朱永勝 徐其迎

摘? 要 介紹電氣工程及其自動化專業(yè)基于虛擬現(xiàn)實技術構建實踐教學體系和實驗室建設方面的經驗和實踐，構建電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真多維度、模塊化實踐教學資源和教學體系，介紹中原工學院虛擬實驗室建設的成果及其技術，為同類院校、相同或者相近專業(yè)在構建虛擬實踐教學體系和實驗室建設等方面提供借鑒和幫助。

關鍵詞 虛擬仿真;實踐教學體系;實驗室;電氣工程;MATLAB/Simlink

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）08-0132-03

Abstract This paper is presented the experience and practice of vir-tual simulation practice teaching system and laboratory construction of electrical engineering. It can be enriched the practice teaching contents for the whole process of electric power production， and per-fected the Multi-dimensional， modular teaching resources. It can be?provided reference and help for similar colleges， same or similar spe-cialty in constructing virtual practice teaching system and laboratory construction.

Key words virtual simulation; practical teaching system; laboratory; electrical engineering; MATLAB/Simlink

1 引言

在新工科和工程教育認證背景下，隨著實踐教學內容和手段的改革和發(fā)展，高等學校實踐教學所占比例不斷提高，高校實踐教學體系和實驗室建設的重要作用也越來越突出。尤其對于某些專業(yè)實驗室建設，不但需要投入大量資金，而且由于其專業(yè)性強，往往在實驗設計交互性和實驗操作安全性等方面不能滿足日常實驗教學的要求。虛擬仿真實驗教學可以很好地彌補傳統(tǒng)實踐教學在實驗條件、實驗成本、交互性和安全性等方面的不足。尤其對于電氣工程及其自動化專業(yè)，因該專業(yè)具有電壓高、電流大、系統(tǒng)結構龐大復雜、電氣設備種類繁多、價格昂貴等特點[1]，故在高校實驗室建設中不可能建立和真實電力系統(tǒng)現(xiàn)場完全相同的實驗環(huán)境。因此，近年來運用虛擬仿真技術開始逐漸成為各大高校電氣工程及其自動化專業(yè)實驗教學和實驗室建設的重要手段和發(fā)展方向。

中原工學院電氣工程及其自動化專業(yè)為卓越工程師計劃及工程教育認證試點專業(yè)。隨著相關教學改革工作的推進，電氣工程及其自動化專業(yè)逐步提升的綜合辦學水平與現(xiàn)有的實踐教學資源及體系之間的矛盾日益凸顯。因此，利用虛擬仿真技術進行電氣工程及其自動化專業(yè)實驗室建設并開展相關實踐教學改革與探索，進而優(yōu)化專業(yè)實踐教學體系結構，建立面向從基礎實驗到專業(yè)實驗、從驗證實驗到創(chuàng)新實驗的虛擬仿真實驗教學資源，研究“基礎—綜合—創(chuàng)新”三位一體的實踐教學體系和模式，成為中原工學院在工程認證背景下實現(xiàn)“實踐教學達標”的關鍵抓手。

本文結合中原工學院在電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實踐教學體系和虛擬仿真實驗室建設方面的經驗，介紹虛擬仿真實踐教學體系構建和實驗室建設的成果，希望能夠為同類院校、相同或者相近專業(yè)在構建虛擬實踐教學體系和實驗室建設等方面提供借鑒和幫助。

2 電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實踐教學體系研究

國內電氣工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學存在的問題? 目前，國內各大電力強校已經建成一些電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實驗室。這些虛擬仿真實驗室根據(jù)各高校專業(yè)特色各具功能和特點，有的實驗室引入仿真和半實物實時仿真技術，具備風、光等多源分布式發(fā)電的管理、設計和仿真等功能;有的實驗室則可以仿真不同電壓等級的電網(wǎng)電能傳輸和分配過程。上述實驗室的建設見證了國內電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實驗教學的起步及發(fā)展，但是也暴露出目前虛擬仿真實驗室建設方面存在的一些問題。

1）各大電力強校虛擬仿真實驗系統(tǒng)基本聚焦于電力行業(yè)的某個特定系統(tǒng)，不能體現(xiàn)電能發(fā)、輸、變、配、用的全過程、立體化特點，尤其對于普通二本院校來說，實驗室建設起點過高、價格也過于昂貴。

2）現(xiàn)有實驗室對于虛擬仿真實驗教學內容進行開發(fā)設計比較多，但對虛擬仿真實驗教學體系內容、模式的研究并不多，相關教學資源有待深入挖掘、整合。

優(yōu)化電氣工程及其自動化專業(yè)實踐教學體系? 根據(jù)工程教育認證工作的具體要求，結合電氣工程及其自動化專業(yè)的特點和人才培養(yǎng)定位，在修訂本專業(yè)本科培養(yǎng)方案時適當加強實踐教學環(huán)節(jié)，提高課程教學中綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗課程的比例，完善和補充課程實驗項目，建立多維度、模塊化、前后銜接、整體提高的實踐教學體系。如按照現(xiàn)有專業(yè)方向整合核心課程實驗環(huán)節(jié)，構建專業(yè)方向培養(yǎng)目標模塊化實踐教學體系，并以提升學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，按照行業(yè)特點、認知規(guī)律和專業(yè)方向進行實踐課程內容的整合和優(yōu)化。重點建設電路、電子技術、電機學、自動控制原理、電力電子技術等專業(yè)基礎課程實踐體系，建設以電力系統(tǒng)生產過程相關聯(lián)的專業(yè)課程實踐體系。

中原工學院電氣工程及其自動化專業(yè)分兩個專業(yè)方向分別建設課程實驗體系，電氣控制與智能電網(wǎng)方向建設的專業(yè)核心課程為電氣工程基礎、電機控制、智能電網(wǎng)技術、DSP技術、電能轉化與控制，重點建設以實物仿真為主的智能電網(wǎng)與新能源發(fā)電實驗室和以軟件仿真的電能變換與控制實驗室。電力系統(tǒng)自動化方向建設的專業(yè)核心課程為電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護、發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)、高電壓工程等，重點建設以實物仿真為主的電力系統(tǒng)自動化實驗室和以軟件仿真的220 kV變電站仿真、發(fā)電廠虛擬現(xiàn)實仿真實驗室。

構建實踐教學體系時，結合電氣工程及其自動化專業(yè)核心課程建設，根據(jù)教學要求和實際條件建設虛擬仿真實驗教學資源，構建由課內外虛擬仿真實驗、校內外科技活動、課程設計、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)組成的多維度、模塊化虛擬仿真實驗教學資源。虛擬仿真實驗教學資源建設分為基礎仿真實驗項目、綜合型仿真實驗項目、設計型仿真實驗項目、創(chuàng)新型仿真實驗項目四個層次。

從大一入學開始先接觸虛擬仿真基礎層次，重點認識和學習以MATLAB/Simlink為平臺搭建的簡單電路實驗模型[2]，

以期完成電路和電子技術課程中單個電路的仿真實驗。

到大二時開展虛擬仿真綜合層次訓練，利用MATLAB/Simlink為平臺搭建復雜電路模型，能夠完成電路、電子技術中綜合實驗項目的實驗，利用虛擬仿真技術構建發(fā)電廠生產工藝流程，達到和完成培養(yǎng)計劃中的專業(yè)認識實習課程目標。

到大三時的虛擬仿真提高層次，能夠利用半實物仿真和計算機仿真技術設計和研究基于電力電子技術、電機學、自動控制原理課程的復雜實驗過程，構建集電能轉換和控制、電磁機電原理和復雜控制系統(tǒng)于一體的設計型實驗項目。

大三至大四學年，利用大學生電子設計大賽和創(chuàng)新訓練、生產實習、畢業(yè)實習等環(huán)節(jié)，構建基于“課內+課外”一體的研究性創(chuàng)新虛擬仿真實踐教學，利用實物、半實物、計算機軟件構建虛擬仿真模型，完成電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用一體，包括電氣一次和二次、傳統(tǒng)電網(wǎng)和智能電網(wǎng)兼具的實踐教學內容，構建多維度、模塊化、前后銜接、整體提高的實踐教學體系，從而提升學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

3 電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實驗室建設實踐

在電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實驗室建設過程中，依托計算機軟件仿真技術、實物仿真和半實物仿真實驗相結合的虛擬仿真實驗平臺建設思路，以“能實不虛、虛實結合”為虛擬仿真實驗平臺建設方針，以實踐課程教學內容整合、優(yōu)化以及教學方法與手段的改革為主要形式，引入不同形式、不同層次的虛擬仿真實驗項目，建設相應的虛擬仿真實驗室。

目前，中原工學院在電氣信息基礎實驗中心和電氣信息專業(yè)實驗中心兩個實物實驗中心的基礎上，建成了基于MATLAB/Simlink為平臺的電路[2]、電力電子技術、電機學、電力系統(tǒng)分析、電能轉換與控制、新能源發(fā)電與并網(wǎng)課程的虛擬仿真實驗平臺;建成了基于虛擬現(xiàn)實技術的電氣工程沉浸式實驗平臺，能夠再現(xiàn)發(fā)電廠、變電所等生產工藝和操作流程;建成了電力系統(tǒng)綜合自動化實驗室，能夠模擬發(fā)、輸、供、配、用整個電力生產過程，以及研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)過程，電力系統(tǒng)繼電保護及自動裝置;通過三維模擬仿真軟件能夠熟悉和掌握220 kV變電站一次、二次部分設備構成及操作。

目前，中原工學院已建成虛擬仿真實驗室八個，能夠開展從專業(yè)基礎課到專業(yè)課程的實驗項目120多個。虛擬仿真實驗室能夠開展的實驗項目和實驗室基于的虛擬仿真實驗平臺見表1所示。

目前，虛擬仿真實驗室通過多年的發(fā)展和建設，已經基本能夠滿足電氣工程及其自動化專業(yè)實踐教學體系的課程實驗、課程設計、畢業(yè)設計、實踐創(chuàng)新、科學研究等方面的需求[3]。

4 結語

中原工學院電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實踐體系及實驗室建設，充分發(fā)揮虛擬仿真技術對高危險性、高成本、高消耗實驗項目和實踐教學活動的適應性，解決一般本科高校在實踐教學環(huán)節(jié)面臨的資金壓力大、場地有限及安全防護專業(yè)性強等問題，有效地豐富面向電氣工程專業(yè)生產全過程的實踐教學內容，完善了電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實踐教學資源，并形成一套適合電氣工程及其自動化專業(yè)的虛擬仿真實踐教學體系。

參考文獻

[1]趙凱輝，童玲，何靜.基于虛擬仿真的電氣工程專業(yè)實踐教學改革探析[J].當代教育理論與實踐，2017，9（11）：37-40.

[2]董燕，朱永勝.基于MATLAB的電路課程教學改革與實踐[J].中國教育技術裝備，2011（33）：165-166.

[3]徐其迎，查叢梅，肖俊明.電氣工程及其自動化專業(yè)（電力系統(tǒng)方向）實踐性教學的改革與實踐[J].學園，2013（22）：78-79.