新工科下虛擬仿真技術(shù)平臺ぴ詰縉類專業(yè)中的應(yīng)用探討

楊京渝 彭麗 蔡振華

摘要：基于新工科建設(shè)理念，虛擬仿真平臺的建設(shè)是解決電氣類專業(yè)實踐教學(xué)面臨諸多問題的一個必然趨勢。該文首先對電氣專業(yè)在實踐教學(xué)中存在的問題進行了分析;然后論述了虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的重要性;最后，在滿足高校新工科建設(shè)背景下，探討了適應(yīng)于電氣類專業(yè)的虛擬仿真實踐教學(xué)體系的建設(shè)及實踐教學(xué)模式的改革。通過虛擬仿真實踐教學(xué)體系的構(gòu)建與改革，從而提高學(xué)生工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：新工科;電氣工程;實踐教學(xué);虛擬仿真

在新工科和工程教育認(rèn)證背景下，高等學(xué)對學(xué)生工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力的要求也隨之不斷提高，特別是針對理工科專業(yè)尤為突出。如何在面向未來的新工科視域下探索實踐教學(xué)模式的創(chuàng)新，培養(yǎng)滿足新經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)所需的新型工程技術(shù)人才，已成為各高校新工科建設(shè)和教育改革的重點內(nèi)容。而電氣類專業(yè)作為其中極其重要的一個學(xué)科門類，將在電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級，促進能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的任務(wù)中發(fā)揮舉足輕重的作用。為培養(yǎng)具有基礎(chǔ)扎實、產(chǎn)業(yè)認(rèn)知、多學(xué)科交叉背景的復(fù)合型電力人才，對電氣專業(yè)的既有的實踐教學(xué)模式提出了諸多新的問題和挑戰(zhàn)。

基于虛擬仿真技術(shù)實驗教學(xué)方法已經(jīng)成為不可或缺的實驗教學(xué)手段，但由于其教學(xué)模式、教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容還不夠成熟，也導(dǎo)致了諸如各虛擬仿真實驗系統(tǒng)獨立分散、重復(fù)開發(fā)和資源浪費等弊端。為此，文章對虛擬仿真技術(shù)在電氣類專業(yè)實踐教學(xué)中的重要性、存在的問題、實驗平臺的建設(shè)和教學(xué)方法的改革進行了探討。從而逐步優(yōu)化實踐教學(xué)體系，構(gòu)建多層次、遞進式、模塊化的電氣類專業(yè)高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源。

1新工科下電氣專業(yè)在實踐教學(xué)中存在的問題

1.1實踐教學(xué)內(nèi)容及條件有待更新完善

電氣專業(yè)對實踐能力要求較強，因此實踐教學(xué)必須占據(jù)重要的地位。但目前，絕大多數(shù)高校存在對實驗教學(xué)的關(guān)注度偏低、實驗教學(xué)課時不足、實踐教學(xué)缺乏嚴(yán)格的管理、沒有合理的實踐教學(xué)評價等問題。使學(xué)生形成一種重理論輕實驗的思想意識，直接影響實驗教學(xué)效果。同時，由于受限于實驗裝置，在實際操作中常出現(xiàn)實驗內(nèi)容與課程理論知識不匹配，從而導(dǎo)致實驗教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)、脫節(jié)?，F(xiàn)有的教學(xué)資源難以滿足未來電力工業(yè)智能化的發(fā)展趨勢。

1.2實踐教學(xué)體系及評價不完善

電氣類專業(yè)實驗室的建設(shè)具有種類多、價格昂貴、高消耗、系統(tǒng)龐大復(fù)雜等特點，所以各高校均聚焦于電力行業(yè)的某個特定系統(tǒng)進行實驗室建設(shè)，不能完整的體現(xiàn)電力系統(tǒng)從發(fā)電、變電、輸電、配電到用電的全過程。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一般只包括基礎(chǔ)實驗課程和綜合實驗課程，很多創(chuàng)新實驗如微電網(wǎng)、新能源發(fā)電、儲能等研究熱點實驗還未建設(shè)。因此，現(xiàn)有電氣專業(yè)實踐教學(xué)體系不能滿足未來國家和區(qū)域發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。同時，實踐教學(xué)缺乏教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、管理制度及考核標(biāo)準(zhǔn)，未立完善的實踐教學(xué)評價體系，學(xué)生主動實踐熱情未能得到激發(fā)。

1.3校企合作有待加強

目前，大多數(shù)校企合作模式存在諸多問題，如合作對象單一化、教育內(nèi)容陳舊等，同時，也缺乏相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)、評價標(biāo)準(zhǔn)等。許多校企合作處于游離狀態(tài)，使用率比較低，產(chǎn)教融合及創(chuàng)新成果的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化效果不理想。

2新工科下虛擬仿真平臺在實踐教學(xué)中的重要性

2.1能完善實驗教學(xué)課程體系

電氣類專業(yè)實踐課程由于實驗設(shè)備價格非常昂貴以及教學(xué)環(huán)境危險，安全系數(shù)低等因素的制約，故傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一般只包括基礎(chǔ)實驗課程和綜合實驗課程?；A(chǔ)實驗課程主要涵蓋如《電路》《工程電磁場》《電機學(xué)》等專業(yè)基礎(chǔ)課程，達(dá)到夯實學(xué)科、專業(yè)基礎(chǔ)知識的目的;綜合實驗課程主要涵蓋如《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》《電力系統(tǒng)繼電保護原理》《高電壓技術(shù)》《電力電子技術(shù)》《電氣控制與PLC》等電氣專業(yè)核心課程，達(dá)到培養(yǎng)工程實踐能力的目標(biāo)。但很多創(chuàng)新實驗如微電網(wǎng)、新能源發(fā)電、儲能等研究熱點實驗卻無法完成，制約了學(xué)生主動開展實踐創(chuàng)新的觀念和意識。通過虛擬仿真實驗，可構(gòu)建完整的“基礎(chǔ)實驗綜合實驗創(chuàng)新實驗”實踐體系，保證實驗項目的先進性與創(chuàng)新性，使學(xué)生能更好地理解專業(yè)知識，接軌行業(yè)熱點，促進學(xué)生綜合能力提升。

2.2能實現(xiàn)資源的有效共享

虛擬仿真平臺的各類仿真實驗可以基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能更好地實現(xiàn)資源的有效共享。一方面，學(xué)生可以不受實驗條件的限制，可隨時隨地進行相關(guān)實驗;另一方面各兄弟院?？上嗷ヌ峁└油晟频慕虒W(xué)資源，共同挖掘并且開發(fā)優(yōu)秀的教學(xué)資源。同時，可以助推校企合作，共建共享優(yōu)質(zhì)資源，構(gòu)建科學(xué)系統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)環(huán)境和實踐教學(xué)培養(yǎng)體系。

2.3能靈活調(diào)整教學(xué)環(huán)節(jié)

利用虛擬仿真教學(xué)平臺能很好地解決傳統(tǒng)教學(xué)實驗內(nèi)容的局限性，完成傳統(tǒng)教學(xué)中部分實驗項目無法實現(xiàn)的目標(biāo)。一是通過虛擬仿真平臺，可為學(xué)生提供安全可靠的實驗內(nèi)容及實驗環(huán)節(jié)，有效避免實際操作可能引發(fā)的觸電、著火等安全隱患，提升了實驗的安全指數(shù);二是教師和學(xué)生可靈活地選擇和調(diào)整實驗內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)自身的實際需求、實際能力以及興趣愛好來學(xué)習(xí)，提升自己的學(xué)習(xí)能力;三是通過虛擬仿真，可以近距離的觀察到如設(shè)備的動作過程和實驗過程，比如斷路器的動作過程及滅弧過程、放電原理及過程等，使學(xué)生能全面掌握電氣專業(yè)的相關(guān)專業(yè)知識。

2.4能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

通過虛擬仿真實驗，一是可以將重點、難點、抽象的專業(yè)知識通過仿真技術(shù)更好地展示在學(xué)生面前，很好地將理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生更容易理解和接受;二是極大解決了實踐與安全之間的矛盾，通過虛擬仿真完全避免了危險系數(shù)比較大及實驗設(shè)備昂貴等問題，讓學(xué)生放心大膽地進行實踐動手操作;三是VR虛擬技術(shù)具有沉浸感、交互性、構(gòu)想性等典型特征，使學(xué)生全身心地投入虛擬現(xiàn)實中去，真實看到實際運行的電力設(shè)備和狀態(tài)，獲得身臨其境的感覺，增強了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的記憶力、創(chuàng)造能力。