虛擬仿真實驗助力高校能源與動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)的探索

［摘 要］能源與動力工程專業(yè)旨在為能源應(yīng)用及環(huán)境保護領(lǐng)域培養(yǎng)基礎(chǔ)實、能力強、素質(zhì)高的具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的應(yīng)用型高級復(fù)合專門人才，設(shè)置制冷、熱電、能環(huán)等方向。實驗的多樣性及復(fù)雜性使培養(yǎng)方案的制訂及實踐面臨一定的挑戰(zhàn)。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用重點為解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難的問題，如涉及高危或極端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題。文章揭示了虛擬仿真實驗的內(nèi)涵和意義，強調(diào)其在實現(xiàn)能源與動力工程專業(yè)教學(xué)目標(biāo)過程中的作用，提出將虛擬仿真技術(shù)融入課程實驗、融入實驗周的實驗、助力專業(yè)實踐等夯實人才培養(yǎng)質(zhì)量的環(huán)節(jié)。在部分高校實驗條件有待提高和完善的背景下，虛擬仿真實驗可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，完成專業(yè)教學(xué)任務(wù)。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真實驗；能源與動力工程專業(yè)；人才培養(yǎng)；交互操作；三維

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）15-0126-05

隨著科技的不斷進步，虛擬仿真實驗在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。搭建一個有效的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，對于提升學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力具有重要意義。

為進一步滿足實際教育的需求，培養(yǎng)更多創(chuàng)新型人才，國內(nèi)高校掀起了積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的虛擬實驗教學(xué)新模式——虛擬仿真教學(xué)項目的熱潮。近年來，虛擬仿真教學(xué)已經(jīng)在多所高校多學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)及實踐中得到應(yīng)用，以實現(xiàn)課程與實踐教學(xué)目標(biāo)。河海大學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗室的建設(shè)，可在學(xué)生進行抽象力學(xué)實驗時輔以大量的背景學(xué)資源，不僅增強學(xué)生對實驗項目和相關(guān)知識的理解，而且提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維[1]。三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)3Dbody在系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)中，數(shù)字化虛擬人體以計算機數(shù)字化操作平臺為基礎(chǔ)，將大量真實人體斷面數(shù)據(jù)信息在計算機里整合重建成人體的三維立體結(jié)構(gòu)圖像，使解剖操作延伸到課堂之外，豐富了教學(xué)資源，提高了教學(xué)效率[2]。南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院以工業(yè)機器人實訓(xùn)課程教學(xué)方法為研究對象，提出基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機器人實訓(xùn)課程的教學(xué)方案[3]。實踐證明，虛擬仿真實驗有效解決了學(xué)生數(shù)量多而實訓(xùn)設(shè)備不足的矛盾，大大提高了實訓(xùn)教學(xué)效率。為了解決醫(yī)學(xué)影像設(shè)備在教學(xué)中存在的原理抽象、教學(xué)成本高等問題，齊現(xiàn)英等人提出了開發(fā)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)通過形象生動的操作畫面，真實地模擬了程控 X 線機的工作原理和操作過程，使理論授課和實驗教學(xué)完美融合[4]。江蘇大學(xué)車輛工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的平臺建設(shè)，實現(xiàn)了大量并行用戶快速下載及構(gòu)建渲染動態(tài)場景，確保學(xué)生與場景互動的即時性，具有直觀立體、真實互動的效果，為車輛工程專業(yè)的實踐教學(xué)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供新的模式和理念[5]。哈爾濱工程大學(xué)利用虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢，結(jié)合國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，解決了制約能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)發(fā)展的一些難題，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主實驗?zāi)芰6]。

本文將圍繞虛擬仿真技術(shù)融入專業(yè)課程實驗、融入實驗周實驗和助力專業(yè)實踐，研究虛擬仿真實驗在能源與動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實驗實踐環(huán)節(jié)所起的作用，分析虛擬環(huán)境中的交互式操作，使學(xué)生更深入地理解實驗原理，從而培養(yǎng)學(xué)生的操作技能，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中獲得與傳統(tǒng)實驗相近的體驗感。

一、虛擬仿真實驗的內(nèi)涵及意義

虛擬仿真實驗指在計算機系統(tǒng)中，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)營造的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。

能源與動力工程專業(yè)主要研究能源的高效轉(zhuǎn)換、清潔利用和環(huán)境保護，包括傳統(tǒng)能源利用和新能源開發(fā)，以及相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)和運維。該專業(yè)具有范圍廣、方向多的特點，可為能源應(yīng)用及環(huán)境保護領(lǐng)域培養(yǎng)基礎(chǔ)實、能力強、素質(zhì)高的具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的應(yīng)用型高級復(fù)合專門人才，更好地為地方經(jīng)濟建設(shè)與行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)。教學(xué)設(shè)計的部分實驗不具備實際條件或?qū)嶋H運行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，面臨高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題。通過虛擬環(huán)境中的交互式操作，學(xué)生能夠更深入地理解實驗原理，培養(yǎng)實際動手操作的技能，能夠在虛擬環(huán)境中獲得與傳統(tǒng)實驗相近的體驗感。該教學(xué)方式旨在克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的一些限制，如設(shè)備受限、安全隱患等，給學(xué)生提供真實的實驗體驗。虛擬仿真實驗重點實行基于問題、案例的互動式、研討式教學(xué)，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)；注重通過文字、圖片、視頻等媒介，促進教學(xué)準(zhǔn)備、線上討論、線下交流；加強網(wǎng)絡(luò)化條件下實驗教學(xué)規(guī)律的研究，探索提升實驗教學(xué)效果的方式和方法。

虛擬仿真實驗在功能上主要有漫游實驗和操作實驗，用戶可以在三維場景中漫游和交互操作，觀察設(shè)備的外觀和工藝過程連接關(guān)系。仿真實驗可通過三維仿真建模，以1∶1比例還原真實場景的場景布置、主要設(shè)備放置、系統(tǒng)連接形式、設(shè)備連接形式、管道連接方式等。仿真平臺的功能以場景漫游、系統(tǒng)原理學(xué)習(xí)、設(shè)備原理學(xué)習(xí)、原理動畫、曲線實驗為主，將系統(tǒng)和部分設(shè)備的工藝及結(jié)構(gòu)原理等知識點融入該軟件中。

二、將虛擬仿真技術(shù)融入課程實驗

能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)課實驗有汽輪機實驗、鍋爐綜合實驗、制冷壓縮機綜合性實驗、冷庫制冷技術(shù)綜合性實驗、能源環(huán)境綜合實驗、地埋管換熱與土壤熱物性測量綜合實驗等。實驗內(nèi)容多，且部分實驗缺乏實際操作的條件，不利于人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。針對課程實驗內(nèi)容，圍繞實驗的教學(xué)目標(biāo)，通過計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)將實驗室中的實驗過程模擬出來，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行實驗操作，實現(xiàn)教學(xué)目的。

（一）將虛擬仿真技術(shù)融入課程實驗的作用

將虛擬仿真技術(shù)融入課程實驗有四個方面的作用。一是消除實驗中的危險因素和實驗條件的限制，降低實驗成本和節(jié)約實驗時間。二是通過建立虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)教學(xué)資源共享，學(xué)生可更加便捷地獲得資源。三是可以克服實驗條件的不足，豐富實驗內(nèi)容，提高學(xué)生的實驗技能和實驗操作能力。四是助力課程實驗的開展，提高學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)效果。

（二）以汽輪機噴嘴和級組變工況特性實驗為例，將虛擬仿真技術(shù)融入課程實驗

以汽輪機噴嘴和級組變工況特性實驗為例，若采用實際操作，難以掌握蒸汽在不同噴嘴中的流動特性，完成實驗的難度較大。實驗對機組的質(zhì)量和操作要求較高，實際條件難以滿足。因此，可通過虛擬仿真平臺完成實驗過程。實驗內(nèi)容包括蒸汽在縮放噴嘴、漸縮噴嘴中的流動特性實驗和凝汽式級組、背壓式級組的變工況特性實驗。實驗操作包括：

1. 蒸汽在不同噴嘴中流動特性實驗

在實驗界面中點擊按鈕“原理動畫”，可播放動畫視頻“氣流參數(shù)與通道截面關(guān)系”。繪制不同噴嘴壓力與流量變工況曲線，做出定性解釋。

2. 凝汽式級組變工況特性實驗

在實驗界面中點擊按鈕“級的原理”和“三維結(jié)構(gòu)”，可播放相關(guān)動畫視頻，驗證變工況下凝汽式級組壓力和流量的關(guān)系、中間各級壓比、焓降的變化規(guī)律。

3. 背壓式級組變工況特性實驗

在實驗界面中點擊按鈕“級的原理”和“三維結(jié)構(gòu)”，可播放相關(guān)動畫視頻，驗證背壓式級組弗留格爾公式、背壓式級組變工況下各級焓降的變化規(guī)律。實驗操作與曲線繪制如圖1所示。

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗不同，汽輪機虛擬實驗在上課方式和理論知識掌握程度上對學(xué)生都具有更高的要求，要求學(xué)生在掌握汽輪機相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上獨自上機操作完成相關(guān)實驗。學(xué)生的課程實驗記錄表和實驗報告如圖2所示。

（三）虛擬仿真技術(shù)融入課程實驗的效果

當(dāng)虛擬仿真技術(shù)融入課程實驗后，學(xué)生可以借助虛擬仿真實訓(xùn)平臺在虛擬環(huán)境中進行實訓(xùn)操作，加深對理論知識的理解和掌握，這提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，尤其是專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果提高得特別明顯。真實實驗平臺的搭建需要一定額度的投資，且傳統(tǒng)的教學(xué)需要大量的設(shè)備和場地，而虛擬仿真實驗在發(fā)揮實驗教學(xué)作用的同時，降低了教學(xué)成本，提高了教學(xué)效率。虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供了較多的實訓(xùn)機會和創(chuàng)新空間，提高了學(xué)生的實訓(xùn)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計可知，借助虛擬仿真實驗平臺，教師可以及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和需求，從而及時調(diào)整教學(xué)策略和方法，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。更重要的是，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用減少了部分學(xué)校因?qū)嵱?xùn)設(shè)備缺少導(dǎo)致學(xué)生培養(yǎng)效果參差不齊的問題，同時促進了教育的公平。

三、將虛擬仿真技術(shù)融入實驗周的實驗

以山東建筑大學(xué)能源與動力工程專業(yè)的實驗周為例，該實驗周設(shè)置在大學(xué)四年級的上學(xué)期，時間段為7天（一周），設(shè)置若干個核心課程的專業(yè)實驗。實驗周是圍繞專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，針對中冷器工作過程、不同供液流程和融霜過程及高壓貯液器工作過程、溴化鋰吸收式制冷過程、鍋爐供暖流程、汽輪機噴嘴和級組變工況特性、火電廠設(shè)備及系統(tǒng)操作等而設(shè)置，是能源與動力工程專業(yè)學(xué)生的綜合實驗環(huán)節(jié)。通過綜合實驗周的操作及學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握設(shè)備構(gòu)成、參數(shù)檢測、狀態(tài)監(jiān)測、運行控制的實際使用和操作，提高學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識解決實際問題的能力，為學(xué)生日后從事專業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)、運行等方面的工作奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

綜合實驗周的實驗內(nèi)容豐富且復(fù)雜，在有限的時間段內(nèi)完成較多的實驗對實驗設(shè)備、實驗室等條件的要求較高。虛擬仿真技術(shù)的介入可以幫助使用者迅速掌握實驗內(nèi)容、方便操作，達到具體目標(biāo)和要求。綜合實驗周若僅依靠實際實驗條件，涉及耗材多、用電量大和安全問題。虛擬實驗的應(yīng)用既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果，改變了傳統(tǒng)實驗的教學(xué)模式，有效地解決了實驗條件不足與實驗效果差之間的矛盾。

在實驗周的實驗開展過程中，虛擬仿真實驗與實際操作實驗交叉進行，部分實驗可以由虛擬操作與實際操作共同完成。經(jīng)過虛擬仿真技術(shù)的融入，首先，實驗課程推廣范圍不斷擴大。山東建筑大學(xué)能源與動力工程專業(yè)加入教育部虛擬仿真實驗教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟，多次與業(yè)內(nèi)知名專家匯報交流，并根據(jù)專家意見和建議對虛擬仿真平臺進行完善升級，在平臺建設(shè)期內(nèi)參加聯(lián)盟論壇會議交流匯報2次，參加虛擬仿真一流課程培訓(xùn)1次。其次，課程內(nèi)容不斷豐富完善。立足能源與動力工程專業(yè)特色和理論教學(xué)重點與難點，不斷挖掘?qū)I(yè)課程的虛實結(jié)合點，仿真內(nèi)容不斷豐富，使學(xué)生能夠更加全面、真實、直觀地學(xué)習(xí)設(shè)備和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、運行原理。最后，課程建設(shè)不斷發(fā)展完善。自虛擬仿真有效應(yīng)用于實驗周以來，課程內(nèi)涵建設(shè)不斷完善，能源與動力工程專業(yè)獲批虛擬仿真實驗教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟首批實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)創(chuàng)新課程培育項目。

四、虛擬仿真技術(shù)助力學(xué)生專業(yè)實踐

針對部分主干課程的實踐環(huán)節(jié)難以進行實際操作、無法提高學(xué)生的實踐能力的問題，課題組將虛擬仿真平臺引入學(xué)生專業(yè)實踐環(huán)節(jié)，包括系統(tǒng)選擇、設(shè)備選型、操作流程、圖線繪制等環(huán)節(jié)。通過虛擬實踐教學(xué)平臺，將復(fù)雜的理論知識嵌入立體場景，學(xué)生可通過鼠標(biāo)和鍵盤在設(shè)備和管道中穿梭，獲得身臨其境的學(xué)習(xí)體驗；通過簡單操作，將系統(tǒng)變化直觀地呈現(xiàn)于顯示界面，良好的人機交互體驗增強了學(xué)習(xí)的趣味性，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中實踐操作與理論知識講解分離的問題；通過在三維場景中漫游，幫助學(xué)生進一步熟悉專業(yè)基礎(chǔ)知識、了解設(shè)備運行環(huán)境、提高實踐能力。由此可知，虛擬仿真技術(shù)可助力學(xué)生專業(yè)實踐，結(jié)合實際操作使學(xué)生順利完成認識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)的任務(wù)。

（一）虛擬仿真技術(shù)助力專業(yè)實踐的具體做法

第一，在新冠疫情期間，無法保證線下正常教學(xué)實踐的情況下，虛擬仿真技術(shù)可以幫助學(xué)生迅速掌握實驗研究本身和達到實驗研究的具體目標(biāo)和要求。學(xué)生可以通過電腦的虛擬環(huán)境操作，實現(xiàn)線上實踐，這為專業(yè)實踐提供了強有力的支持。

第二，構(gòu)建虛實結(jié)合的實踐體系，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，實現(xiàn)學(xué)科專業(yè)群之間的交叉融合、教學(xué)與科研的有機融合、校企合作的深度融合、虛擬與現(xiàn)實的互補融合。

第三，多層次、多模塊、多項目的實踐教學(xué)，且模塊和項目由不同的設(shè)備及系統(tǒng)組成。通過虛擬仿真平臺的使用，學(xué)生可以使用不同模塊和項目，既實現(xiàn)了資源共享，突出了專業(yè)特色，又增強了實踐教學(xué)內(nèi)容與課堂教學(xué)的吻合度，匹配了社會需求對人才培養(yǎng)的需求。

（二）虛擬實踐的案例介紹

三維中虛擬圖形與現(xiàn)實世界的各個事物的相對比例一致，具有真實性、沉浸性、交互性等特點，可以虛擬再現(xiàn)生產(chǎn)場景，幫助學(xué)生觀察不同工況下系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流動現(xiàn)象，清晰直觀地掌握設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，了解設(shè)備與關(guān)聯(lián)設(shè)備的物理邏輯關(guān)系，彌補實際實踐環(huán)節(jié)中內(nèi)容的不足，加深學(xué)生對設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)的認知。以電廠的虛擬實踐為例，課題組以超臨界大型電機組為原型，通過三維虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)對超超臨界電站全廠場景的逼真模擬，功能主要包括電廠介紹、電廠漫游、個性化學(xué)習(xí)、設(shè)備拆裝、系統(tǒng)原理、電廠巡檢、文化課考試和模擬操作，其三維視角可以加深學(xué)生對火電廠平面布置、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程的理解，滿足學(xué)生對電廠設(shè)備及系統(tǒng)認知、巡檢、拆裝及機組運行時部分DCS操作的需求，可用于專業(yè)課程認識實習(xí)及生產(chǎn)實習(xí)等實踐教學(xué)活動。通過電廠的虛擬實踐，學(xué)生如同進入真實的電廠場景進行漫游、巡視、學(xué)習(xí)和考試等，從而掌握專業(yè)實踐的內(nèi)容，實現(xiàn)實踐目標(biāo)。虛擬仿真實踐的相關(guān)圖片如圖3所示。

虛擬仿真應(yīng)用于專業(yè)實踐環(huán)節(jié)，豐富了實踐的內(nèi)容和方式，提供了安全的實踐環(huán)境。能源與動力工程專業(yè)實踐現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜多變，難以保證實踐教學(xué)的質(zhì)量和安全，而虛擬仿真技術(shù)可以模擬出各種實踐教學(xué)場景，如電廠、冷庫等，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行實踐操作和觀察，避免了潛在的風(fēng)險和危險，保護了學(xué)生的安全。此外，虛擬仿真技術(shù)允許教師結(jié)合教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生的實際水平和需求來設(shè)計和控制實踐環(huán)境，通過調(diào)整虛擬環(huán)境的參數(shù)和場景，讓學(xué)生在不同的情境中進行實踐操作，提高學(xué)習(xí)的針對性和效果。

五、結(jié)論

虛擬仿真具有開放性高、逼真性強、可交互性多樣、多維度程度高等特點。依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，模擬真實場景和情境，打破時間和空間的限制，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬的、安全的環(huán)境中開展實驗，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強對知識的理解，提高教學(xué)效果，助力高校能源與動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)提升質(zhì)量。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責(zé)任編輯：黃緊德］