“新工科”背景下的電氣專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

吳宏岐 李小斌 劉 霞

寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞 721016

教育部2017年提出了高校要加快建設(shè)和發(fā)展“新工科”，隨后也指出國(guó)家硬實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的提升呼喚“新工科”，在我國(guó)高等教育界掀起了一股“新工科”建設(shè)改革熱潮?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)尤其強(qiáng)調(diào)專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量和工程化教育理念。在此背景下，寶雞文理學(xué)院電氣專(zhuān)業(yè)密切結(jié)合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)及地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，取得了良好的效果。

一、電氣專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)

電氣專(zhuān)業(yè)強(qiáng)弱電結(jié)合、軟硬件結(jié)合，專(zhuān)業(yè)畢業(yè)就業(yè)容易，收入較高，對(duì)廣大高考生吸引力強(qiáng)，屬于當(dāng)前較為熱門(mén)的專(zhuān)業(yè)。該專(zhuān)業(yè)是理論性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科，雖然人才需求量大，但對(duì)畢業(yè)生綜合素質(zhì)要求極高，需要進(jìn)行大量的實(shí)踐活動(dòng)才能夠勝任相關(guān)崗位工作。專(zhuān)業(yè)學(xué)生動(dòng)手、創(chuàng)新等綜合能力的培養(yǎng)對(duì)于場(chǎng)地、設(shè)備、師資都有嚴(yán)格的要求。寶雞文理學(xué)院電氣專(zhuān)業(yè)分為電力系統(tǒng)、工業(yè)控制兩大方向，旨在培養(yǎng)具備電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)基本思想、基本理論、基本技術(shù)，能在工礦企業(yè)、電力生產(chǎn)、電器產(chǎn)品研制、電力網(wǎng)等部門(mén)從事生產(chǎn)技術(shù)管理、新產(chǎn)品研發(fā)、專(zhuān)業(yè)設(shè)備銷(xiāo)售和科學(xué)研究等方面工作的高級(jí)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。電力系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，且具有高電壓、大電流,電力設(shè)備種類(lèi)多、價(jià)格昂貴等特點(diǎn),使實(shí)驗(yàn)室很難建立和現(xiàn)場(chǎng)完全一樣的電力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。工業(yè)控制系統(tǒng)復(fù)雜且危險(xiǎn)性高，學(xué)生雖然可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)見(jiàn)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)了解一些控制系統(tǒng)工作原理，但無(wú)法真正接觸崗位工作，很難進(jìn)行實(shí)際工程能力的訓(xùn)練和工作經(jīng)驗(yàn)積累。學(xué)院實(shí)驗(yàn)室雖然可以實(shí)現(xiàn)部分工程項(xiàng)目的模擬訓(xùn)練，但電氣類(lèi)項(xiàng)目大都離不開(kāi)強(qiáng)電，危險(xiǎn)性很高，模擬訓(xùn)練也很難滿(mǎn)足實(shí)際需求，且由于場(chǎng)地和時(shí)間的限制，不能做到全天候服務(wù)學(xué)生。以上種種原因，使得在校學(xué)生畢業(yè)時(shí)所獲得的能力與社會(huì)需求相差甚遠(yuǎn)。因此，在新工業(yè)革命的大背景下，電氣專(zhuān)業(yè)這樣的傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)應(yīng)如何改革，如何培養(yǎng)全面適應(yīng)未來(lái)新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的應(yīng)用型工程科技人才，是專(zhuān)業(yè)改革需要特別關(guān)注的重要問(wèn)題。

二、“新工科”背景下的電氣專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)要求

“新工科”建設(shè)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)教融合，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，要求將工程思維引入教學(xué)過(guò)程，并強(qiáng)調(diào)除扎實(shí)的理論知識(shí)外，學(xué)生還應(yīng)具有工程意識(shí)、工程經(jīng)驗(yàn)、一定的崗位技能，能夠應(yīng)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決企業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的技術(shù)問(wèn)題。因此，地方院校應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參加工程創(chuàng)新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉融合，組建跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊(duì)和實(shí)踐平臺(tái)，以培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)及科研合作能力。學(xué)校必須建設(shè)相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)，學(xué)生必須在掌握專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)技能、人文素養(yǎng)的同時(shí)，具備知識(shí)的應(yīng)用能力、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力、處理突發(fā)事故的應(yīng)變能力和適合社會(huì)需求的最核心的實(shí)踐能力。

然而，學(xué)校教育畢竟不同于企業(yè)生產(chǎn)，有限的四年學(xué)習(xí)時(shí)間、有限的教學(xué)資源、基礎(chǔ)抽象的大量理論知識(shí)、有限的實(shí)踐條件與“新工科”發(fā)展的客觀(guān)要求并不相適應(yīng)。于是校企合作、學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等各種實(shí)踐手段應(yīng)運(yùn)而生，而且取得了一定的教學(xué)效果?？墒请姎鈱?zhuān)業(yè)自身的特殊性又極不利于這些手段的應(yīng)用，比如高昂的工程項(xiàng)目設(shè)備投入、大面積的實(shí)踐場(chǎng)地需求、具有豐富實(shí)踐能力的專(zhuān)業(yè)教師需求，以及高電壓的危險(xiǎn)性，使得學(xué)生的企業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程也只能以參觀(guān)為主。因此，如何進(jìn)行電氣專(zhuān)業(yè)工程實(shí)踐訓(xùn)練成為教學(xué)難點(diǎn)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與發(fā)展以及虛擬仿真技術(shù)的大量應(yīng)用有效地解決了這些問(wèn)題。虛擬仿真可以做到高度接近實(shí)際效果的實(shí)驗(yàn)?zāi)M及項(xiàng)目模擬，這為電氣專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了新思路、開(kāi)辟了新方向。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)室介紹

虛擬實(shí)驗(yàn)室是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)通過(guò)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，達(dá)到甚至超過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。學(xué)生通過(guò)虛擬設(shè)備既可以模擬實(shí)際操作，又可以沒(méi)有危險(xiǎn)性地達(dá)到理論、實(shí)踐全方位訓(xùn)練的目的。比如利用虛擬變電站，學(xué)生在3D場(chǎng)景中完全可以模擬操作真實(shí)變電站的所有項(xiàng)目，如日常巡檢中的變壓器油位、油溫、油色、運(yùn)行聲音，設(shè)備操作、檢修、故障模擬以及故障處理等，如圖1所示。另外，學(xué)生也可以在虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中自主設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如圖2所示，在電氣控制技術(shù)VR交互式教學(xué)系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)電氣控制原理設(shè)計(jì)、電器布置、配線(xiàn)、運(yùn)行、排故等操作，效果極似物理實(shí)訓(xùn)。這使學(xué)生的動(dòng)手能力、分析解決問(wèn)題能力、工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)能夠得到很好的訓(xùn)練，也能積累一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等環(huán)境下建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)空限制，組建成本低，維護(hù)成本幾乎為零，實(shí)踐中用到的各種儀器儀表、設(shè)備、工具幾乎都可以集成在一套軟件中，學(xué)生可以高效、靈活地組建系統(tǒng)，訓(xùn)練各種儀器、儀表及工具的使用方法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力遠(yuǎn)非實(shí)際系統(tǒng)可比，它可將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，并且將其可視化，如可用表格、圖形快速準(zhǔn)確地顯示運(yùn)行結(jié)果，圖3 所示為Multisim 環(huán)境下橋式整流電路仿真結(jié)果，顯示電壓表、示波器的測(cè)試結(jié)果和實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果幾乎一致。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可靈活組建項(xiàng)目，且不增加任何成本，同時(shí)又能達(dá)到工程實(shí)際應(yīng)用的逼真效果，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。虛擬實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生全面理解和掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心，為學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)提供了一條可行的途徑。

（二）電氣專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具體建設(shè)內(nèi)容[7]

1.硬件建設(shè)

硬件建設(shè)包括場(chǎng)地建設(shè)和設(shè)備建設(shè)。設(shè)備主要包括顯示設(shè)備、輸入設(shè)備、感知設(shè)備、支持設(shè)備。

顯示設(shè)備主要用于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的展示及操作結(jié)果顯示，最常用的是電腦顯示器，現(xiàn)在逐漸普及投影、大尺寸LED 屏、多媒體電視、CAVE 系統(tǒng)、3D 大屏幕、VR 頭盔、AR 頭盔等。作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)設(shè)備，顯示裝置顯現(xiàn)了從二維走向三維，從基于平面三維走向沉浸式三維的新特點(diǎn)，由小屏幕逐漸向大尺寸3D 屏幕發(fā)展，大大提升了教學(xué)的效率和可觀(guān)性。

輸入設(shè)備最常用的是鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，隨著多媒體技術(shù)的多樣化發(fā)展，又出現(xiàn)了3D 掃描儀、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)手套、無(wú)線(xiàn)交互手柄、攝像頭和各種傳感器，可用于物體物理尺寸掃描、聲音控制、手部動(dòng)作輸入、自由跟蹤、圖像識(shí)別等，能夠適應(yīng)多種教學(xué)內(nèi)容的需要。

感知設(shè)備既可以讓參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的人感知實(shí)驗(yàn)效果，也可以通過(guò)對(duì)感知數(shù)據(jù)的捕捉讓虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得以反饋。常用的感知設(shè)備包含溫度感應(yīng)、力感應(yīng)、嗅覺(jué)感應(yīng)、聲音感應(yīng)、視覺(jué)感應(yīng)、定位設(shè)備、動(dòng)作捕獲設(shè)備等，不僅能讓虛擬仿真的表現(xiàn)形式多元化，也能讓仿真結(jié)果更加真實(shí)。

支持設(shè)備是為了維持教學(xué)裝備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)供電、信息傳輸、圖形圖像處理、信息存儲(chǔ)、多種設(shè)備交叉管理等工作，常用的有UPS 不間斷電源、圖形處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)字交換機(jī)、路由器、音視頻切換矩陣、監(jiān)視器等。

2.軟件建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)軟件包括實(shí)驗(yàn)管理軟件、課程資源、實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件等。實(shí)驗(yàn)管理軟件保證虛擬仿真教學(xué)信息網(wǎng)能接入院校綜合管理信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)資源的分配、師資力量的調(diào)配，統(tǒng)一管理不同的虛擬仿真教育資源，記錄任課教師和實(shí)驗(yàn)學(xué)生的教學(xué)、學(xué)習(xí)進(jìn)度，起到教學(xué)目錄和教學(xué)日志的作用；虛擬仿真課程資源為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的配置重點(diǎn)，如果沒(méi)有課程資源，所有的虛擬仿真設(shè)備都會(huì)形同虛設(shè)，它是根據(jù)各課程的教學(xué)特色和要求，通過(guò)虛擬系統(tǒng)讓學(xué)生直觀(guān)理解、加深記憶并上手實(shí)操的軟件；實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)軟件對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況和知識(shí)掌握情況進(jìn)行反饋，能夠記錄學(xué)生具體的知識(shí)盲點(diǎn)，同時(shí)對(duì)操作過(guò)程中的不規(guī)范行為進(jìn)行指正，可以大大提高教師評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)的速度；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件是為了讓虛擬仿真教學(xué)軟件正常運(yùn)轉(zhuǎn)的軟件，如操作系統(tǒng)Win10、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、防火墻、圖形處理融合軟件、動(dòng)作捕捉軟件等。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)考慮不同層次的需求，訓(xùn)練項(xiàng)目的設(shè)置應(yīng)該是階梯式推進(jìn)的，有些是通過(guò)學(xué)生自學(xué)完成的，有些是需要集中訓(xùn)練的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)課程體系可分為基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)、工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)?；A(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)一般采用大作業(yè)形式，學(xué)生完全自學(xué)，如電子電路實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在做真實(shí)實(shí)驗(yàn)前先自行完成仿真（利用Multisim、Proteus軟件等）實(shí)驗(yàn)，既可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，又可以輔助學(xué)生的課程學(xué)習(xí)；專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，涉及算法較多，我院開(kāi)設(shè)了Matlab 課程，可輔助各門(mén)課程的學(xué)習(xí)；對(duì)于工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，我院采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參觀(guān)和仿真實(shí)訓(xùn)，如利用虛擬變電站培訓(xùn)系統(tǒng)、電力實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目仿真軟件，引導(dǎo)工業(yè)控制方向?qū)W生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目訓(xùn)練等。

3.管理建設(shè)

管理建設(shè)包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目申報(bào)建設(shè)、教學(xué)體系建設(shè)、師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)以及評(píng)價(jià)機(jī)制建設(shè)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)由學(xué)校職能部門(mén)集中管理，以保證后期的持續(xù)發(fā)展和有限資源的協(xié)調(diào)共享以及資源的最大化利用，但具體到各門(mén)課程的仿真資源建設(shè)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)則由二級(jí)學(xué)院與專(zhuān)業(yè)教研室完成，項(xiàng)目的申報(bào)一定要結(jié)合本專(zhuān)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況。項(xiàng)目分為專(zhuān)業(yè)必修的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和課外大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

教學(xué)體系的建設(shè)以應(yīng)用為目的，以自主學(xué)習(xí)加集中實(shí)訓(xùn)為特色，堅(jiān)持基礎(chǔ)性與應(yīng)用性相結(jié)合，突出解決具有專(zhuān)業(yè)背景的實(shí)際問(wèn)題，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容以及課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建階梯式的訓(xùn)練體系，訓(xùn)練的難度和能力目標(biāo)應(yīng)是遞進(jìn)式的，訓(xùn)練內(nèi)容要涵蓋專(zhuān)業(yè)所需的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)兼顧體現(xiàn)這些知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用。

師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，要求相關(guān)人員同時(shí)兼?zhèn)浣虒W(xué)水平與科研水平，要建設(shè)核心技術(shù)隊(duì)伍，以帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)綜合素質(zhì)的整體提高。要有教學(xué)梯隊(duì)，要制定完整的青年教師培養(yǎng)計(jì)劃。一定要明確教師崗位和實(shí)驗(yàn)室管理人員的職責(zé)，制定相應(yīng)的管理制度以及獎(jiǎng)懲制度，保證所開(kāi)設(shè)的項(xiàng)目教師都親自動(dòng)手實(shí)踐過(guò)，鼓勵(lì)教師不斷研發(fā)新項(xiàng)目，結(jié)合社會(huì)需求不斷更新訓(xùn)練計(jì)劃，共享教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷推進(jìn)團(tuán)隊(duì)建設(shè)。

學(xué)校、學(xué)院層面都要建立虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申報(bào)常態(tài)機(jī)制，設(shè)立實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新升級(jí)專(zhuān)項(xiàng)基金，定期組織實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及訓(xùn)練成果評(píng)價(jià)；要建立第三方評(píng)價(jià)機(jī)制，跟蹤調(diào)查畢業(yè)生崗位工作情況及建立必要的信息反饋機(jī)制，要根據(jù)調(diào)查結(jié)果進(jìn)一步完善虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程，以更好地滿(mǎn)足工程需求。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)注意的問(wèn)題

任課教師要學(xué)會(huì)轉(zhuǎn)變思想，緊跟發(fā)展趨勢(shì)，積極接受虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)；要認(rèn)識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)室是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助、補(bǔ)充手段，不能完全替代正常的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)；要堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)原則，既不能放松常規(guī)實(shí)踐教學(xué)，也不能夸大虛擬實(shí)驗(yàn)的作用。要堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向原則，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，或者解決高危、高消耗、高成本、不可逆操作、極端環(huán)境、大型綜合訓(xùn)練項(xiàng)目等的訓(xùn)練問(wèn)題。要圍繞學(xué)生就業(yè)需求導(dǎo)向，密切結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)需求以及專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，緊跟行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和專(zhuān)業(yè)發(fā)展的最新成果，嚴(yán)防知識(shí)、技術(shù)訓(xùn)練與時(shí)代發(fā)展脫節(jié)?？梢月?lián)合企業(yè)建立完善的校企合作制度，引入企業(yè)工程師參與到教學(xué)中來(lái)，將企業(yè)一些具有普適性的工程項(xiàng)目作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、安全意識(shí)和工程應(yīng)用能力。要充分利用現(xiàn)代信息優(yōu)勢(shì)，不斷加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化條件下的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律研究，充分利用和整合各種資源，持續(xù)探索提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的教學(xué)方式方法。