能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐

費(fèi)景洲, 曹貽鵬, 路　勇, 曹云鵬, 袁志國(guó)

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院, 黑龍江省 哈爾濱市　150001)

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能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐

費(fèi)景洲, 曹貽鵬, 路勇, 曹云鵬, 袁志國(guó)

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院, 黑龍江省 哈爾濱市150001)

分析能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的主要問(wèn)題,指出專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)缺乏是制約能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì),結(jié)合國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè),開(kāi)展基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的創(chuàng)新與實(shí)踐。按照“頂層設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合、開(kāi)放創(chuàng)新”的教學(xué)理念,從提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的角度重新進(jìn)行本科生培養(yǎng)方案的頂層設(shè)計(jì),構(gòu)建能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系；分析各個(gè)專(zhuān)業(yè)方向現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,從“虛實(shí)結(jié)合”的角度有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源；建立開(kāi)放的船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),探索開(kāi)放自主式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,通過(guò)開(kāi)放創(chuàng)新培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)； 創(chuàng)新型人才培養(yǎng)； 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心； 頂層設(shè)計(jì)； 虛實(shí)結(jié)合； 開(kāi)放創(chuàng)新

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的新型人才是目前高等教育面臨的重要挑戰(zhàn)。在新的社會(huì)需求的驅(qū)動(dòng)下,注重基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)傳授的傳統(tǒng)教育模式正在向提高工程實(shí)踐能力的新型教育模式轉(zhuǎn)變。為提升學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力,教育部在高校開(kāi)展了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”,其主要目的就是要強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,更好地滿(mǎn)足企業(yè)和社會(huì)對(duì)新型人才的需求。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高等院校工程實(shí)踐教育的主要環(huán)節(jié)和手段,在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系中的作用日益突出[1-2]。

能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多而專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少是一個(gè)普遍問(wèn)題。國(guó)內(nèi)各高校開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多圍繞工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、燃燒學(xué)、測(cè)試與自動(dòng)控制等基礎(chǔ)課程設(shè)置,實(shí)驗(yàn)的主要目的是幫助學(xué)生理解和消化吸收基礎(chǔ)理論知識(shí)。在更能提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)安全的制約,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則嚴(yán)重缺乏。具體說(shuō),能源動(dòng)力方面的專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,通常需要體積龐大、造價(jià)高昂的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還常涉及高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等高風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)容。受設(shè)備購(gòu)置、實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)、運(yùn)行安全等因素制約,能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)難以全面廣泛地開(kāi)展大型專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生缺少必要的訓(xùn)練,無(wú)法對(duì)能源系統(tǒng)、大型動(dòng)力裝置形成系統(tǒng)的、全面的認(rèn)識(shí)。專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練缺乏已經(jīng)成為影響能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要因素。

哈爾濱工程大學(xué)是我國(guó)“三海一核”(船舶工業(yè)、海軍裝備、海洋工程、核能應(yīng)用)領(lǐng)域重要的人才培養(yǎng)和科學(xué)研究基地。動(dòng)力與能源工程學(xué)院已經(jīng)成為我國(guó)船舶動(dòng)力人才培養(yǎng)的主要基地。學(xué)院的辦學(xué)特色是為船舶內(nèi)燃機(jī)、船舶燃?xì)廨啓C(jī)、船舶蒸汽動(dòng)力、輪機(jī)工程等多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向培養(yǎng)專(zhuān)門(mén)人才。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練缺乏的問(wèn)題十分突出。為解決制約能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題,基于“頂層設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合、開(kāi)放創(chuàng)新”的教學(xué)理念,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系,利用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)船舶動(dòng)力專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)深度融合。為進(jìn)一步突出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的地位和作用,學(xué)院成立船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,并于2014年成功獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

1　實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能滿(mǎn)足實(shí)際教育需求,不利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng),已經(jīng)成為制約能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要因素。根據(jù)我們對(duì)國(guó)內(nèi)能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)研情況來(lái)看,目前存在的主要問(wèn)題是專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏,可以概括為“三多三少一缺乏”,具體說(shuō)明如下:

(1) 基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多,專(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少。國(guó)內(nèi)高校開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多圍繞工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、燃燒學(xué)、測(cè)試與自動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程設(shè)置。從調(diào)研的情況看,基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占整個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的60%～80%。專(zhuān)業(yè)課的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,比如鍋爐原理與結(jié)構(gòu)、燃?xì)廨啓C(jī)原理與結(jié)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)原理與結(jié)構(gòu)等專(zhuān)業(yè)課方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則較少。從實(shí)驗(yàn)資源利用和學(xué)生受益面的角度看,基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常面向全校相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)放,每年的實(shí)驗(yàn)人時(shí)數(shù)較多。專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)可以用最少的實(shí)驗(yàn)投入,獲得最大的實(shí)驗(yàn)收益。專(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則相反，如前面所述,專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往涉及到大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)驗(yàn)投入和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行費(fèi)用較高,還要面臨實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。同時(shí)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)每年的人時(shí)數(shù)要遠(yuǎn)低于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率也較低。由于實(shí)驗(yàn)投入高、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大、設(shè)備利用率低、學(xué)生受益面小等諸多原因,國(guó)內(nèi)許多高校不愿意或者無(wú)能力設(shè)置更多的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(2) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多,綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少。缺少綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,或者實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性不強(qiáng),也是能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的普遍問(wèn)題。以能源動(dòng)力類(lèi)的主干課程熱工實(shí)驗(yàn)課程(包括工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)、傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn))為例,一般院校會(huì)設(shè)置10個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其中大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是關(guān)于工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)觀(guān)測(cè)、熱物性分析等基礎(chǔ)知識(shí)方面的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺少動(dòng)力裝置聯(lián)合循環(huán)、熱機(jī)綜合能耗分析、多工質(zhì)傳熱特性分析等系統(tǒng)性較強(qiáng)的綜合類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。現(xiàn)有的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,也多存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及理論知識(shí)點(diǎn)少或者綜合知識(shí)運(yùn)用考查程度不夠等問(wèn)題。究其原因,主要是能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)屬于傳統(tǒng)機(jī)械專(zhuān)業(yè),基礎(chǔ)知識(shí)過(guò)于“經(jīng)典”和“陳舊”(新能源領(lǐng)域情況會(huì)好些)。許多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多從70—80年代沿用至今,實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化陳舊現(xiàn)象嚴(yán)重。受實(shí)驗(yàn)條件的限制,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更新較慢。實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備老舊,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)落后,無(wú)法體現(xiàn)本領(lǐng)域當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展情況,難以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。我們調(diào)研時(shí)了解到,許多院校都認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題,也愿意將科研成果轉(zhuǎn)化為新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。但實(shí)驗(yàn)臺(tái)架建設(shè)費(fèi)用高,運(yùn)行維護(hù)的投入也很大,限制了綜合類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的發(fā)展。

(3) 專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生看的多,做的少。在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,如熱工實(shí)驗(yàn)、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試技術(shù)及自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn),大多數(shù)高校基本都能實(shí)現(xiàn)2～4人的小組實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的參與度還是很高的。但在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),受實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)量和運(yùn)行費(fèi)用的限制,很難開(kāi)展大批次的小組實(shí)驗(yàn)。以熱能動(dòng)力方向的蒸汽動(dòng)力裝置課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,一個(gè)蒸汽動(dòng)力實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)包括燃油鍋爐、汽輪機(jī)組、發(fā)電機(jī)組和輔機(jī)系統(tǒng)。設(shè)備運(yùn)行一天實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)達(dá)數(shù)千元,實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作也相當(dāng)繁重。復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和高昂的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,限制了小組實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,常常是教師演示,學(xué)生觀(guān)看,或者是一次實(shí)驗(yàn)全班學(xué)生都參加,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)很少。

(4) 部分實(shí)驗(yàn)因操作風(fēng)險(xiǎn)大被取消,系統(tǒng)性訓(xùn)練缺乏。實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)大也是能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不利因素，如鍋爐實(shí)驗(yàn)中的高溫高壓蒸汽、渦輪實(shí)驗(yàn)中每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中使用的天然氣等易燃易爆氣體等,這些都是風(fēng)險(xiǎn)性很大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中要涉及諸如壓力容器、吊車(chē)、儲(chǔ)油罐等特種設(shè)備,也帶來(lái)諸多安全管理問(wèn)題。為降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),很多高校都在本科教學(xué)中取消了相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,其后果是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程體系不完整,學(xué)生無(wú)法得到系統(tǒng)全面的專(zhuān)業(yè)綜合訓(xùn)練。

專(zhuān)業(yè)綜合類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少,學(xué)生缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,是高校能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié),不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2　建立船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

針對(duì)上述問(wèn)題,我們建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,開(kāi)展創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐。按照“頂層設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合、開(kāi)放創(chuàng)新”的教學(xué)理念,修訂能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)大綱,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系；開(kāi)發(fā)船舶動(dòng)力專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深度融合；建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,開(kāi)展開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)手段,解決制約能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境,操作者在高仿真度的虛擬環(huán)境下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作,獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境下相同或者接近的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虿糠只蛘呷看嬲鎸?shí)實(shí)驗(yàn)操作。

信息技術(shù)的快速發(fā)展為教育教學(xué)發(fā)展提供了新的手段,教育部在《教育信息十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》中明確提出“推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合”,要求各個(gè)高校應(yīng)當(dāng)“打造貼近實(shí)際的模擬、虛擬、仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境”。其對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的功能定位是:實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高危或者極端環(huán)境、不可及或不可逆操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況下,提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]。

在綜合分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,參考其他學(xué)科在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面取得的一些教學(xué)改革成果[4-6],探索能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,解決能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的一些難題。基于此,我們將部分科研成果轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),積極進(jìn)行改革和探索,取得了一些研究成果[7-12]。我學(xué)院在2013年初整合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源,成立船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,7月獲評(píng)為校級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,2014年獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中,圍繞提高能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量這個(gè)中心,以破解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題為導(dǎo)向,按照“頂層設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合、開(kāi)放創(chuàng)新”的理念,進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的探索與實(shí)踐。

2.2頂層設(shè)計(jì)

頂層設(shè)計(jì)目的是為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)定位,解決虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位問(wèn)題。我們的做法是將虛擬實(shí)驗(yàn)定位為專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如圖1所示,高于現(xiàn)有的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,修訂能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)大綱,規(guī)定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和學(xué)分,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完全納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系。

圖1　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的定位

俗話(huà)說(shuō)“名不正則言不順”,頂層設(shè)計(jì)就給了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一個(gè)很高的名分。有了這個(gè)名分,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以名正言順標(biāo)明自己的身份:不是課程PPT,不是動(dòng)畫(huà)視頻,不是課外實(shí)驗(yàn),不是科技創(chuàng)新項(xiàng)目,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中的高級(jí)實(shí)驗(yàn)。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)定位于專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),就是要借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)解決上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些難題。

結(jié)合我院能源動(dòng)力與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的4個(gè)專(zhuān)業(yè)方向(柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽動(dòng)力和輪機(jī)工程),我們建立了船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),包括4個(gè)子平臺(tái),對(duì)應(yīng)這4個(gè)專(zhuān)業(yè)方向。平臺(tái)示意圖如圖2所示。

圖2　船舶動(dòng)力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)示意圖

2.3虛實(shí)結(jié)合

虛實(shí)結(jié)合是為了實(shí)現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)高度融合。虛實(shí)結(jié)合包括2個(gè)方面的內(nèi)容:實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置和虛擬仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置上,虛擬仿真項(xiàng)目和實(shí)物實(shí)驗(yàn)是相互結(jié)合的。如圖1所示,演示驗(yàn)證性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是真實(shí)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)學(xué)生獲得實(shí)物設(shè)備的實(shí)際操作感受,鍛煉學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置上,盡量“能實(shí)不虛”。

在虛擬仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)上,采用虛實(shí)結(jié)合的半物理仿真平臺(tái)。以燃?xì)廨啓C(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)為例,平臺(tái)示意圖如圖3所示,包括仿真機(jī)和物理實(shí)體2部分:燃?xì)廨啓C(jī)裝置做成仿真機(jī),推進(jìn)系統(tǒng)用物理實(shí)體。這樣好處是在發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)的同時(shí),讓學(xué)生獲得接近實(shí)際系統(tǒng)的操作感受。在虛擬仿真平臺(tái)組成上,也盡量“能實(shí)不虛”。

圖3　燃?xì)廨啓C(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)示意圖

2.4開(kāi)放創(chuàng)新

開(kāi)放創(chuàng)新是指基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)展開(kāi)

放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究,強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力,解決目前制約能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的難題,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

開(kāi)放是指虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)所具有的良好的開(kāi)放拓展特性；創(chuàng)新是在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)放特性基礎(chǔ)上所開(kāi)展的開(kāi)放自主式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

2.4.1開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

船舶動(dòng)力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在內(nèi)容和形式上都是開(kāi)放的,這是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最顯著的優(yōu)勢(shì)。

平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容是開(kāi)放的,教師可根據(jù)教學(xué)需要,在現(xiàn)有平臺(tái)上不斷開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。平臺(tái)的虛擬部分,通過(guò)修改軟件、編寫(xiě)代碼就可以創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；平臺(tái)的硬件系統(tǒng)也有通用的接口模塊,具有良好的可拓展性。開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能時(shí),不需要對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造,非常方便快捷。

形式上的開(kāi)放是指虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間的制約,能夠?qū)崿F(xiàn)全面開(kāi)放。時(shí)間上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心全天對(duì)外開(kāi)放,學(xué)生可以靈活地預(yù)約選擇實(shí)驗(yàn)上課時(shí)間。這一點(diǎn)傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)也能夠做得很好,但在空間開(kāi)放上,虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)就明顯了。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很方便地和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來(lái),形成網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用這個(gè)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以不受時(shí)間和空間限制,隨時(shí)進(jìn)行有關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)操作。部分網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如圖4所示。

圖4　船舶動(dòng)力技術(shù)網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.4.2開(kāi)放自主式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

目前能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中多沿襲傳統(tǒng)的教學(xué)模式,教師課上演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生模仿操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一,學(xué)生不用深入思考,按照規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)操作,整理數(shù)據(jù),形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)教學(xué)過(guò)程按部就班,全班學(xué)生整齊劃一,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺少設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性。這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的弊端很多,不利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

開(kāi)放自主式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是近年來(lái)興起的新型教學(xué)模式,在消除傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程弊端、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面取得了很好的效果。國(guó)內(nèi)許多高校在電子、計(jì)算機(jī)、生物等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)開(kāi)始推廣開(kāi)放式教學(xué)、自主式教學(xué)等新型教學(xué)方法[13-14]。

如前所述,能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè),受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)安全、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等因素制約,難以全面推廣和深化開(kāi)放式教學(xué)、自主式教學(xué)等新型教學(xué)方法。目前僅有四川大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院等少數(shù)院校開(kāi)展了電機(jī)遠(yuǎn)程控制等網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,還沒(méi)有院校在能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)全面深入地推廣開(kāi)放式、自主式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

利用虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),基于船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心,我們?cè)陂_(kāi)放自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式方面做了積極探索,在能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)上初步實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放和學(xué)生獨(dú)立自主實(shí)驗(yàn)。

3　創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的初步成效

針對(duì)能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問(wèn)題, 按照“頂層設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合、開(kāi)放創(chuàng)新”的思路,建立船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,進(jìn)行能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的創(chuàng)新與實(shí)踐,取得了一系列成果。

船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),用較少的經(jīng)費(fèi)投入建立了能源動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),涵蓋了內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐和輪機(jī)工程4個(gè)專(zhuān)業(yè)方向。目前設(shè)立20余個(gè)專(zhuān)業(yè)綜合類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,支撐燃?xì)廨啓C(jī)原理與結(jié)構(gòu)、船舶動(dòng)力裝置等8門(mén)專(zhuān)業(yè)主干課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。基本解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中存在的專(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少、綜合類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少的問(wèn)題。

船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有低成本、易維護(hù)、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)。教師可以根據(jù)學(xué)生人數(shù)合理安排實(shí)驗(yàn)分組,進(jìn)行多輪次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置各種邊界條件,反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成各種真實(shí)環(huán)境中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,避免了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的高溫高壓、高轉(zhuǎn)速和易燃易爆等實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)較好地解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)大、學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少的問(wèn)題。

在開(kāi)放自主式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,我們建立了船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站(網(wǎng)址:http://pees.hrbeu.edu.cn)。將部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建成網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),學(xué)生利用校園網(wǎng)隨時(shí)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。建設(shè)實(shí)驗(yàn)教程、實(shí)驗(yàn)視頻、實(shí)驗(yàn)課件等網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,為學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)提供必要的支撐材料；在此基礎(chǔ)上,建立網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成系統(tǒng)和網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)考評(píng)系統(tǒng),為開(kāi)展開(kāi)放式教學(xué)、自主式教學(xué)提供全面的支撐環(huán)境。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)解決了制約能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的一些難題,基于該平臺(tái)開(kāi)展的開(kāi)放自主式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α＝陙?lái)船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心培養(yǎng)的學(xué)生多次參加國(guó)內(nèi)外的重大科技創(chuàng)新賽事,屢獲大獎(jiǎng)。中心近3年來(lái)獲得國(guó)家級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

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Exploration and practice of cultivating innovative talents in majors of energy and power

Fei Jingzhou,Cao Yipeng, Lu Yong,Cao Yunpeng, Yuan Zhiguo

(College of Power & Energy Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China)

Lack of comprehensive experiment is considered to be the key issues among all problems which have restricted the training quality of innovative talents in majors of energy and power. Exploration and practice of cultivation about innovative talents are carried out based on the construction of national virtual simulation teaching center to take advantage of virtual simulation experiment teaching. The teaching philosophy includes “top-level design, virtual-actual combination and real and opening and innovation.” Firstly, the course system of virtual simulation for the major of Energy and Power Engineering is established based on modifying undergraduate training program from improving quality of personnel training, which is called as “top-level design.” Experimental teaching resources of virtual simulation are developed according to the principle of “virtual and real” to supplement the existing experimental teaching. The autonomous open experimental teaching mode is explored to cultivate the innovative ability of students by the rule of “opening and innovation” based on the virtual simulation teaching platform of ship power technology.

energy and power major; cultivation of innovative talents; virtual simulation experimental teaching center; top-level design; virtual and real combination; opening and innovation

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.007

2015- 05- 08

黑龍江省教改項(xiàng)目(G2014010670)；哈爾濱工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目(SYJG20150302)

費(fèi)景洲(1976—),男,黑龍江訥河,博士,實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)與管理.

E-mail:feijingzhou@hrbeu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)1- 0023- 05