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(shù)構(gòu)建實踐教學(xué)體系和實驗室建設(shè)方面的經(jīng)驗和實踐，構(gòu)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(xué)資源和教學(xué)體系，介紹中原工學(xué)院虛擬實驗室建設(shè)的成果及其技術(shù)，為同類院校、相同或者相近專業(yè)在構(gòu)建虛擬實踐教學(xué)體系和實驗室建設(shè)等方面提供借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真;實踐教學(xué)體系;實驗室;電氣工程;MATLAB/Simlink

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(rèn)證背景下，隨著實踐教學(xué)內(nèi)容和手段的改革和發(fā)展，高等學(xué)校實踐教學(xué)所占比例不斷提高，高校實踐教學(xué)體系和實驗室建設(shè)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(shè)，不但需要投入大量資金，而且由于其專業(yè)性強(qiáng)，往往在實驗設(shè)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(xué)的要求。虛擬仿真實驗教學(xué)可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實踐教學(xué)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(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、電氣設(shè)備種類繁多、價格昂貴等特點[1]，故在高校實驗室建設(shè)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(yùn)用虛擬仿真技術(shù)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(xué)和實驗室建設(shè)的重要手段和發(fā)展方向。

中原工學(xué)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(rèn)證試點專業(yè)。隨著相關(guān)教學(xué)改革工作的推進(jìn)，電氣工程及其自動化專業(yè)逐步提升的綜合辦學(xué)水平與現(xiàn)有的實踐教學(xué)資源及體系之間的矛盾日益凸顯。因此，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行電氣工程及其自動化專業(yè)實驗室建設(shè)并開展相關(guān)實踐教學(xué)改革與探索，進(jìn)而優(yōu)化專業(yè)實踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，建立面向從基礎(chǔ)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(xué)資源，研究“基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新”三位一體的實踐教學(xué)體系和模式，成為中原工學(xué)院在工程認(rèn)證背景下實現(xiàn)“實踐教學(xué)達(dá)標(biāo)”的關(guān)鍵抓手。

本文結(jié)合中原工學(xué)院在電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)體系和虛擬仿真實驗室建設(shè)方面的經(jīng)驗，介紹虛擬仿真實踐教學(xué)體系構(gòu)建和實驗室建設(shè)的成果，希望能夠為同類院校、相同或者相近專業(yè)在構(gòu)建虛擬實踐教學(xué)體系和實驗室建設(shè)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(xué)體系研究

國內(nèi)電氣工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)存在的問題? 目前，國內(nèi)各大電力強(qiáng)校已經(jīng)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(shù)，具備風(fēng)、光等多源分布式發(fā)電的管理、設(shè)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(shè)見證了國內(nèi)電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的起步及發(fā)展，但是也暴露出目前虛擬仿真實驗室建設(shè)方面存在的一些問題。

1）各大電力強(qiáng)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(shè)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(xué)內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)設(shè)計比較多，但對虛擬仿真實驗教學(xué)體系內(nèi)容、模式的研究并不多，相關(guān)教學(xué)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(xué)體系? 根據(jù)工程教育認(rèn)證工作的具體要求，結(jié)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(dāng)加強(qiáng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高課程教學(xué)中綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗課程的比例，完善和補(bǔ)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(xué)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(gòu)建專業(yè)方向培養(yǎng)目標(biāo)模塊化實踐教學(xué)體系，并以提升學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，按照行業(yè)特點、認(rèn)知規(guī)律和專業(yè)方向進(jìn)行實踐課程內(nèi)容的整合和優(yōu)化。重點建設(shè)電路、電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、自動控制原理、電力電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程實踐體系，建設(shè)以電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程相關(guān)聯(lián)的專業(yè)課程實踐體系。

中原工學(xué)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(shè)課程實驗體系，電氣控制與智能電網(wǎng)方向建設(shè)的專業(yè)核心課程為電氣工程基礎(chǔ)、電機(jī)控制、智能電網(wǎng)技術(shù)、DSP技術(shù)、電能轉(zhuǎn)化與控制，重點建設(shè)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(shè)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(hù)、發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)、高電壓工程等，重點建設(shè)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(gòu)建實踐教學(xué)體系時，結(jié)合電氣工程及其自動化專業(yè)核心課程建設(shè)，根據(jù)教學(xué)要求和實際條件建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，構(gòu)建由課內(nèi)外虛擬仿真實驗、校內(nèi)外科技活動、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)組成的多維度、模塊化虛擬仿真實驗教學(xué)資源。虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)分為基礎(chǔ)仿真實驗項目、綜合型仿真實驗項目、設(shè)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(xué)開始先接觸虛擬仿真基礎(chǔ)層次，重點認(rèn)識和學(xué)習(xí)以MATLAB/Simlink為平臺搭建的簡單電路實驗?zāi)Ｐ蚚2]，

以期完成電路和電子技術(shù)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(xùn)練，利用MATLAB/Simlink為平臺搭建復(fù)雜電路模型，能夠完成電路、電子技術(shù)中綜合實驗項目的實驗，利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建發(fā)電廠生產(chǎn)工藝流程，達(dá)到和完成培養(yǎng)計劃中的專業(yè)認(rèn)識實習(xí)課程目標(biāo)。

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(jī)仿真技術(shù)設(shè)計和研究基于電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、自動控制原理課程的復(fù)雜實驗過程，構(gòu)建集電能轉(zhuǎn)換和控制、電磁機(jī)電原理和復(fù)雜控制系統(tǒng)于一體的設(shè)計型實驗項目。

大三至大四學(xué)年，利用大學(xué)生電子設(shè)計大賽和創(chuàng)新訓(xùn)練、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)等環(huán)節(jié)，構(gòu)建基于“課內(nèi)+課外”一體的研究性創(chuàng)新虛擬仿真實踐教學(xué)，利用實物、半實物、計算機(jī)軟件構(gòu)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(xué)內(nèi)容，構(gòu)建多維度、模塊化、前后銜接、整體提高的實踐教學(xué)體系，從而提升學(xué)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(shè)實踐

在電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中，依托計算機(jī)軟件仿真技術(shù)、實物仿真和半實物仿真實驗相結(jié)合的虛擬仿真實驗平臺建設(shè)思路，以“能實不虛、虛實結(jié)合”為虛擬仿真實驗平臺建設(shè)方針，以實踐課程教學(xué)內(nèi)容整合、優(yōu)化以及教學(xué)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(shè)相應(yīng)的虛擬仿真實驗室。

目前，中原工學(xué)院在電氣信息基礎(chǔ)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(chǔ)上，建成了基于MATLAB/Simlink為平臺的電路[2]、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)分析、電能轉(zhuǎn)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(hù)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(shè)備構(gòu)成及操作。

目前，中原工學(xué)院已建成虛擬仿真實驗室八個，能夠開展從專業(yè)基礎(chǔ)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(shè)，已經(jīng)基本能夠滿足電氣工程及其自動化專業(yè)實踐教學(xué)體系的課程實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、實踐創(chuàng)新、科學(xué)研究等方面的需求[3]。

4 結(jié)語

中原工學(xué)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(shè)，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)對高危險性、高成本、高消耗實驗項目和實踐教學(xué)活動的適應(yīng)性，解決一般本科高校在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)面臨的資金壓力大、場地有限及安全防護(hù)專業(yè)性強(qiáng)等問題，有效地豐富面向電氣工程專業(yè)生產(chǎn)全過程的實踐教學(xué)內(nèi)容，完善了電氣工程及其自動化專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)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(xué)體系。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)改革探析[J].當(dāng)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(xué)改革與實踐[J].中國教育技術(shù)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(xué)的改革與實踐[J].學(xué)園，2013（22）：78-79.