu)建東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目。通過理論教學(xué)與虛擬仿真實驗教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理解、分析、解決全球能源問題的基本素養(yǎng)，滿足國家戰(zhàn)略與電力能源企業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的需要。

圖5 實驗項目英文版本示意圖

（2）以用戶為中心，搭建中英文雙語版本。為充分考慮國際留學(xué)生、國外高校與研究機構(gòu)的使用需求，同時開發(fā)了中英文雙語版本，如圖5 所示，可以滿足國內(nèi)外相關(guān)人員的實驗教學(xué)需求，促進國際交流，也為項目的后續(xù)開發(fā)與推廣提供保障。目前，該項目雙語版本除了在中國大陸高校、企事業(yè)單位推廣外，已在日本、新加坡、泰國、中國臺灣地區(qū)等多個國家和地區(qū)的高校和科研機構(gòu)進行了推廣，為“一帶一路”的能源建設(shè)做出了一定宣傳和促進作用。項目采用多樣化、全方位的評價體系對學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況進行評價。通過線上課前預(yù)習(xí)測試、仿真實驗操作，線下開放性課題分析、實驗報告等多方位的綜合評測，過程考核和能力考核并重。完善的評價體系，讓學(xué)生及時了解自己對相關(guān)知識的掌握程度，便于學(xué)生查缺補漏。該評價方式彌補了單一考核方式的不足，能夠結(jié)合實驗內(nèi)容和考核對象合理選擇考核方式，切實促進學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過圖6 該項目使用前后學(xué)生《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》成績的對比結(jié)果和圖7 學(xué)生自主創(chuàng)新意識提升調(diào)查結(jié)果可以看到，在該考核方式下，學(xué)生的自主創(chuàng)新意識、知識掌握程度都有較大提升。

圖6 學(xué)生《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》成績對比圖

圖7 學(xué)生自主創(chuàng)新意識提高情況

同時，也能夠評估理論、實驗教學(xué)方面的長處和不足，便于教師對理論教學(xué)和實驗教學(xué)進行改進達到了“以考促學(xué)、以考促教”的目的［18］。

3 互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的應(yīng)用和持續(xù)建設(shè)

實驗項目除了作為山東大學(xué)電氣工程學(xué)院“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”新工科特色班的必修實驗課程進行了應(yīng)用，還以“綜合實驗”的形式在電氣工程及其自動化專業(yè)進行全面推廣，也獲得了其他高校和研究機構(gòu)的認(rèn)可和歡迎。項目已推廣至國內(nèi)外20 多所高校和研究機構(gòu)，涵蓋中國大陸、美國、新加坡、日本和中國臺灣地區(qū)等多個國家和地區(qū)，萬余人次使用該項目進行實驗教學(xué)、科研探究或成果驗證。

該項目將在此基礎(chǔ)上逐步擴大推廣范圍和推廣深度，增加實驗項目內(nèi)容，打造實驗平臺。

3.1 面向“一帶一路”沿線國家和全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟高校免費開放

為充分響應(yīng)國家“一帶一路”倡議，項目將優(yōu)先面向“一帶一路”沿線的東亞、中亞、西亞直至歐洲地區(qū)的高校開放推廣，為以上地區(qū)的高校提供教學(xué)和科研服務(wù)。項目將依托我校作為全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟主席單位的條件，面向全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟30 余所成員高校推廣應(yīng)用。

3.2 面向全球能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究機構(gòu)免費開放

實驗項目不僅可以應(yīng)用于實驗教學(xué)，還可進行科學(xué)研究，為此，本項目將會向全球能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究機構(gòu)免費開放，同時可以通過研究成果豐富本項目內(nèi)容，使項目不斷的改進和完善。

3.3 持續(xù)加強全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)并豐富建設(shè)內(nèi)容

將持續(xù)加強全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，更新項目內(nèi)容和軟件架構(gòu)，比如對東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟性分析、環(huán)境效益分析功能，以保證虛擬仿真實驗項目與實際系統(tǒng)的一致性。學(xué)校將提供持續(xù)的建設(shè)與運行經(jīng)費，在未來5 年內(nèi)將逐步增加對東南亞直至亞太地區(qū)的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃、分析能力等內(nèi)容，建設(shè)成能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣大學(xué)生實驗學(xué)習(xí)和科研創(chuàng)新的綜合平臺。

4 結(jié) 語

以東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)為對象，將能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識融入實驗項目，解決了跨國能源互聯(lián)網(wǎng)難以進行實驗教學(xué)的困境，通過虛擬仿真的手段，破解了學(xué)生無法直觀了解跨國能源傳輸與配置的問題。該項目可以滿足自主搭建未來跨國能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，能夠設(shè)置不同能源場景，模擬不同能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，搭建了中英文雙語版本，有利于增強國際交流。同時，項目提供了理論知識測試環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)虛實結(jié)合的優(yōu)勢，提高了學(xué)生的實踐水平、課程成績和課程滿意度。下一步項目將按照一流本科課程“雙萬計劃”中提出的國家“金課”“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)改進和完善，力爭建設(shè)為虛擬仿真金課。