鄒淑云　劉 忠　戴曙光　周　瑧長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院　湖南長(zhǎng)沙　410114

水電仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐探索

鄒淑云劉 忠戴曙光周瑧
長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院湖南長(zhǎng)沙410114

在教育部開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的大背景下，以長(zhǎng)沙理工大學(xué)水電仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)為例，介紹了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，構(gòu)建了“四層次、四開(kāi)放”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，重點(diǎn)介紹了基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性以及自主創(chuàng)新性四層次仿真實(shí)驗(yàn)課程體系及其實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)踐表明，開(kāi)放式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于能源動(dòng)力類大學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；虛擬仿真；水電；課程體系

由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安全的限制，工科學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)效果往往不佳。[1，2]為了全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，教育部提出建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。[3]哈爾濱工程大學(xué)建設(shè)了核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[4]，東南大學(xué)建設(shè)了機(jī)電綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[5]，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建設(shè)了采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[6]，華北電力大學(xué)建設(shè)了電力工程全過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。[7]通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在校期間即能在與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)十分接近的虛擬環(huán)境中進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)踐鍛煉，掌握復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操控技術(shù)，實(shí)踐操作達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)操作規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了人才培養(yǎng)與社會(huì)需求的緊密銜接。[8]

我校能源與動(dòng)力工程專業(yè)水動(dòng)方向的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，水電廠實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生不能觸碰相關(guān)儀器設(shè)備，缺乏對(duì)水電廠整體系統(tǒng)的深入認(rèn)識(shí)，而真實(shí)的實(shí)驗(yàn)存在高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗、高成本等問(wèn)題，難于開(kāi)展。因此，為了更好地適應(yīng)水電企業(yè)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，全面提高我校水動(dòng)方向畢業(yè)生的實(shí)踐能力，提升畢業(yè)生的就業(yè)質(zhì)量和我校在水電行業(yè)的知名度，我校投入了一定的人力、物力，開(kāi)展了水電仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐探索工作。

1　水電仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

水電仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案如圖1所示。在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上確立新形勢(shì)下水電仿真實(shí)踐教學(xué)必須遵循的若干原則：實(shí)用原則、就業(yè)導(dǎo)向原則、先進(jìn)性原則、目標(biāo)性原則。進(jìn)行各項(xiàng)規(guī)章制度的健全完善，形成設(shè)備的科學(xué)管理方法，加強(qiáng)教師的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，構(gòu)建多種形式的開(kāi)放式教學(xué)模式。通過(guò)效果評(píng)估，不斷完善，形成科學(xué)合理、操作可行的仿真實(shí)踐教學(xué)模式。

圖1　水電仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

2　水電仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)室建立了基于校園網(wǎng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源統(tǒng)籌調(diào)配、資源共享，構(gòu)建了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)設(shè)備管理系統(tǒng)；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)空、內(nèi)容的全面開(kāi)放，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的信息平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了“四層次、四開(kāi)放”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，面向?qū)W生全面開(kāi)放。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以及自主創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)4個(gè)層次；開(kāi)放形式上做到時(shí)間開(kāi)放、場(chǎng)所開(kāi)放、內(nèi)容開(kāi)放、對(duì)象開(kāi)放4種模式。學(xué)生可在網(wǎng)上與實(shí)驗(yàn)教師預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容，然后按約定自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未能完成實(shí)驗(yàn)，可以再次預(yù)約時(shí)間繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這種人性化、個(gè)性化、具有彈性的預(yù)約開(kāi)放運(yùn)行機(jī)制給學(xué)生提供了極大的方便。構(gòu)建4個(gè)層次、選擇性強(qiáng)、靈活性大的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以滿足不同層次、不同年級(jí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要，能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與實(shí)際動(dòng)手能力。在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師提前布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，讓學(xué)生帶著問(wèn)題和目標(biāo)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中思考有關(guān)技術(shù)問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，可以獲得事半功倍的效果。例如，在自主創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)水電機(jī)組檢修虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、水輪機(jī)能量特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得以充分發(fā)揮，創(chuàng)新型思維得到充分鍛煉，專業(yè)素養(yǎng)有了較大提高。

3　水電仿真實(shí)驗(yàn)課程體系

3.1水電站設(shè)備及系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程

軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法能使學(xué)生加深對(duì)基本概念的理解，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。[9]為打破由于實(shí)驗(yàn)成本限制而僅限于軟件仿真的局限，使學(xué)生能在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成硬件操作，實(shí)驗(yàn)室充分利用水電站三維仿真培訓(xùn)軟件系統(tǒng)和700mW水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)演示模型，采用三維建模技術(shù)，配合水輪機(jī)原理、水輪機(jī)調(diào)節(jié)、水力機(jī)組輔助設(shè)備和水力機(jī)組安裝與檢修等理論課程，為本科、研究生開(kāi)設(shè)水電站設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(見(jiàn)表1)。通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)只有在水電廠方能開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更直觀地展示水電站主、輔儀器設(shè)備及其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，使學(xué)生更深刻地理

解設(shè)備及系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行特性，激發(fā)其專業(yè)學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)其理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

表1　水電站設(shè)備及系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程

實(shí)驗(yàn)效果體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)水電站漫游培訓(xùn)及廠房設(shè)備定位導(dǎo)航。瀏覽水電站廠區(qū)環(huán)境與廠房布置；瀏覽水電站廠房(主廠房、副廠房、開(kāi)關(guān)站等)的三維模型，廠房?jī)?nèi)部主要結(jié)構(gòu)和主要儀器設(shè)備布置；通過(guò)三維導(dǎo)航與二維導(dǎo)航進(jìn)行指引現(xiàn)場(chǎng)查找廠房?jī)?nèi)部任意儀器設(shè)備所在位置。

(2)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合模擬體介紹電站的廠房、儀器設(shè)備等。實(shí)物模擬體是將電站的廠房、儀器設(shè)備等以模型的方式進(jìn)行展現(xiàn)；虛擬模型是通過(guò)三維交互軟件/多媒體軟件，真實(shí)模擬和介紹重要廠房、儀器設(shè)備的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)等。

(3)水電站重要操作設(shè)備仿真操作。以水電站重要操作設(shè)備為對(duì)象，如水輪機(jī)調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等，以三維仿真的方式，模擬實(shí)際工作的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和儀器設(shè)備；可通過(guò)仿真軟盤(pán)臺(tái)方式，建立設(shè)備操作控制盤(pán)，進(jìn)行設(shè)備操作演練；可預(yù)設(shè)多種場(chǎng)景和故障等，增強(qiáng)培訓(xùn)效果。

3.2水力發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)課程

采用水電站三維仿真培訓(xùn)軟件系統(tǒng)，配合水電站自動(dòng)化和水輪機(jī)運(yùn)行與故障分析等理論課程，為本科、研究生開(kāi)設(shè)水電廠正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行工況下生產(chǎn)過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表2)。通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了原來(lái)只有在商業(yè)運(yùn)行水電站才能開(kāi)展的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、控制運(yùn)行、故障處理等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生更好理解并掌握對(duì)電廠設(shè)備和系統(tǒng)的啟、停過(guò)程操作，正常運(yùn)行調(diào)整，事故處理分析的方法、內(nèi)容和步驟等，

增強(qiáng)其實(shí)際動(dòng)手能力以及分析和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力。

表2　水力發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)課程

讓學(xué)生能在進(jìn)入水電廠相關(guān)崗位前，就能接受到良好的運(yùn)行實(shí)踐能力培養(yǎng)，熟悉水電廠運(yùn)行的兩個(gè)基本任務(wù)：一是在正常運(yùn)行工況下對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、停機(jī)等進(jìn)行控制，對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)以維持水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行；二是在非正常工況下及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或事故狀態(tài)，并通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)方式對(duì)非正常狀態(tài)進(jìn)行正確處理，確保人身和設(shè)備安全。課程所使用的水電站三維仿真培訓(xùn)軟件系統(tǒng)與水電廠的運(yùn)行環(huán)境基本相同，充分保證了仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性和有效性。

3.3水電站設(shè)備檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程

充分利用水電站三維仿真培訓(xùn)軟件系統(tǒng)和700mW水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)演示模型，采用三維建模及動(dòng)畫(huà)技術(shù)，配合水力機(jī)組安裝與檢修理論課程，為本科、研究生開(kāi)設(shè)水電站設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(見(jiàn)表3)。通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)只有在實(shí)際水電設(shè)備上才能開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生更直觀地熟悉水電站主、輔設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，更好地掌握水電站主、輔設(shè)備檢修的基本工藝、基本方法、基本步驟，增強(qiáng)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力和專業(yè)操作技能。

實(shí)驗(yàn)效果包括以下幾方面。

(1)以水電站重要主、輔設(shè)備為模擬對(duì)象，通過(guò)三維建模，建立檢修工具、主體設(shè)備、輔助設(shè)備的詳細(xì)三維模型，使學(xué)生直觀了解設(shè)備組成和詳細(xì)零部件結(jié)構(gòu)，再現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)下零部件動(dòng)作過(guò)程。

(2)可按照設(shè)備檢修規(guī)程，詳細(xì)模擬設(shè)備拆裝和檢修的工作過(guò)程。

(3)可用于人員的操作演練和培訓(xùn)以及計(jì)算機(jī)仿真模擬方案驗(yàn)證。

表3　水電站設(shè)備檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程

4　結(jié)束語(yǔ)

水電仿真實(shí)踐教學(xué)的成功開(kāi)展，能夠低成本、高效率地增加每名學(xué)生的實(shí)際實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)，減少實(shí)習(xí)的安全隱患。建設(shè)以現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程培訓(xùn)為主的水電仿真實(shí)驗(yàn)室，將現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)等方面的最新規(guī)程、規(guī)范引入教學(xué)實(shí)踐，在很大程度上提升了教育教學(xué)質(zhì)量。在水動(dòng)方向人才培養(yǎng)和水電企業(yè)人才需求之間架設(shè)了一座便捷的“橋梁”，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校培養(yǎng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的“無(wú)縫連接”。

[1] 李平，李晶杰，徐進(jìn).開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(11):5-8.

[2] 程思寧，耿強(qiáng)，姜文波.虛擬仿真技術(shù)在電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(7):94-97.

[3] 教育部高教司.關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(〔2013〕94號(hào))，[Z].2013.

[4] 崔媛，武艷君，孫萌萌.依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的探索[J].黑龍江科學(xué)，2014，5(5):29，296.

[5] 吳涓，孫岳民，雷威.東南大學(xué)機(jī)電綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進(jìn)展[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(10):5-9.

[6] 馬文頂，吳作武，萬(wàn)志軍.采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(9):14-18.

[7] 翟永杰.紀(jì)蓬勃.王秀梅.電力工程全過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(8):5-8.

[8] 祖強(qiáng).國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心評(píng)審指標(biāo)體系解讀[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2014(21):27-29.

[9] 竺瓊，黃曉晴.仿真與實(shí)踐結(jié)合在信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的案例探究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2014，(9):87-88.

Construction and Teaching Practice of Hydropower Simulation Laboratory

Zou Shuyun， Liu Zhong， Dai Shuguang， Zhou Zhen

School of Energy and Power Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China

In the background of theministry of Education to carry out the construction work of national virtual simulation experiment teaching centers， Changsha University of Science and Technology established the hydropower simulation laboratory. The construction scheme of the laboratory was introduced. The four-level and four-open experimental teachingmode was constructed. Thefour-level simulation experiment course system and its experimental effects weremainly introduced. Practices have shown that the open experimental teaching of virtual simulation helps to develop the students’ practice and innovation ability.

laboratory construction； virtual simulation； hydropower； course system

2014-12-30

鄒淑云，講師，碩士。

2013年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“水電仿真實(shí)驗(yàn)室管理與教學(xué)實(shí)踐探索”；長(zhǎng)沙理工大學(xué)教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：JG1307)；2013年湖南省專業(yè)綜合改革項(xiàng)目“熱能與動(dòng)力工程”。