朱瑞金 崔崇雨 唐波 西藏農(nóng)牧學(xué)院電氣工程學(xué)院

謝華北 西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院

隨著以市場需求為導(dǎo)向的“四新”經(jīng)濟推動新工科和工程教育的轉(zhuǎn)型升級和新舊動能轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的電氣實驗室和實驗儀器數(shù)量很難滿足新工科下實驗教學(xué)的需求及學(xué)生綜合性工程實踐能力的培養(yǎng)需要，現(xiàn)有實驗教學(xué)內(nèi)容和方法等方面也存在諸多不足，越來越不能夠支撐現(xiàn)有的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式。［1］而電氣類專業(yè)作為新工科中極其重要的一門，將在促進能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)的國家戰(zhàn)略中發(fā)揮舉足輕重的作用。［2］

為此，本文在構(gòu)建虛擬實驗平臺的基礎(chǔ)上，對虛擬仿真與創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)新模式（以下稱為新模式）融合進行研究，針對新工科對復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用技能型人才培養(yǎng)的需求，以實踐為突破，依托虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合，建設(shè)層次化，螺旋遞進的實驗實踐體系，從而構(gòu)建虛擬仿真實驗支撐的電氣類人才培養(yǎng)新模式。［3］

一、傳統(tǒng)電氣課程教學(xué)亟待解決的突出問題

現(xiàn)有的綜合性的電力系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴（幾百萬上下），西藏受到交通等條件限制，還存在前期投入大、后期維護和更新升級人員來往費用高的問題，而且占地面積較大，作為地方農(nóng)業(yè)院校，電氣類專業(yè)實踐場地和投入受到了發(fā)展規(guī)劃、人力、物力、財力等方面的限制；傳統(tǒng)的電氣實驗包括大量高壓電氣設(shè)備，實驗操作流程復(fù)雜，且涉及高壓，存在一定的安全隱患，若操作不當(dāng)則容易引起設(shè)備損壞，還可能對操作人員安全造成傷害；為了保證設(shè)備和人員的安全，傳統(tǒng)電類實驗平臺的所有設(shè)備通常都是封裝好的，因此實驗接線都是相對固定的，不能隨意改接；傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式、方法單一、教學(xué)手段較為落后，僅重視實驗操作技能的熟練程度，而忽略了理論知識與解決方案、理論與實踐創(chuàng)新，實驗實踐與系統(tǒng)設(shè)計之間的聯(lián)系，忽略了學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，難以體現(xiàn)“新工科”教育改革理念，導(dǎo)致學(xué)生實驗體驗差，系統(tǒng)綜合設(shè)計、分析能力得不到鍛煉，實驗教學(xué)效果欠佳。

二、課程教改思路與舉措

作者主要圍繞著創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式需求，以實踐為突破，提高培養(yǎng)質(zhì)量，以虛擬替代真實實驗，從而解決學(xué)生實踐缺失和滯后問題，以“綜合+模塊化”虛擬建設(shè)體系，解決虛擬實驗中學(xué)生基礎(chǔ)差問題，以“多渠道+深入化”教學(xué)模式解決虛擬線上師生互動和實驗深入教學(xué)問題進行建設(shè)研究，從而構(gòu)建應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新模式（見圖1）。

圖1 課程教改總體思路

（一）新模式下人才培養(yǎng)目標(biāo)及需求背景下虛擬仿真嵌入內(nèi)容挖掘

對現(xiàn)有真實驗證性實驗虛擬替代開發(fā)研究，對電氣類現(xiàn)有真實實驗進行梳理，并針對現(xiàn)有的真實實驗項目進行虛擬替代，優(yōu)化開發(fā)。并形成優(yōu)質(zhì)的線上+線下融合的虛擬驗證性實驗資源。從而打破驗證性實驗受到設(shè)備和條件的限制，更充分地給學(xué)生提供基礎(chǔ)知識實踐練習(xí)途徑，為虛擬實驗線上教學(xué)資源提供建設(shè)實例（見圖2）。

圖2 微視頻內(nèi)容

（二）以虛擬仿真深度實踐為突破，促進應(yīng)用型電氣類人才培養(yǎng)

打破傳統(tǒng)機械式實驗流程教學(xué)限制，設(shè)計模塊化的仿真模型，使學(xué)生能按照自己的理解和掌握程度不斷地嘗試和調(diào)整實驗?zāi)Ｐ?。在驗證性虛擬仿真實驗的基礎(chǔ)上，建設(shè)多學(xué)科知識點系統(tǒng)實驗項目，對一些具有破壞性、危險性、不可逆性及系統(tǒng)性的實驗進行仿真（如變壓器無負載接地，輸電線路故障保護仿真，見圖3）進行建設(shè)，滿足學(xué)生對實踐創(chuàng)新的需求，從而支撐應(yīng)用創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式建設(shè)。

圖3 仿真實驗

（三）以綜合工程類虛擬仿真項目為手段，促進創(chuàng)新型電氣類人才培養(yǎng)

針對某個科目建設(shè)基礎(chǔ)驗證性—綜合分析性—實踐創(chuàng)新性虛擬仿真系列實驗教學(xué)體系（如圖4）；依托虛擬仿真實驗技術(shù)構(gòu)建工程級別的虛擬仿真實驗項目，比如拉薩35KV光伏并網(wǎng)檢測調(diào)控系統(tǒng)等，使學(xué)生能夠以員工的身份情景式地參與實驗項目中系統(tǒng)檢測、調(diào)度等工作仿真，并通過虛擬實驗技術(shù)完成對項目的改進和重建，從而極大程度地提高實驗參與度，提高實踐動手能力。

圖4 電力電子虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建

（四）對虛擬仿真項目教學(xué)實踐過程控制、評價機制進行研究

構(gòu)建情景參與、探索式及案例式多種教學(xué)模式。①情景參與法：模擬電力系統(tǒng)場景。實驗系統(tǒng)基于真實的系統(tǒng)場景，實驗中所涉及的發(fā)電及控制系統(tǒng)、發(fā)電機模型及其控制系統(tǒng)、無功補償裝置、輸電設(shè)備等都與真實的電力系統(tǒng)一致，學(xué)生置身虛擬場景中，卻仿佛身臨其境，實現(xiàn)情景式的教與學(xué)。實驗過程中，學(xué)生實際可作為系統(tǒng)運行操作和研發(fā)者，直接參與到電力系統(tǒng)運行與監(jiān)控的工作中，觀察和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中與實驗相關(guān)的設(shè)備運行狀態(tài)，并進行控制，通過操作與觀察繼保和故障實驗現(xiàn)象，理解電力系統(tǒng)工作原理；師生互動環(huán)節(jié)使學(xué)生在實驗過程中遇到問題時可及時得到幫助，大幅提高了師生的參與度，提升了教學(xué)效果。②探索式教學(xué)：在實驗過程中，學(xué)生可充分利用實驗系統(tǒng)選取不同系統(tǒng)參數(shù)、不同設(shè)備的故障及保護操作、不同控制方式，對系統(tǒng)不同控制方案進行探究，從而深刻理解電力系統(tǒng)運行和控制操作的工作原理，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。③通過教學(xué)案例數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)提供不同的典型案例數(shù)據(jù)，學(xué)生選擇不同案例，修改案例參數(shù)，以滿足實驗要求，并進行實驗測試，觀察和分析實驗現(xiàn)象，理解繼電保護裝置的動作。通過上述方法相融合，實現(xiàn)教學(xué)的高質(zhì)量進行。

三、新模式下課程教改成效

2020—2021 年，由于疫情原因，我校部分學(xué)生開始試用線上教學(xué)，為了提高在線學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量，筆者以繼電保護和電機學(xué)部分真實實驗為基礎(chǔ)，開展了視頻公眾號+MATLAB虛擬實驗?zāi)Ｊ降木€上混合實驗教學(xué)，學(xué)生通過微信公眾號進行虛擬仿真實驗視頻學(xué)習(xí)，進行課前預(yù)習(xí)；師生上課以騰訊會議為依托，以MATLAB 軟件為工具，對繼電保護進行建模仿真，老師通過視頻進行實時指導(dǎo)；課程最后學(xué)生提交電子版實驗報告。2020—2021年共有70多名學(xué)生提交了電子版實驗報告，從線上教學(xué)效果看，大部分學(xué)生都能夠通過預(yù)習(xí)，上課過程中就完成了虛擬實驗的建模仿真，并完成了數(shù)據(jù)分析，極個別的同學(xué)也能夠在老師的指導(dǎo)下完成建模。該實例反映了仿真虛擬課程的正確性、先進性和優(yōu)越性，值得其他高校借鑒學(xué)習(xí)。

四、思考與展望

實踐表明，虛擬仿真實驗課程的構(gòu)建思路具有良好的推廣性和示范性，對電氣類高校虛擬仿真實驗課程建設(shè)具有借鑒意義。但虛擬仿真實驗只能模擬真實的實驗環(huán)境和操作過程，并不能完全替代實驗的真實性和感性認識。同時，虛擬仿真實驗的結(jié)果和數(shù)據(jù)往往只能局限于模擬程序中的數(shù)據(jù)和結(jié)果，與真實實驗存在一定的差異。因此，虛擬仿真實驗可以作為實驗教學(xué)之外的補充，通過合理的教學(xué)設(shè)計，提高二者的互補性，實現(xiàn)實驗教學(xué)與虛擬仿真的有機結(jié)合。隨著21 世紀(jì)各方面的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也隨之日新月異，現(xiàn)代電力作為科學(xué)技術(shù)重要的一環(huán)，也更加智能化，規(guī)?；?。在這種形勢下，電力仿真技術(shù)在國家大力扶持下將迎來飛速發(fā)展，越來越多的高校也將仿真技術(shù)引入教學(xué)體系。［3］