虛擬仿真技術在能源與動力工程實訓教學中的應用

薛香玉 張宏 張鋒 王博 張斌

[摘 要] 虛擬仿真教學具有自由度高、交互性強和成本低廉的優點，可以讓學生在計算機上獲得身臨其境的學習體驗。虛擬仿真平臺可以全范圍再現火電機組生產運行的整個流程，通過計算機模擬火電廠的運行過程及高溫高壓等高危生產場景。將虛擬仿真技術應用于能源與動力工程的實訓教學中，滿足了新冠肺炎疫情常態化下線上實訓的需求，促進了實驗室信息化建設與實訓教學的深度融合，也為學生參加創新創業訓練、課程設計、畢業設計及科研提供了平臺，拓展了平臺的應用范圍。

[關鍵詞] 虛擬仿真;能源與動力工程;實訓教學

[基金項目] 2017年度陜西科技大學教改項目“虛擬仿真實驗中心建設”（17Y059）

[作者簡介] 薛香玉（1987—），女，陜西韓城人，碩士，陜西科技大學機電工程學院實驗員，主要從事新能源發電研究;張 宏（1963—），男，貴州貴陽人，碩士，陜西科技大學機電工程學院教授，主要從事新能源科學及技術研究;張 鋒（1966—），男，陜西西安人，碩士，陜西科技大學機電工程學院副教授，主要從事熱能動力系統節能技術研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）33-0133-04? ? [收稿日期] 2021-03-25

近年來，隨著科技的發展，智慧化教育和信息化教育的浪潮正在席卷高等教育。虛擬仿真技術在推動教學理念變革和教育信息化方面的作用日益凸顯。本文將介紹我校能源與動力專業或電廠虛擬仿真平臺在實訓教學中的應用情況。

一、能源與動力工程專業的實訓特點

能源與動力工程專業涉及熱力發電、制冷、內燃機和新能源等多個模塊，其培養內容既包括了與傳統能源行業相關的設備及流程，如鍋爐、汽輪機、內燃機和動力設備安裝與維護等，也包括了新興的新能源利用相關技術，具有課程種類多、課程數量大和知識面廣的特點。能源動力類的實訓課程具有以下特點。

（一）生產安全要求高

操作條件多為高溫高壓狀態。操作對象有高溫高壓蒸汽、天然氣、空氣、氧氣和混合物質，實驗的壓力范圍和溫度范圍較大。這對于學生的操作無疑有重大的安全隱患，出于安全考慮，許多實習或實驗中的學生只能觀察不能靠近，因此學生缺乏實踐機會。

（二）設備復雜且龐大

設備的體量較大，流程較為復雜，例如鍋爐、除塵器和汽輪機等，實驗設備昂貴，因此設備的經費和場地都限制了實驗過程。

（三）設計類型項目較少

目前能動類實訓課程大多操作流程教程相對固定，學生不能進行自主設計與搭建，學生熱情不高。

（四）課時量大

學生人數多，且課程數量多，受制于實驗臺套數和學生的時間安排，實訓類課程安排緊張，教師也很難有時間在課堂上與學生進行充分的互動，因此存在對學生指導不夠的情況。

二、虛擬教學的特點

虛擬仿真教學是利用計算機模擬真實的生產過程，讓學生可以在計算機上進行仿真操作，并獲得身臨其境的學習體驗，在虛擬環境中掌握火力發電廠的主要原理、工藝流程和運行特點。

（一）自由度高

虛擬仿真實驗涵蓋面廣，綜合性強，有大量的軟件公司開發出了多種仿真實訓平臺，學生可以根據需要自主設計實訓內容，隨時隨地進行實訓，仿真平臺還可以多次反復實驗，最大限度地滿足學生的各種需求。

（二）交互性強

傳統的實訓課堂大多是通過視頻和講述的方式向學生呈現高危工況，學生難以產生真實的體驗。結合多媒體（例如音頻、視頻和圖像等）技術的虛擬仿真實訓，讓學生有了身臨其境的感覺，豐富了實訓教學的課堂形式。

（三）可變更操作條件

虛擬仿真實訓可以演示一些復雜、抽象、高危、周期較長及不便于直接操作或者觀察的項目，例如超臨界鍋爐這類的高溫高壓設備工作過程。

三、基于虛擬仿真技術的能動實驗教學的優勢

我校實驗中心目前已建成火電廠虛擬仿真平臺，可以滿足學生自主和個性化學習的要求，同時正在建設新能源仿真平臺。結合近幾年的仿真實驗開展情況進行分析，我校實驗中心基于虛擬仿真技術的能動實訓教學的優勢如下。

（一）滿足多種學習需求

利用網絡平臺，虛擬仿真實訓教學平臺可向學生提供遠程學習，滿足學生線上學習的要求。學生自行進行練習，仿真平臺可以對練習情況進行打分和評價，給出分析報告。仿真實訓也為學生參加創新創業訓練、課程設計、畢業設計及科研提供了平臺，這些都極大地拓展了平臺的應用范圍[1]。

（二）降低專業教育成本

虛擬仿真實驗為能動專業的學生提供了安全、便捷的操作平臺，以較少的資金和人力投入實現了高危或花費較大的實驗教學功能，幫助學生掌握專業知識，提高實踐能力，并完成技能培養。

（三）滿足了新冠肺炎疫情常態化下線上實訓的需求

新冠肺炎疫情期間，為了安全，學生不能到校外參加實習，因此轉為在校實習。虛擬仿真平臺既可以為學生提供校內實訓平臺，又可以進行線上授課。

（四）促進實驗室信息化建設

虛擬仿真技術推進了信息化技術融入實踐教學的進程，既可以滿足對教學數據的信息化存儲與管理，又可以實現對教學數據的分析及統計，提高了教學綜合管理效率。學生可以不受開放時間的限制，根據個人的時間安排，在移動終端上遠程訪問虛擬仿真平臺，實現遠程學習[2]。

四、能源動力專業虛擬仿真實訓平臺的概況

（一）火電廠虛擬仿真實訓平臺

火電廠虛擬仿真實訓平臺可以完整再現整個火電廠的生產流程，全范圍1∶1模擬DCS控制系統，主要包括機組正常啟停機、緊急事故處理和生產試驗等運行操作練習，也可以進行仿真系統算法驗證實驗等。該仿真機由清華紫光仿真有限公司提供，仿真對象包括鍋爐系統、汽輪機系統、發電系統、公共系統和安全系統等。火電廠虛擬仿真平臺的硬件主要包括服務器、下位機和備用電源等。主機采用高性能的服務器，內置火電廠仿真模型，使用人員可根據自身的實際修改、添加或刪除模型，也可以改變控制策略等。教練員站和操作員站均使用可視化的操作系統，可直接在仿真系統中進行建模及操作。教練員站可實現仿真教學、演示和練習評價等培訓功能。操作員站可以與服務器通過局域網相連，實時進行數據傳輸。