方洋洋　張立

摘要：文章針對傳統(tǒng)電氣工程實驗存在資源、場地和經(jīng)費受限，信息化不足等現(xiàn)狀，以漢江師范學院電氣工程虛擬仿真類實驗建設為例，通過調(diào)研師范院校電氣工程專業(yè)辦學現(xiàn)狀和實習就業(yè)現(xiàn)狀，給出虛擬仿真實驗課程建設方案。方案實踐表明：通過建設與本專業(yè)就業(yè)發(fā)展相匹配的虛擬仿真類實驗體系，可有效彌補傳統(tǒng)電氣工程實驗平臺的缺點，提高師范院校電氣工程專業(yè)相關人員的素質(zhì)，并達到更好地服務于地區(qū)和社會的目的。

關鍵詞：電氣工程；虛擬仿真；師范院校；實驗建設

中圖分類號：TP75文獻標志碼：A0引言蘇勛文等［1］結(jié)合虛擬仿真實驗系統(tǒng)的實驗教學改革，針對硬件實驗平臺存在的弊端，提出有關建設虛擬仿真實驗系統(tǒng)的思路，設計了學生培養(yǎng)方案。因此，相對于傳統(tǒng)實驗，虛擬仿真實驗更好地解決了硬件數(shù)量不足的問題。東南大學通過虛擬實驗平臺，成立了國家級的機電綜合虛擬教學中心，啟動200多項綜合實踐項目和40多門仿真教學實驗課程，通過加深學生對科研成果的接觸與理解，提高學校資源的利用率［2］。這也說明虛擬仿真實驗能夠拓展實驗教學的深度，加深學生對實驗內(nèi)容的了解與應用，降低實驗損失與風險，使所得的實驗數(shù)據(jù)更加精準，數(shù)據(jù)分析更加直觀。目前，PSCAD/EMTDC是世界上針對電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真分析運用最廣泛的一種軟件，它可以用來研究電力系統(tǒng)時域計算仿真、電力系統(tǒng)頻域計算仿真、高電壓等問題［3］。

本文結(jié)合漢江師范學院電氣工程專業(yè)的實際狀況，建設虛擬仿真實驗課程，改善學科建設現(xiàn)狀，提高教學效果，對虛擬仿真實驗建設進行目標規(guī)劃，分析建設虛擬仿真實驗的目的，探究虛擬仿真實驗建設的條件，分析并決定使用的仿真軟件及相關實驗的課時安排，達到師范院校電氣工程專業(yè)更好地服務于地區(qū)和社會的目的。

1電氣工程專業(yè)辦學情況及實驗室建設現(xiàn)狀1.1電氣工程專業(yè)辦學情況十堰市地處鄂豫陜渝交界處的貧窮山區(qū)——秦巴地區(qū)，該地區(qū)及周邊地區(qū)電力企業(yè)較多。其中，湖北省電力工程企業(yè)540多家，陜西省電力供應企業(yè)570多家，河南省電力供應企業(yè)1 000多家，電氣工程專業(yè)技術人員需求較大。

根據(jù)《2017年安康、漢中、十堰、襄陽等地區(qū)高等院校開設電氣工程及其自動化專業(yè)情況及電站情況年報匯總》信息可知，2017年，安康、漢中、南陽、十堰、襄陽等地區(qū)共有700多家水力發(fā)電企業(yè)，但僅有陜西理工大學、南陽理工學院、湖北汽車工業(yè)學院3所大學開設電氣工程及其自動化專業(yè)，每年招生規(guī)模不足400人。漢江師范學院物理與電子工程學院于1993年開設應用電子技術專業(yè)，歷史悠久，現(xiàn)已建設一個省級實訓基地。2005年，學院開辦機電一體化技術專業(yè)，建有機械與自動化實訓中心。2016年，學校升格為本科院校——漢江師范學院后，在原來的機電一體化、汽車電子技術、應用電子技術專業(yè)發(fā)展的基礎上，申辦電氣工程及其自動化本科專業(yè)。電氣工程及其自動化專業(yè)是漢江師范學院第三批開設的本科專業(yè)之一，于2018年9月開始面向全國招生，目前有2018級學生93人，2019級學生83人，2020級學生85人，2021級89人，在校生共計350人。

1.2實驗室建設和實驗教學現(xiàn)狀目前，漢江師范學院電氣工程專業(yè)有5個專業(yè)實驗室，占地使用面積約1 250 m2。同時，本專業(yè)還開設電子電工類實驗，在電子電工實驗中心相關的實驗室進行。目前，本專業(yè)教學科研儀器設備共計1 643臺（套），資產(chǎn)總值達439.36萬元。

傳統(tǒng)的實驗通常存在實驗周期長、成本高、過程操作復雜、危險系數(shù)大、環(huán)境要求過于嚴苛等缺點。相對于傳統(tǒng)實驗而言，虛擬仿真實驗具有較高的直觀性、創(chuàng)新性、經(jīng)濟性、簡易性、精準性、安全性。因此，以漢江師范學院電氣工程專業(yè)建設虛擬仿真實驗平臺為例，在人才培養(yǎng)的過程中不斷地探究實踐育人的新模式，深化實驗教學改革，加快虛擬仿真教學項目的建設步伐，促進實驗教學與科學技術高度融合。從信息管理平臺、實驗教學隊伍和管理運行機制等方面加強實驗仿真教學中心建設，共享虛擬仿真優(yōu)質(zhì)的實驗教學資源，進一步提高學校實驗教學的水平，有效改善教育教學現(xiàn)狀。

2虛擬仿真實驗課程建設方案2.1虛擬仿真實驗課程建設的目的目前，在高等學校的教學研究和科研發(fā)展中，虛擬仿真技術所帶來的影響也變得越來越重要。在虛擬仿真實驗教學過程中，通過構(gòu)造接近真實的實驗環(huán)境，從而實現(xiàn)實驗目標［4-5］。隨著科學技術的發(fā)展，為滿足漢江師范學院的教學和科研發(fā)展需要，本文以漢江師范學院電氣工程專業(yè)虛擬仿真建設實驗為例進行教學實踐探索。

2.2虛擬仿真實驗課程的建設規(guī)劃虛擬仿真實驗的建設要有目的、有方向、有層次地進行。漢江師范學院利用“互聯(lián)網(wǎng)+”和“虛擬仿真”技術對教學活動中的環(huán)節(jié)和內(nèi)容進行了全面的設計，使虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)更加科學且可持續(xù)拓展。虛擬仿真實驗課程建設規(guī)劃主要包括仿真教學資源、平臺軟件、管理系統(tǒng)的確定以及相關費用需求。

本研究引用虛擬仿真技術提升傳統(tǒng)實驗效果，將虛擬仿真與傳統(tǒng)實驗合二為一，加深學生的動手體驗，讓學生在設計、實驗、計算、控制等各個實驗環(huán)節(jié)理解實驗的目的與內(nèi)涵。通過改進學校相關制度，設計專業(yè)培養(yǎng)方案和系統(tǒng)教學方案，讓學生分層遞進地做到對虛擬仿真實驗的融會貫通。此外，對學生、教師、實驗室負責人員做出相應要求，聯(lián)合企業(yè)創(chuàng)立比賽，并設立相關獎項，激發(fā)學生對虛擬仿真的學習熱情，使學生更好地理解與運用相關虛擬仿真實驗知識［6］。

2.3虛擬仿真實驗建設流程虛擬仿真實驗建設流程如圖1所示。

如圖1所示，在虛擬仿真實驗課程中，首先，進行虛擬仿真基礎課，使學生了解仿真實驗的結(jié)構(gòu)與相關軟件的功能；其次，對學生進行有針對性的虛擬仿真概述課；最后，完成虛擬仿真實驗課。有了基礎課與專業(yè)課的知識技術積累，學生在進行實驗時會更加高效。同時通過實驗，學生對基礎理論與相關軟件的理解與運用進一步加深。3個實驗課程形成良性循環(huán)，能夠有效提高學生的學習效率。

3電氣工程虛擬仿真實驗課程建設實踐3.1電氣工程虛擬仿真實驗課程建設實踐3.1.1基礎課程仿真實驗第一階段主要開設基礎課程仿真實驗，使學生初步了解基礎知識，同時為后續(xù)專業(yè)課程實驗的學習打好基礎。其課程實驗安排如表1所示。

3.1.2專業(yè)課程仿真實驗專業(yè)課程仿真實驗位于第二階段，基于基礎課的

知識儲備，開設專業(yè)核心仿真課程實驗，加深學生對本專業(yè)實驗課程的理解并熟練操作，主要的專業(yè)核心課程仿真實驗的安排如表2所示。

3.1.3課程設計類仿真實驗最后階段是開設課程設計類仿真實驗。學生在深入了解專業(yè)實驗知識之后，可以針對自己的興趣愛好進行方向化的選擇，延伸拓展學習。這一階段的課程實驗安排如表3所示。

除基礎課程仿真實驗、專業(yè)課程仿真實驗和設計類課程仿真實驗外，漢江師范學院電氣工程專業(yè)安排了相關的虛擬仿真專業(yè)集中實踐環(huán)節(jié)，以檢測學生的學習情況，提高學生設計應用能力，主要包括C語言課程設計、電氣控制與PLC課程設計、電力電子技術課程設計、單片機技術課程設計、電力系統(tǒng)綜合課程設計。每門虛擬仿真專業(yè)集中實踐環(huán)節(jié)都安排教師進行指導，在1周時間內(nèi)完成相應實驗任務，課時分配為30學時。

3.2虛擬仿真實驗實施進展及改進方向3.2.1實施進展?jié)h江師范學院電氣工程專業(yè)虛擬仿真實踐教育資源與網(wǎng)絡平臺的進一步建立已經(jīng)在分階段進行。2019年，學院購置包含Matlab，ANSYS等內(nèi)容的大型專業(yè)仿真與設計軟件系統(tǒng)，將通過學院云平臺實現(xiàn)專業(yè)軟件共享和管理。同時，學校會進一步規(guī)范和加強實驗中心課程資源建設，根據(jù)專業(yè)課程理論和實踐教學要求，2020年支持兩個虛擬仿真實驗項目建設，支持信息化、網(wǎng)絡管理和軟硬件平臺建設，2022年進一步實現(xiàn)虛擬仿真教育與實驗資源的整合、優(yōu)化、虛擬仿真教育實踐活動。

相對傳統(tǒng)實驗，虛擬仿真實驗具有較高的直觀性、經(jīng)濟性、精準性、安全性。虛擬仿真實驗加深了學生對科研成果的了解，提高了學校資源利用率。同時，虛擬仿真實驗加大了實驗教學的深度，加深了學生對實驗內(nèi)容的了解，使所得的實驗數(shù)據(jù)更加精準，進行的數(shù)據(jù)分析更加直觀。仿真軟件的準確度高，人機交流界面簡明，直觀效果好。對于高危險性、操作困難或者成本消耗較大的實驗教學，虛擬仿真實驗可以有效降低儀器設備的成本，解除了安全限制。

漢江師范學院在倡導的電工虛擬仿真實驗課程實踐教學模式下，不斷進步，逐步提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。電氣工程及其自動化專業(yè)2018屆畢業(yè)生93人，參加省級以上學科競賽獲獎比例達到40%以上。學生競賽的獲獎者人數(shù)達到了45人。學生在挑戰(zhàn)杯、數(shù)學建模競賽等比賽中獲得國家獎5項，省級獎100多項。研究生入學率為13%，英語四六級合格率為71%。畢業(yè)生將主要從事國家電網(wǎng)和中小型電站的建設、生產(chǎn)、運行、調(diào)度以及中小型企業(yè)電氣設備的運行和維護工作。

目前，僅十堰市就有十堰電網(wǎng)公司、黃龍灘水力發(fā)電廠、京能熱電十堰有限公司、漢江集團水利水電有限責任公司等電力企業(yè)以及十堰榮華東風汽車專營有限公司和東風商用車有限公司等知名汽車企業(yè)，對電力運維、汽車電氣設計和設備維護等崗位存在應用型專業(yè)人才需求缺口較大的問題。實習單位包括：武漢華大電力自動技術有限責任公司工程技術部，上海電氣集團（張家港）變壓器有限公司設計部，江蘇沙鋼集團有限公司工廠供配電電氣相關崗位，江蘇愛康科技股份有限公司工程技術部，諾博汽車系統(tǒng)有限公司工程技術部，信義光伏（蘇州）有限公司設備技術、品質(zhì)檢測、生產(chǎn)管理，浙江求是科教設備有限公司技術保障、銷售、研發(fā)。漢江師范學院電氣工程專業(yè)學生社會責任感強，崗位實踐和創(chuàng)新能力突出，受到了用人單位好評。

3.2.2改進方向首先，通過建設實驗教學平臺構(gòu)建虛擬仿真實驗室，開發(fā)和合理利用有關虛擬仿真實驗的教學資源。其次，虛擬仿真實驗室需要得到進一步的融合、推廣和應用。（1）開發(fā)云平臺教學資源?；陔姎夤こ虒I(yè)知識理論，使用虛擬仿真軟件，突現(xiàn)實驗不受場地時間限制和多樣化擴展的目標。（2）開發(fā)硬件教學資源。以網(wǎng)絡化控制器為中間橋梁，將實驗平臺連接到實驗服務器，實現(xiàn)云連接，學生使用網(wǎng)絡就可以達到軟件和硬件相結(jié)合的實驗效果。（3）運用虛實結(jié)合，對教學體系進行優(yōu)化。充分利用更加有利于學生發(fā)展的教學資源，體現(xiàn)“以人為本”的教學思想，采用“虛實結(jié)合”的模式，以此提升學生的創(chuàng)新思維和實驗操作能力。最后，要結(jié)合學院實際情況整合教學資源，提供適應學生的課堂教學，不僅可以降低成本和風險，還可以使教學內(nèi)容與教學形式多樣化，完善傳統(tǒng)課堂實驗中不具備或難以完成的教學功能。

4結(jié)語目前，加大對實驗室的資金投入，購買虛擬仿真軟件，適當增加實驗基礎課課時，同時優(yōu)化實驗室負責人員的知識儲備，在面對實驗室發(fā)生相關問題與事故的時候可以快速合理地解決，避免不必要的損失。

首先，學校針對虛擬仿真實驗進行基礎性、系統(tǒng)性的授課，加強學生對虛擬仿真實驗的接受能力，保證學校虛擬仿真實驗室的順利建立。其次，完善學校的教學實驗管理平臺，公開共享虛擬仿真教學資源。最后，要讓學校教學實驗管理平臺面向未來，打造一個現(xiàn)代化、先進化、創(chuàng)新化的教育平臺。此外，建設虛擬仿真實驗室有如下好處：

（1）虛擬仿真的應用能縮短實驗周期，增強實驗數(shù)據(jù)的準確性，多變的實驗內(nèi)容可以促進學生思考，避免套用抄襲，提高學生的自主創(chuàng)新能力。

（2）虛擬仿真軟件的應用能提高教學效率。利用虛擬仿真實驗室進行實驗的周期短，教師可以加大對學生實驗過程的考核，便于老師了解學生實驗操作的實際情況。

（3）虛擬仿真實驗能提高實驗的安全系數(shù)，對于一些實驗危險系數(shù)較高的實驗學生可以自己動手嘗試，拓寬了學生的知識面。

（4）仿真實驗可以加深學生對實驗原理的理解，這樣既提高了學生的動手操作能力，又為學生以后使用該類軟件打下基礎，使學生以后能更好地應用于社會實踐。

參考文獻

［1］蘇勛文，王篤亭，朱顯輝.基于虛擬仿真實驗系統(tǒng)的電氣工程專業(yè)教學改革與實踐［J］.江蘇理工學院學報，2016（4）：90-93.

［2］吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規(guī)劃思路與進展［J］.實驗技術與管理，2014（10）：5-9.

［3］敖章洪，李建英，楊民生.MATLAB/SIMULINK在《電氣工程基礎》教學中的應用［J］.電腦與電信，2018（7）：21-23.

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［6］王立國，劉麗，郭犇.以康奈爾大學ECE4950課程為參考的人工智能課程體系建設［J］.實驗科學與技術，2021（4）：38-43.

（編輯 王雪芬）

Research and practice on virtual simulation course construction of electrical engineeringFang? Yangyang Zhang? Li

（1.School of Physics and Electronic Engineering，Hanjiang Normal University， Shiyan 442000， China;

2.Center for Research on the Preparation and Properties of New Functional Materials，

Hanjiang Normal University， Shiyan 442000，China）Abstract： In view of the current situation of traditional electrical engineering experiment， such as limited resources， space and funds， and insufficient information， taking the construction of virtual simulation experiment of electrical engineering in Hanjiang Normal University as an example， the construction scheme of virtual simulation experiment course is given by investigating the current situation of school running and internship employment of electrical engineering major in normal universities. The practice shows that by building a virtual simulation experiment system that matches the employment development of this major， it can effectively make up for the shortcomings of the traditional electrical engineering experiment platform， improve the quality of engineering related personnel in electrical engineering in normal colleges， and better serve the region and society.

Key words： electrical engineering; virtual simulation; normal colleges; experimental construction