虛實結合電氣類實驗實訓教學模式的研究與應用

羅萍 呂霞付

摘要：虛擬仿真實驗具有不受時間、空間的限制，安全、方便，可以對多種實驗場景和工作狀態進行模擬和運行的特點，同時也存在理想化和缺乏真實實驗環境等不足。針對電氣類專業特點，通過以虛擬仿真實驗對現有實驗設備進行有效的補充，并探索新的試驗實訓教學模式，并在實際教學應用中取得了良好的教學效果。

關鍵詞：虛擬仿真；教學模式；虛實結合

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0248-02

一、引言

隨著科技和經濟的發展，國家對堅強電網的大力推進，社會對電氣工程類人才培養提出了新的要求，即如何培養具有扎實的專業技術知識、具有較強的工程能力和創新能力以及對突發情況的應變和處理能力的新時期電氣類人才，也同時對新時期電氣工程類專業實驗實訓教學提出了新的挑戰。

二、電氣類專業實驗特點

由于電氣工程類專業涉及到發、輸、變、配、用等環節，涉及電網體系結構、保護、信息采集、信息處理、電力通信等專業知識，使得電氣類專業實驗室的建設和實驗實訓的開展面臨一系列問題，主要體現如下：（1）由于實驗設備電壓等級高、價格高，同時對于實驗場地也有特殊要求，因此電氣工程類專業實驗室建設成本高；（2）由于成本高、場地大，使得實驗室設備臺套數有限，無法同時滿足大量學生實驗，從安全考慮，老師的授課難度也增大，同時也限制了實驗學生人數；（3）電力系統電壓等級高、電力網復雜、高危險，對于大規模、時變復雜系統的電力系統實驗無法進行。因此形成了電氣類專業實驗的高成本、高危險、高難度的特點，有些實驗受到實驗條件的限制無法開展。

三、虛實結合實驗實訓教學模式的構建

實驗教學是教學活動中的重要環節，對于培養大學生的實踐動手能力、開拓創新能力和提升大學生綜合素質等方面起著舉足輕重的作用[1]。因此有必要利用已有實驗條件，結合學校對電氣工程類專業人才培養的要求及社會對人才的需要，利用先進技術，擴展和充實學生實驗，構建新型實驗教學模式。

1.虛實結合的實驗教學平臺構建。虛擬實驗，是指按照實驗教學的目標要求，建立虛擬的工程實驗環境，運用各種虛擬儀器和設備，對建立起來的實驗模型進行實時仿真，構成新型的實驗教學的方法[2]。虛擬仿真實踐教學利用先進的技術，能夠充實實踐教學的內容，擴大學生的參與度和學習深度，擴大學生的學習空間和時間，對學生能力的培養和創新能力提高提供很好的平臺。根據《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函[2013]94號）文件精神，“虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果”。然而，虛擬仿真實驗通過計算機模擬真實實驗所獲得的已知規律，因此存在理想化和缺乏真實實驗環境等不足。

因此，依托現有的實驗實訓資源，包括繼電保護實驗裝置、電力電子及電力拖動實驗裝置、配電自動化實驗裝置、車間供配電系統，以及在建的包括新能源發電系統運行與控制、智能配電、電力設備在線監測和智能用電及電力系統仿真等幾個環節的智能電網實驗室，結合物聯網、電磁兼容測試、測控技術實驗中心等實驗裝置，綜合利用科研成果，利用實驗中心網站，共享實驗資源，按照“構思-設計-實施-運行”CDIO）工程教育理念，建立了融合“數字仿真+半實物仿真+實物仿真+運行驗證”于一體的，虛實結合、相互補充的電氣工程類虛擬仿真實驗教學平臺，為虛實結合實驗教學的開展奠定堅實的基礎。

2.虛實結合的實驗實訓教學方法。根據電氣工程類專業“強弱電相結合、電氣與信息相融合，要求實踐動手能力強”的特點，將已有實驗教學平臺與虛擬仿真實驗教學平臺相結合，能實不虛，將實際操作與仿真模擬相結合，虛實結合，與電氣工程的學術與行業發展相結合，改革實驗教學體系、教學方法和手段，合理調整、完善和補充實驗內容。

在虛實結合的“兩維度、三層次、多模塊”實驗教學體系下，堅持行業和學術兩個緯度，堅持電路仿真設計及測試為主的基礎層次、以物理模擬和混合仿真為主的拓展層次、以工程運行及驗證為主的創新層次等三個層次，每個層次分設多個實驗實訓的教學模塊，并在教學過程中貫徹以學生自主學習能力為主的教學方法，并借鑒提出問題，開展實驗，觀察現象，收集實驗數據，實驗數據分析處理，探討及研究，分析結論，論證和證明，再練習，再總結的模式[3]，以學生為主體，獨立操作，獨立思考和探索，從而提高學生自學能力、工程能力和創新能力。

如圖1所示，在虛實結合的電氣工程類專業虛擬仿真實驗教學模式的各個層次中，針對課程及專業特點，面向電力行業發展和學生能力提升，以電力生產過程中"發電-輸電-變電-配電-用電"為主線，依托全數字仿真、半實物仿真和實物仿真為一體的虛實結合的電氣工程類專業虛擬仿真實驗平臺，以教學內容整合以及教學方法及手段的改革為主要形式，分階段設置虛擬仿真實驗實訓模塊和傳統實驗、混合仿真實驗。構建側重基礎技能、專業技能和科研、工程能力提升實驗模塊。例如新能源實驗模塊，可以先讓學生自學，然后進入實驗室，對實際的電池板進行性能及參數測試。然后再進行仿真，研究不同工作環境包括溫度、照度等對光伏電池板輸出特性的影響，再對實際光伏發電系統進行研究，對最大功率跟蹤控制方法進行仿真，再進行實際系統的設計與調試。例如對于電力系統繼電保護實驗，可以基于PSCAD進行故障仿真及保護值的整定和計算，通過對各種狀態下故障的波形和數值分析，與理論課程相結合，對知識進行加深和鞏固，并對仿真結果進行研究得出結論，然后再在繼電保護實驗臺上了解實際繼電保護系統的組成、工作原理和操作方法，虛實結合，相互促進。

虛實結合的實驗實訓教學中對實驗內容的組織和實驗過程的設計尤其重要，合理地實現虛擬仿真與傳統實驗的優勢互補，同時做到能實不虛，通過虛擬仿真及網絡平臺將課程進行有效延伸到課外，使得學生的實驗突破時間和空間的限制。

3.完善的考評方法。“虛實結合”的實驗考核主要用于檢驗學生在“虛”、“實”兩種環境中解決問題的能力，因此考核評價應包括虛、實兩個部分內容[4]。同時，完善的考評方法對學生的學習積極性有著極大的促進作用，在考評中，針對學生的設計、動手、仿真、調試等各個環節分別進行打分，對于某些特殊的以小組共同完成的實驗實訓，還可以增加提問和答辯環節，同時也增加學生制作作品性能的評分，綜合多項評分完成學生的考評。同時考評中鼓勵學生創新思維，在確保安全的前提下，努力為學生的創新實踐提供條件和支持。

通過上述方法，使得學生真正有效地參與到實驗實訓的各個環節中來，做到全面跟蹤學生實驗實訓過程，確保公平公正地評價學生的工作。

四、教學效果

虛實結合實驗實訓教學模式的構建，利用虛擬仿真實驗，使得一些原來無法開設的實驗得以開展，使學生的專業知識得到了鞏固，同時將虛擬實驗與現有設備相結合，通過分階段、相融合的方法，使學生的創新能力得到了很大的提高，在工程實踐能力、綜合素質等方面也得到明顯提高。學生的在各項科技大賽中取得了良好成績，也在各創新創業項目中取得了優異的成績，學生反映良好。

五、結論

虛擬仿真實驗具有不受時間、空間的限制，安全、方便，可以對多種實驗場景和工作狀態進行模擬和運行的特點，同時也存在理想化和缺乏真實實驗環境等不足。而電氣類專業實驗裝置由于設備價格昂貴、體積龐大等因素，制約了電氣類專業實驗室的建設和實驗的開展。結合虛擬方針與實際物理模型和設備，有效構建電氣類實驗平臺，并進行虛實結合的實驗實訓教學模式的開展，有效地提高了教學效果，促進了學生綜合能力的提高。

參考文獻：

[1]王曉崗，張星，李靜，等.開放實驗教學管理研究[J].實驗技術與管理，2012，29（4）：155-157.

[2]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理，2005，22（1）：35-37.

[3]李兵.基于X3D數字電路虛擬實驗的構建及教學模式研究[J].湖南第一師范學院學報，2012（5）：76-79.

[4]何秀全，韓耀軍.整合資源構建“虛實結合”的計算機網絡課程實驗室[J].現代教育技術，2010，20（9）：143-145.