“雙碳”目標下風力發(fā)電機組拆裝實習虛擬仿真實驗設計＊

甄 琦，塔 娜，楊 軒，孫云峰，韓巧麗，李 明

（內蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

中國提出在2030 年實現(xiàn)“碳達峰”、2060 年實現(xiàn)“碳中和”目標后，很快發(fā)布了許多配套措施[1-3]，新能源行業(yè)迎來了新一輪的發(fā)展[4-5]，但這也促使了新能源行業(yè)人才缺口進一步加大[6]。由于新能源行業(yè)設備往往占地面積較大、設備成本高且存在一定的危險性，因此很多高校存在著機組教學拆裝器材不足的問題。

目前，諸多高校往往采用小型設備實地操作結合講解的方式來解決這個問題，但這種方式存在著不夠直觀[7]、學生認知效率不夠高、教學也需要持續(xù)較長時間等等問題。

虛擬仿真技術的興起，為這種情況提供了一種新的解決方案。當前虛擬仿真技術與教學相結合已經(jīng)有較多成功案例，例如：王晨皓等[8]制作了地鐵候車空間環(huán)境設計虛擬仿真實驗系統(tǒng)，其系統(tǒng)拓寬了實驗教學的授課范圍，一定程度上培養(yǎng)了學生獨立自主學習與思考的能力；宋培[9]制作了數(shù)控車虛擬仿真實驗輔助教學系統(tǒng)，此系統(tǒng)拓展了實驗教學的深度和廣度，提高了教學成效；ZHANG 等[10]基于虛擬仿真技術建立了對混合醫(yī)療設備的裝配訓練應用，其中，對交互系統(tǒng)建立了較為完善的評分和反饋機制，并且就培訓效果與傳統(tǒng)培訓方法進行了較為完善的對比。

雖然虛擬仿真技術已有許多成功案例，但虛擬仿真在風電領域仍未能得到充分應用。周琪琪等[11]制作了基于虛擬現(xiàn)實技術的風電仿真培訓系統(tǒng)，利用三維建模技術、攝像機分層距離剔除技術等實現(xiàn)了風電機組部分部件的拆裝與整體場景的建模，但其僅展現(xiàn)了風力發(fā)電機組裝完成后的全貌以及風力發(fā)電機的運作方式，對風力發(fā)電機的組裝過程缺乏介紹。與此相似，吳士華等[12]建立了風力發(fā)電機組的三維交互式虛擬仿真，并且在此基礎上建立了可以人機交互操作以及巡視的三維設備模型，以便對運維人員進行理論、檢修方面的可視化培訓，其系統(tǒng)亦不能展現(xiàn)風力發(fā)電機的組裝過程，并且其設計側重對人員檢修能力的培養(yǎng)，而對風力發(fā)電機整體結構的認知強調程度不夠。

在此之外，也有許多人制作了風力發(fā)電機部分部件的虛擬仿真設計。例如：劉宇[13]面向風電行業(yè)從業(yè)者，以某風電廠商生產(chǎn)的3 MW 風力發(fā)電機組為例，借助SolidWorks 軟件，設計了風機齒輪箱的傳動系統(tǒng)，完成了風機傳動鏈的建模、裝配及仿真，但部分部件的虛擬仿真設計無法體現(xiàn)多個部件之間的配合，存在一定的局限性。

針對以上的問題，本文設計了一種包括小型風力發(fā)電機虛擬仿真整機拆裝軟件，用以輔助學生進行整機拆裝實驗，其先對學生進行登記，而后選擇實驗，由一個簡單的模型風機開始，引導學生熟悉本軟件，之后利用本軟件對學生進行教學，最終測試學生的教學成果，進行評分并導出登記信息和評分結果。該成果將完善新能源專業(yè)的培養(yǎng)方式，提升新能源專業(yè)的人才培養(yǎng)質量，最終助力“雙碳”目標完成。

1 設計思路

1.1 整體設計思路

整體設計中強調以學生為中心，以提升學生的認知水平為導向，注重學生主觀能動性的培養(yǎng)，通過新能源專業(yè)課程、實物和虛擬仿真技術相結合的方式進行深入教學[14]。其具體設計如圖1 所示，實驗以設計目的為中心展開設計，從實驗階段、設計目的、設計模塊、設計內容多層次展開設計。其設計層層遞進，使學生先熟悉軟件，再進行實驗教學，最終進行熟練度測試。

圖1 設計思路框架圖

在學生完成本次實驗后，會加深對風力發(fā)電機各個部件的理解，熟悉風力發(fā)電機的運轉以及裝配方式。并且該實驗與“風力發(fā)電機組構造與設計”“風力發(fā)電機組拆裝實習”等課程相結合，以理論指導實驗，以實驗驗證理論，結合實物演示和虛擬仿真實驗，兩者互為補充[15]，在實踐中加深學生的印象，提升學生對知識的掌握程度。

1.2 實驗教學設計

實驗教學就設計內容、教學方法、設計方法這3方面進行了針對風力發(fā)電機組的虛擬仿真設計。

1.2.1 設計內容

在本次設計中，堅持以學生為中心展開設計，通過結合新能源科學與工程專業(yè)的特色課程以及社會對人才培養(yǎng)的需求展開[16]。使學生掌握本實驗中的風力發(fā)電機組基本構成，能夠分辨出各個零部件，并且掌握風力發(fā)電機中的各個零部件安裝順序以及安裝方法。除此以外，還要使學生掌握各個部件的安裝位置并認識它們在運行中扮演的角色，提升學生綜合處理風力發(fā)電機相關問題的能力。

1.2.2 教學方法

本次設計中，將結合虛擬仿真技術，采用情景浸入式、任務驅動式、自主探究式、設計式等教學方法，努力使學生充分掌握知識點。采用二維圖片和三維模型相結合的方式，結合實物，使學生充分掌握風力發(fā)電機的構成，促進師生互動，加強師生、學生間線上線下溝通交流。設計教學流程為學生先在軟件內自主探索，在學生自主探索受挫或者主動求助時，教師或其他同學再介入，與學生一同探索，提供適度指導，并結合實物，講解該部分在風力發(fā)電機組的結構起到的作用，并講解為何如此裝配。學生之間也可結為學習小組，共同探索。由于設計的開放性，學生們可以討論與對比各個裝配順序的優(yōu)缺點，進一步加深理解。并且教師引導學生與實際結合，特別要考慮裝配時的時間與難度，逐步討論出一個最佳裝配方案。

1.2.3 設計方法

本次設計主要采用觀察法、比較法和設計法等設計方法，全面促進學生掌握風力發(fā)電機各個部件之間相互配合裝配的流程，促使學生在學習的過程中結合所學知識，認識到大型風力發(fā)電機組和小型風力發(fā)電機組的異同點，提升學生對風力發(fā)電機組的認知。由于理論講解和實際組裝中存在部分零部件無法在裝配完成的情況下被觀察到的問題，因此在實驗中要求學生注意觀察某些零部件的位置及其起到的作用，加強其對風力發(fā)電機組的認知。由于本設計需要和“風力發(fā)電機組拆裝實習”以及“風力發(fā)電機組構造與設計”等課程相結合，因此學生需要先進行相關課程的學習，在掌握風力發(fā)電機組的構成以及大型風力發(fā)電機組的裝配原理后再進行本次課程的學習，以促進大型風力發(fā)電機組和小型風力發(fā)電機組、理論和實際的對比，以便學生系統(tǒng)性掌握風力發(fā)電機組裝配的知識點。設計法在本次實驗中存在于裝配階段，而本次實驗中，存在部分的自主探究設計，即由學生自由選擇裝配順序，成績判定時只判定該裝配順序能否滿足正常安裝的條件，因此，學生需要進行自主進行裝配順序設計，并且在此后給出設計依據(jù)。

2 實驗模塊實現(xiàn)

本次設計中通過建模技術，將小型風力發(fā)電機進行拆解組合，并在虛擬仿真軟件制作平臺中制作軟件并導入模型[17]，在虛擬場景中還原真實裝配場景，使學生身臨其境地進行裝配仿真實驗，并且通過交互設計增強學生的參與感[18]，其對小型風力發(fā)電機組進行了全面展示和零部件裝配，并且其與多種課程、實驗相結合，幫助學生鞏固相關知識，提升學生的學習成果，增強學生的探究精神和解決問題的能力。

2.1 交互模塊

本模塊以識別學生身份并與學生交互為主要目的，通過與學生的交互，幫助學生登記身份信息，學生可以借助此模塊選擇實驗并對本實驗的模型產(chǎn)生基本的了解。該環(huán)節(jié)通過設計各個界面以及其輔助系統(tǒng)得以實現(xiàn)。學生在交互系統(tǒng)內可以登記班級、姓名、學號等信息，以便在完成實驗后系統(tǒng)自動對實驗成績登記時對學生進行認證。在設計中對不同屏幕大小進行了適配設計，以便本軟件在不同的屏幕上都可以正常運行。在交互模塊中還進行了平臺化的設計，在實驗選擇時，準備了給其他實驗的接口，在其他實驗制作完成時，可以通過本次設計的接口進行跳轉，如圖2所示。

圖2 登錄界面

2.2 新手教學模塊

在新手教學模塊的設計中，以軟件操作教學為中心，展開軟件設計。為了使學生充分理解軟件操作，設計了文字和實操2 種說明方式，由于文字和實操2種說明方式各有優(yōu)點，因此設計中結合兩者的優(yōu)點，分別說明不同的問題，通過文字說明方式對學生進行軟件的基本操作教學，而在實操說明方式中通過結合一個簡易模型，對學生進行軟件基本執(zhí)行邏輯、得分邏輯教學，并且結合實際情況對學生進行說明，如圖3所示。

2.3 教學模塊

教學模塊設計目標是讓學生理解如何裝配小型風力發(fā)電機，并且讓學生在教學模塊中按自己的想法設計裝配順序來加強對小型風力發(fā)電機組裝配的掌握程度。因此，在設計教學模塊時，采用與測試模塊相同的貼近真實的虛擬仿真模型，而非在新手教學模塊中使用的簡單模型。在學生進行訓練時，出現(xiàn)錯誤裝配便會給出提示，以便學生糾正自己的錯誤，如圖4 所示。

圖4 教學模塊操作頁面

但由于貼近真實的模型中存在大量的零件會對學生造成裝配設計上的困擾，并且部分零件在實際裝配時確實存在獨立組裝后再總裝的情況，因此在模塊中設計了獨立于主要裝配場景中的子場景，將部分組合體的組裝移入子場景進行裝配，以便學生形成清晰的裝配思路。在得分計算中，由于存在子場景，得分項變得更多，因此得分計算變得復雜，故在學生完成教學模塊后，成績中會顯示出各個得分項的正確項目個數(shù)，以便學生尋找錯誤之處并改正。在學生學習模型裝配時，難免會出錯，因此設計了重置按鈕，在點擊重置時會重置到裝配開始之前的樣子。除此以外，還在場景中設計了場景漫游功能，以便學生在各個角度觀察、了解小型風力發(fā)電機模型，加深對其的了解，如圖5 所示。

圖5 各個子場景操作頁面

2.4 測試模塊

測試模塊場景設計的目的是測試學生對于裝配模型的掌握情況，學生在教學模塊中掌握小型風力發(fā)電機組裝配后，可以退出教學模塊進入測試模塊，測試其對于小型風力發(fā)電機組的掌握程度。在學生完成測試后，會即時反饋出學生的成績，以便學生確認自己的掌握情況，針對問題進行查缺補漏。

2.5 成績模塊

成績模塊是本次虛擬仿真實驗最重要的內容之一，本次設計的成績模塊結合各個零部件重要性，綜合計算分數(shù)。在分數(shù)中會體現(xiàn)學生對整機裝配實驗的掌握程度，也會體現(xiàn)出學生裝配流程設計的合理程度、裝配的規(guī)范程度以及結果的正確性，其也是學生對風力發(fā)電機組構造與設計、風力發(fā)電機組拆裝實習等等課程掌握熟悉程度的一次側面評估。在得分設計時，為了綜合體現(xiàn)小型風力發(fā)電機組各個部分的重要性，如表1 所示，將零件安裝設計為較高分值占比，而組合體裝配、場景切換、組裝占比相對較低，其得分將是學生掌握程度、操作能力、學習素養(yǎng)的綜合評估。

表1 教學及測試模塊計分表

除此以外，成績模塊還設計了成績輸出，在成績導出時，采用數(shù)據(jù)流輸出到文件中，最終文件導出形式為txt 格式，在導出文件中包含年級、班級、姓名、學號、成績，其中除年級和班級以外其他數(shù)據(jù)之間均以“，”相間隔，如教師需導出到Excel 中，只需要復制到Excel 即可自動匹配到對應的格式，以便教師對學生得分進行統(tǒng)計。

3 結論

“雙碳”背景下，由于新能源行業(yè)的發(fā)展，新能源行業(yè)的人才缺口必然越來越大，而本次設計的小型風力發(fā)電機虛擬仿真實驗，將有助于加快新能源行業(yè)的人才培養(yǎng)速度，提升人才培養(yǎng)質量。本次設計將在理論與實際中建立起聯(lián)系，使學生了解到理論與工程實際相同之處和不同之處，提高了教學效率，提升了培訓效果，節(jié)約了教育經(jīng)費。最重要的是，提升了學生的探索意識，通過引導學生探索的方式，促使學生主動學習，為此后的虛擬仿真實驗設計提供了參考。