胡 蔓， 楊 明， 杜萍靜

（山東大學(xué)a．工程訓(xùn)練中心；b．電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

0 引 言

在能源革命、“一帶一路”倡議的快速推進(jìn)中，建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為承載能源革命、實(shí)現(xiàn)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的全球共識(shí)。在電力能源行業(yè)向多能耦合、跨區(qū)互聯(lián)進(jìn)行戰(zhàn)略調(diào)整的背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)應(yīng)升級(jí)電氣工程人才培養(yǎng)方案迫在眉睫。

依托于山東大學(xué)“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”新工科特色班的人才培養(yǎng)體系，將虛擬仿真軟件應(yīng)用于跨國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐教學(xué)，以信息技術(shù)應(yīng)用作為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段［1-2］。以東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)背景，采用數(shù)字仿真技術(shù)和3D 建模等技術(shù)建立高度仿真的能源互聯(lián)網(wǎng)分析項(xiàng)目。項(xiàng)目包含能源系統(tǒng)規(guī)劃、能源系統(tǒng)運(yùn)行、資源稟賦分析、能源經(jīng)濟(jì)分析等多方面的考核內(nèi)容，融合電力、能源、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科知識(shí)，采用探究式等多種教學(xué)手段，契合新工科人才培養(yǎng)的理念，培養(yǎng)學(xué)生理解、分析、解決全球能源問(wèn)題的基本素養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生在能源、經(jīng)濟(jì)以及政治等領(lǐng)域的交叉思考能力，為未來(lái)跨國(guó)能源互聯(lián)互通培育具有全球能源意識(shí)和國(guó)際視野的人才［3-4］。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建立，將理論知識(shí)與實(shí)踐操作更好融合，支持學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)多以教師講解的不足，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)跨國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。在教學(xué)中有助于樹(shù)立學(xué)生的能源意識(shí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)［5］。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)必要性

1.1 全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求

自習(xí)近平總書(shū)記2015 年9 月26 日在聯(lián)合國(guó)發(fā)展峰會(huì)提出全球能源互聯(lián)網(wǎng)倡議以來(lái)，全球能源互聯(lián)網(wǎng)理念已得到了國(guó)際上的認(rèn)可與積極響應(yīng)［6-7］。2019 年全球能源互聯(lián)網(wǎng)合作發(fā)展組織正式頒布“一帶一路”能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方案，促進(jìn)了全球能源互聯(lián)網(wǎng)的加速建設(shè)。能源互聯(lián)網(wǎng)的加速推進(jìn)，需要有強(qiáng)大的科研、工程實(shí)力作保障，要求該領(lǐng)域科研、工程人員具備全球化視野、一定的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)的能源知識(shí)和過(guò)硬的自主創(chuàng)新能力。

鑒于全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)該領(lǐng)域教學(xué)，尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面提出的強(qiáng)烈需求，考慮東北亞地區(qū)作為“一帶一路”能源發(fā)展規(guī)劃的起點(diǎn)，具有能源供需逆向分布、綜合能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求迫切、學(xué)生對(duì)其認(rèn)知相對(duì)充分等特點(diǎn)，因此展開(kāi)東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真的研究有助于該方向的教學(xué)和人才培養(yǎng)［8］。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)需求

山東大學(xué)特設(shè)“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”新工科特色班，培養(yǎng)能源互聯(lián)領(lǐng)域人才，通過(guò)《全球能源互聯(lián)網(wǎng)概論》等課程進(jìn)行該領(lǐng)域教學(xué)。然而全球能源互聯(lián)網(wǎng)存在能源傳輸路徑復(fù)雜、多種能源并濟(jì)、綜合能源理論相對(duì)抽象等特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容難度相對(duì)較大。由此，亟須通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提升學(xué)生對(duì)于知識(shí)的直觀理解。然而，受限于實(shí)驗(yàn)空間、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)安全等多方面因素，實(shí)際中存在難以還原真實(shí)系統(tǒng)、缺乏實(shí)體操作型實(shí)驗(yàn)等教學(xué)壁壘［9］。

為此，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、后臺(tái)真實(shí)存儲(chǔ)的東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以填補(bǔ)跨國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白，破解學(xué)生無(wú)法直觀了解跨國(guó)能源傳輸與配置問(wèn)題。從而實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和質(zhì)量，進(jìn)一步提升高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)能力［10］。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目高度還原東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)的真實(shí)狀態(tài)，為多種能源場(chǎng)景下的自主探索提供了平臺(tái)。項(xiàng)目建設(shè)以期達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)壁壘，提升教學(xué)水平。依托東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，消除能源互聯(lián)網(wǎng)理論教學(xué)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的壁壘，讓學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中夯實(shí)知識(shí)、驗(yàn)證知識(shí)，改變能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域理論教學(xué)抽象無(wú)趣的課堂效果。通過(guò)化抽象為具體的教學(xué)手段，幫助學(xué)生消化知識(shí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提升教學(xué)水平。

（2）鼓勵(lì)學(xué)生自我探究，提升學(xué)生綜合能力。該項(xiàng)目充分落實(shí)新工科人才培養(yǎng)理念，融合多學(xué)科知識(shí)，采用情境體驗(yàn)式實(shí)踐育人方法，鼓勵(lì)學(xué)生自我探究。項(xiàng)目能夠支持學(xué)生對(duì)開(kāi)放性問(wèn)題進(jìn)行探索，同時(shí)能源情境、能源數(shù)據(jù)等的自主設(shè)置可滿(mǎn)足學(xué)生在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的探索和研究，成為輔助學(xué)生進(jìn)行科研的實(shí)驗(yàn)探索和驗(yàn)證平臺(tái)。因此，有利于培養(yǎng)實(shí)踐、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才［11］。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目體系架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)充分貼近全球能源互聯(lián)網(wǎng)理論教學(xué)課程，落實(shí)到實(shí)際問(wèn)題，本著先易后難、先基礎(chǔ)后提升的原則設(shè)置全球能源互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)搭建、實(shí)時(shí)功率和多能源能量平衡仿真實(shí)驗(yàn)4 部分內(nèi)容。

其基本實(shí)驗(yàn)框架和知識(shí)點(diǎn)如圖1 所示。①通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知，讓學(xué)生了解全球各地區(qū)的能源特性、樹(shù)立全球能源意識(shí)。②以此為理論基礎(chǔ)，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的搭建原則和規(guī)劃進(jìn)行探究，讓學(xué)生明確東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征，掌握合理規(guī)劃能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的原理與方法，形成一定的全球能源配置觀念。③在電力網(wǎng)架基礎(chǔ)上，設(shè)置東北亞地區(qū)電力能源功率平衡實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解電力負(fù)荷的時(shí)區(qū)差異性、清潔能源電源的波動(dòng)性，及電力互聯(lián)的機(jī)理與特征，形成正確認(rèn)識(shí)和把握電力平衡規(guī)律的能力。④以功率平衡理論為參考設(shè)置東北亞多能源能量平衡仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解各地區(qū)能源需求的差異性，理解能源之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系及其重要意義，熟悉環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素與能量平衡的相關(guān)性，掌握能源互聯(lián)網(wǎng)能量平衡的分析方法。整個(gè)實(shí)驗(yàn)框架涵蓋知識(shí)點(diǎn)全面、層層推進(jìn)，授課邏輯清晰。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框圖

圖2 水電站3D仿真界面

在各部分內(nèi)容實(shí)現(xiàn)時(shí)，結(jié)合內(nèi)容與教學(xué)需求，充分利用多種仿真、教學(xué)手段和交互性步驟以達(dá)到最佳實(shí)驗(yàn)設(shè)置效果。如能源互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知部分著重采用Unity3d作為3D引擎［12-13］，高度還原了圖2所示水電站等一系列3D設(shè)備場(chǎng)景。使實(shí)驗(yàn)有良好的用戶(hù)體驗(yàn)感和真實(shí)感，便于學(xué)生對(duì)相關(guān)概念建立直觀印象，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，充分利用啟發(fā)式、探究式教學(xué)方法，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建時(shí)，由學(xué)生自主設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c容量（圖3），以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于跨國(guó)能源互聯(lián)的理解，提升學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。后2 個(gè)實(shí)驗(yàn)則設(shè)置了能源互補(bǔ)特性的影響、“電力替代”的作用等探究類(lèi)問(wèn)題（圖4），激發(fā)學(xué)生的課堂興趣，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)和自主學(xué)習(xí)能力［14-15］。

圖3 自主設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c容量操作示意圖

圖4 “電力替代”作用研究操作示意圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在設(shè)置時(shí)，充分考慮能源互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)領(lǐng)域的需求和難點(diǎn)，將理論教學(xué)中難以充分展示的能源互補(bǔ)特性的影響、“電力替代”的作用和互聯(lián)線路搭建原則等16 個(gè)知識(shí)點(diǎn)融入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且包含20 個(gè)交互步驟和“能源峰谷特性的影響”等多項(xiàng)開(kāi)放性問(wèn)題的探究。

2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)特點(diǎn)

（1）面向國(guó)家需求，培養(yǎng)新型電氣工程人才。國(guó)際能源合作是“一帶一路”倡議的重要領(lǐng)域，隨著“一帶一路”建設(shè)的不斷推進(jìn)，培養(yǎng)具有國(guó)家能源安全觀和國(guó)際視野的新型電氣工程人才是發(fā)展的必然要求。同時(shí)新工科建設(shè)也對(duì)本科教學(xué)提出了應(yīng)當(dāng)適用和使用新的、先進(jìn)的教學(xué)工具，注重創(chuàng)新性、實(shí)踐性的要求［16-17］。項(xiàng)目順應(yīng)全球能源互聯(lián)戰(zhàn)略布局和新工科建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)的新要求，從全球視野出發(fā)，以東北亞地區(qū)為例進(jìn)行研究，構(gòu)建東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。通過(guò)理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理解、分析、解決全球能源問(wèn)題的基本素養(yǎng)，滿(mǎn)足國(guó)家戰(zhàn)略與電力能源企業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的需要。

圖5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目英文版本示意圖

（2）以用戶(hù)為中心，搭建中英文雙語(yǔ)版本。為充分考慮國(guó)際留學(xué)生、國(guó)外高校與研究機(jī)構(gòu)的使用需求，同時(shí)開(kāi)發(fā)了中英文雙語(yǔ)版本，如圖5 所示，可以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，促進(jìn)國(guó)際交流，也為項(xiàng)目的后續(xù)開(kāi)發(fā)與推廣提供保障。目前，該項(xiàng)目雙語(yǔ)版本除了在中國(guó)大陸高校、企事業(yè)單位推廣外，已在日本、新加坡、泰國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的高校和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了推廣，為“一帶一路”的能源建設(shè)做出了一定宣傳和促進(jìn)作用。項(xiàng)目采用多樣化、全方位的評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)線上課前預(yù)習(xí)測(cè)試、仿真實(shí)驗(yàn)操作，線下開(kāi)放性課題分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多方位的綜合評(píng)測(cè)，過(guò)程考核和能力考核并重。完善的評(píng)價(jià)體系，讓學(xué)生及時(shí)了解自己對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度，便于學(xué)生查缺補(bǔ)漏。該評(píng)價(jià)方式彌補(bǔ)了單一考核方式的不足，能夠結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核對(duì)象合理選擇考核方式，切實(shí)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過(guò)圖6 該項(xiàng)目使用前后學(xué)生《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》成績(jī)的對(duì)比結(jié)果和圖7 學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)提升調(diào)查結(jié)果可以看到，在該考核方式下，學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)、知識(shí)掌握程度都有較大提升。

圖6 學(xué)生《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》成績(jī)對(duì)比圖

圖7 學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)提高情況

同時(shí)，也能夠評(píng)估理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的長(zhǎng)處和不足，便于教師對(duì)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)達(dá)到了“以考促學(xué)、以考促教”的目的［18］。

3 互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的應(yīng)用和持續(xù)建設(shè)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目除了作為山東大學(xué)電氣工程學(xué)院“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”新工科特色班的必修實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了應(yīng)用，還以“綜合實(shí)驗(yàn)”的形式在電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)進(jìn)行全面推廣，也獲得了其他高校和研究機(jī)構(gòu)的認(rèn)可和歡迎。項(xiàng)目已推廣至國(guó)內(nèi)外20 多所高校和研究機(jī)構(gòu)，涵蓋中國(guó)大陸、美國(guó)、新加坡、日本和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，萬(wàn)余人次使用該項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研探究或成果驗(yàn)證。

該項(xiàng)目將在此基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大推廣范圍和推廣深度，增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，打造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.1 面向“一帶一路”沿線國(guó)家和全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟高校免費(fèi)開(kāi)放

為充分響應(yīng)國(guó)家“一帶一路”倡議，項(xiàng)目將優(yōu)先面向“一帶一路”沿線的東亞、中亞、西亞直至歐洲地區(qū)的高校開(kāi)放推廣，為以上地區(qū)的高校提供教學(xué)和科研服務(wù)。項(xiàng)目將依托我校作為全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟主席單位的條件，面向全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟30 余所成員高校推廣應(yīng)用。

3.2 面向全球能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)免費(fèi)開(kāi)放

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可進(jìn)行科學(xué)研究，為此，本項(xiàng)目將會(huì)向全球能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)免費(fèi)開(kāi)放，同時(shí)可以通過(guò)研究成果豐富本項(xiàng)目?jī)?nèi)容，使項(xiàng)目不斷的改進(jìn)和完善。

3.3 持續(xù)加強(qiáng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)并豐富建設(shè)內(nèi)容

將持續(xù)加強(qiáng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，更新項(xiàng)目?jī)?nèi)容和軟件架構(gòu)，比如對(duì)東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性分析、環(huán)境效益分析功能，以保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)際系統(tǒng)的一致性。學(xué)校將提供持續(xù)的建設(shè)與運(yùn)行經(jīng)費(fèi)，在未來(lái)5 年內(nèi)將逐步增加對(duì)東南亞直至亞太地區(qū)的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃、分析能力等內(nèi)容，建設(shè)成能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣大學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和科研創(chuàng)新的綜合平臺(tái)。

4 結(jié) 語(yǔ)

以東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)為對(duì)象，將能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)融入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決了跨國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境，通過(guò)虛擬仿真的手段，破解了學(xué)生無(wú)法直觀了解跨國(guó)能源傳輸與配置的問(wèn)題。該項(xiàng)目可以滿(mǎn)足自主搭建未來(lái)跨國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，能夠設(shè)置不同能源場(chǎng)景，模擬不同能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)和移動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，搭建了中英文雙語(yǔ)版本，有利于增強(qiáng)國(guó)際交流。同時(shí)，項(xiàng)目提供了理論知識(shí)測(cè)試環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，提高了學(xué)生的實(shí)踐水平、課程成績(jī)和課程滿(mǎn)意度。下一步項(xiàng)目將按照一流本科課程“雙萬(wàn)計(jì)劃”中提出的國(guó)家“金課”“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)改進(jìn)和完善，力爭(zhēng)建設(shè)為虛擬仿真金課。