電氣工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系研究與構(gòu)建

朱永勝 徐其迎

摘? 要 介紹電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，構(gòu)建電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真多維度、模塊化實(shí)踐教學(xué)資源和教學(xué)體系，介紹中原工學(xué)院虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成果及其技術(shù)，為同類院校、相同或者相近專業(yè)在構(gòu)建虛擬實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面提供借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué)體系;實(shí)驗(yàn)室;電氣工程;MATLAB/Simlink

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）08-0132-03

Abstract This paper is presented the experience and practice of vir-tual simulation practice teaching system and laboratory construction of electrical engineering. It can be enriched the practice teaching contents for the whole process of electric power production， and per-fected the Multi-dimensional， modular teaching resources. It can be?provided reference and help for similar colleges， same or similar spe-cialty in constructing virtual practice teaching system and laboratory construction.

Key words virtual simulation; practical teaching system; laboratory; electrical engineering; MATLAB/Simlink

1 引言

在新工科和工程教育認(rèn)證背景下，隨著實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和手段的改革和發(fā)展，高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)所占比例不斷提高，高校實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要作用也越來越突出。尤其對(duì)于某些專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，不但需要投入大量資金，而且由于其專業(yè)性強(qiáng)，往往在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)交互性和實(shí)驗(yàn)操作安全性等方面不能滿足日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)在實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本、交互性和安全性等方面的不足。尤其對(duì)于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，因該專業(yè)具有電壓高、電流大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、電氣設(shè)備種類繁多、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)[1]，故在高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中不可能建立和真實(shí)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)完全相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。因此，近年來運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)開始逐漸成為各大高校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要手段和發(fā)展方向。

中原工學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)為卓越工程師計(jì)劃及工程教育認(rèn)證試點(diǎn)專業(yè)。隨著相關(guān)教學(xué)改革工作的推進(jìn)，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)逐步提升的綜合辦學(xué)水平與現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)資源及體系之間的矛盾日益凸顯。因此，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)并開展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)改革與探索，進(jìn)而優(yōu)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，建立面向從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到專業(yè)實(shí)驗(yàn)、從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，研究“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新”三位一體的實(shí)踐教學(xué)體系和模式，成為中原工學(xué)院在工程認(rèn)證背景下實(shí)現(xiàn)“實(shí)踐教學(xué)達(dá)標(biāo)”的關(guān)鍵抓手。

本文結(jié)合中原工學(xué)院在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)，介紹虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成果，希望能夠?yàn)橥愒盒?、相同或者相近專業(yè)在構(gòu)建虛擬實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面提供借鑒和幫助。

2 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系研究

國(guó)內(nèi)電氣工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題? 目前，國(guó)內(nèi)各大電力強(qiáng)校已經(jīng)建成一些電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室根據(jù)各高校專業(yè)特色各具功能和特點(diǎn)，有的實(shí)驗(yàn)室引入仿真和半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，具備風(fēng)、光等多源分布式發(fā)電的管理、設(shè)計(jì)和仿真等功能;有的實(shí)驗(yàn)室則可以仿真不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)電能傳輸和分配過程。上述實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)見證了國(guó)內(nèi)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的起步及發(fā)展，但是也暴露出目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面存在的一些問題。

1）各大電力強(qiáng)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本聚焦于電力行業(yè)的某個(gè)特定系統(tǒng)，不能體現(xiàn)電能發(fā)、輸、變、配、用的全過程、立體化特點(diǎn)，尤其對(duì)于普通二本院校來說，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)起點(diǎn)過高、價(jià)格也過于昂貴。

2）現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)比較多，但對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系內(nèi)容、模式的研究并不多，相關(guān)教學(xué)資源有待深入挖掘、整合。

優(yōu)化電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系? 根據(jù)工程教育認(rèn)證工作的具體要求，結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)和人才培養(yǎng)定位，在修訂本專業(yè)本科培養(yǎng)方案時(shí)適當(dāng)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高課程教學(xué)中綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程的比例，完善和補(bǔ)充課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立多維度、模塊化、前后銜接、整體提高的實(shí)踐教學(xué)體系。如按照現(xiàn)有專業(yè)方向整合核心課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，構(gòu)建專業(yè)方向培養(yǎng)目標(biāo)模塊化實(shí)踐教學(xué)體系，并以提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，按照行業(yè)特點(diǎn)、認(rèn)知規(guī)律和專業(yè)方向進(jìn)行實(shí)踐課程內(nèi)容的整合和優(yōu)化。重點(diǎn)建設(shè)電路、電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)踐體系，建設(shè)以電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程相關(guān)聯(lián)的專業(yè)課程實(shí)踐體系。

中原工學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)分兩個(gè)專業(yè)方向分別建設(shè)課程實(shí)驗(yàn)體系，電氣控制與智能電網(wǎng)方向建設(shè)的專業(yè)核心課程為電氣工程基礎(chǔ)、電機(jī)控制、智能電網(wǎng)技術(shù)、DSP技術(shù)、電能轉(zhuǎn)化與控制，重點(diǎn)建設(shè)以實(shí)物仿真為主的智能電網(wǎng)與新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)室和以軟件仿真的電能變換與控制實(shí)驗(yàn)室。電力系統(tǒng)自動(dòng)化方向建設(shè)的專業(yè)核心課程為電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)、高電壓工程等，重點(diǎn)建設(shè)以實(shí)物仿真為主的電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室和以軟件仿真的220 kV變電站仿真、發(fā)電廠虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室。

構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系時(shí)，結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)核心課程建設(shè)，根據(jù)教學(xué)要求和實(shí)際條件建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，構(gòu)建由課內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、校內(nèi)外科技活動(dòng)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)組成的多維度、模塊化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)分為基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、綜合型仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)型仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、創(chuàng)新型仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目四個(gè)層次。

從大一入學(xué)開始先接觸虛擬仿真基礎(chǔ)層次，重點(diǎn)認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)以MATLAB/Simlink為平臺(tái)搭建的簡(jiǎn)單電路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚2]，

以期完成電路和電子技術(shù)課程中單個(gè)電路的仿真實(shí)驗(yàn)。

到大二時(shí)開展虛擬仿真綜合層次訓(xùn)練，利用MATLAB/Simlink為平臺(tái)搭建復(fù)雜電路模型，能夠完成電路、電子技術(shù)中綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建發(fā)電廠生產(chǎn)工藝流程，達(dá)到和完成培養(yǎng)計(jì)劃中的專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)課程目標(biāo)。

到大三時(shí)的虛擬仿真提高層次，能夠利用半實(shí)物仿真和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)和研究基于電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制原理課程的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)過程，構(gòu)建集電能轉(zhuǎn)換和控制、電磁機(jī)電原理和復(fù)雜控制系統(tǒng)于一體的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

大三至大四學(xué)年，利用大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽和創(chuàng)新訓(xùn)練、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)，構(gòu)建基于“課內(nèi)+課外”一體的研究性創(chuàng)新虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，利用實(shí)物、半實(shí)物、計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建虛擬仿真模型，完成電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用一體，包括電氣一次和二次、傳統(tǒng)電網(wǎng)和智能電網(wǎng)兼具的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建多維度、模塊化、前后銜接、整體提高的實(shí)踐教學(xué)體系，從而提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

3 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)踐

在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中，依托計(jì)算機(jī)軟件仿真技術(shù)、實(shí)物仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)思路，以“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方針，以實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容整合、優(yōu)化以及教學(xué)方法與手段的改革為主要形式，引入不同形式、不同層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建設(shè)相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。

目前，中原工學(xué)院在電氣信息基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心和電氣信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心兩個(gè)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中心的基礎(chǔ)上，建成了基于MATLAB/Simlink為平臺(tái)的電路[2]、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)分析、電能轉(zhuǎn)換與控制、新能源發(fā)電與并網(wǎng)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái);建成了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電氣工程沉浸式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠再現(xiàn)發(fā)電廠、變電所等生產(chǎn)工藝和操作流程;建成了電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，能夠模擬發(fā)、輸、供、配、用整個(gè)電力生產(chǎn)過程，以及研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)過程，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置;通過三維模擬仿真軟件能夠熟悉和掌握220 kV變電站一次、二次部分設(shè)備構(gòu)成及操作。

目前，中原工學(xué)院已建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室八個(gè)，能夠開展從專業(yè)基礎(chǔ)課到專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目120多個(gè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)室基于的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見表1所示。

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室通過多年的發(fā)展和建設(shè)，已經(jīng)基本能夠滿足電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、實(shí)踐創(chuàng)新、科學(xué)研究等方面的需求[3]。

4 結(jié)語

中原工學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐體系及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)對(duì)高危險(xiǎn)性、高成本、高消耗實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的適應(yīng)性，解決一般本科高校在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)面臨的資金壓力大、場(chǎng)地有限及安全防護(hù)專業(yè)性強(qiáng)等問題，有效地豐富面向電氣工程專業(yè)生產(chǎn)全過程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，完善了電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源，并形成一套適合電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系。

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