“新工科”背景下的電氣專業虛擬仿真實驗室建設研究

吳宏岐 李小斌 劉 霞

寶雞文理學院電子電氣工程學院，陜西 寶雞 721016

教育部2017年提出了高校要加快建設和發展“新工科”，隨后也指出國家硬實力和國際競爭力的提升呼喚“新工科”，在我國高等教育界掀起了一股“新工科”建設改革熱潮。“新工科”建設尤其強調專業教學質量和工程化教育理念。在此背景下，寶雞文理學院電氣專業密切結合專業特點及地方產業發展需求，將虛擬仿真實驗引入專業教學中，取得了良好的效果。

一、電氣專業特點

電氣專業強弱電結合、軟硬件結合，專業畢業就業容易，收入較高，對廣大高考生吸引力強，屬于當前較為熱門的專業。該專業是理論性、實踐性都很強的學科，雖然人才需求量大，但對畢業生綜合素質要求極高，需要進行大量的實踐活動才能夠勝任相關崗位工作。專業學生動手、創新等綜合能力的培養對于場地、設備、師資都有嚴格的要求。寶雞文理學院電氣專業分為電力系統、工業控制兩大方向，旨在培養具備電氣工程及其自動化專業基本思想、基本理論、基本技術，能在工礦企業、電力生產、電器產品研制、電力網等部門從事生產技術管理、新產品研發、專業設備銷售和科學研究等方面工作的高級應用型工程技術人才。電力系統龐大、復雜，且具有高電壓、大電流,電力設備種類多、價格昂貴等特點,使實驗室很難建立和現場完全一樣的電力實驗系統。工業控制系統復雜且危險性高，學生雖然可以通過專業見習和生產實習了解一些控制系統工作原理，但無法真正接觸崗位工作，很難進行實際工程能力的訓練和工作經驗積累。學院實驗室雖然可以實現部分工程項目的模擬訓練，但電氣類項目大都離不開強電，危險性很高，模擬訓練也很難滿足實際需求，且由于場地和時間的限制，不能做到全天候服務學生。以上種種原因，使得在校學生畢業時所獲得的能力與社會需求相差甚遠。因此，在新工業革命的大背景下，電氣專業這樣的傳統工科專業應如何改革，如何培養全面適應未來新產業、新經濟發展的應用型工程科技人才，是專業改革需要特別關注的重要問題。

二、“新工科”背景下的電氣專業人才培養要求

“新工科”建設強調產教融合，強調系統地培養學生的創新實踐能力，要求將工程思維引入教學過程，并強調除扎實的理論知識外，學生還應具有工程意識、工程經驗、一定的崗位技能，能夠應用所學專業知識解決企業生產中常見的技術問題。因此，地方院校應鼓勵學生參加工程創新項目開發和科學研究，強調多學科交叉融合，組建跨學科教學團隊和實踐平臺，以培養學生跨學科學習及科研合作能力。學校必須建設相應的實踐教學平臺和教學團隊，學生必須在掌握專業基礎知識、基本實驗技能、人文素養的同時，具備知識的應用能力、分析解決實際問題的能力、處理突發事故的應變能力和適合社會需求的最核心的實踐能力。

然而，學校教育畢竟不同于企業生產，有限的四年學習時間、有限的教學資源、基礎抽象的大量理論知識、有限的實踐條件與“新工科”發展的客觀要求并不相適應。于是校企合作、學科競賽、大學生創新項目等各種實踐手段應運而生，而且取得了一定的教學效果。可是電氣專業自身的特殊性又極不利于這些手段的應用，比如高昂的工程項目設備投入、大面積的實踐場地需求、具有豐富實踐能力的專業教師需求，以及高電壓的危險性，使得學生的企業實踐教學課程也只能以參觀為主。因此，如何進行電氣專業工程實踐訓練成為教學難點。近年來，計算機技術的普及與發展以及虛擬仿真技術的大量應用有效地解決了這些問題。虛擬仿真可以做到高度接近實際效果的實驗模擬及項目模擬，這為電氣專業應用型人才培養提供了新思路、開辟了新方向。

三、虛擬仿真實驗室建設

（一）虛擬實驗室介紹

虛擬實驗室是綜合應用計算機應用技術、計算機網絡技術和虛擬現實等技術通過構建逼真的實驗環境，達到甚至超過真實實驗的效果。學生通過虛擬設備既可以模擬實際操作，又可以沒有危險性地達到理論、實踐全方位訓練的目的。比如利用虛擬變電站，學生在3D場景中完全可以模擬操作真實變電站的所有項目，如日常巡檢中的變壓器油位、油溫、油色、運行聲音，設備操作、檢修、故障模擬以及故障處理等，如圖1所示。另外，學生也可以在虛擬實訓系統中自主設計實訓項目，如圖2所示，在電氣控制技術VR交互式教學系統中可實現電氣控制原理設計、電器布置、配線、運行、排故等操作，效果極似物理實訓。這使學生的動手能力、分析解決問題能力、工程設計能力和創新意識能夠得到很好的訓練，也能積累一定的實踐經驗。

基于計算機網絡、移動網絡等環境下建立的虛擬實驗室不受時空限制，組建成本低，維護成本幾乎為零，實踐中用到的各種儀器儀表、設備、工具幾乎都可以集成在一套軟件中，學生可以高效、靈活地組建系統，訓練各種儀器、儀表及工具的使用方法。計算機系統的數據處理能力遠非實際系統可比，它可將所有數據進行存儲、分析，并且將其可視化，如可用表格、圖形快速準確地顯示運行結果，圖3 所示為Multisim 環境下橋式整流電路仿真結果，顯示電壓表、示波器的測試結果和實際電路測試結果幾乎一致。另外，虛擬仿真實驗可靈活組建項目，且不增加任何成本，同時又能達到工程實際應用的逼真效果，這是傳統實驗項目幾乎無法實現的。虛擬實驗可以幫助學生全面理解和掌握專業知識，大大激發學生的學習興趣，增強學生的學習自信心，為學生由被動學習轉變為主動學習提供了一條可行的途徑。

（二）電氣專業虛擬仿真實驗室具體建設內容[7]

1.硬件建設

硬件建設包括場地建設和設備建設。設備主要包括顯示設備、輸入設備、感知設備、支持設備。

顯示設備主要用于虛擬實驗平臺的展示及操作結果顯示，最常用的是電腦顯示器，現在逐漸普及投影、大尺寸LED 屏、多媒體電視、CAVE 系統、3D 大屏幕、VR 頭盔、AR 頭盔等。作為虛擬仿真實驗結果的呈現設備，顯示裝置顯現了從二維走向三維，從基于平面三維走向沉浸式三維的新特點，由小屏幕逐漸向大尺寸3D 屏幕發展，大大提升了教學的效率和可觀性。

輸入設備最常用的是鍵盤和鼠標，隨著多媒體技術的多樣化發展，又出現了3D 掃描儀、語音識別技術、數據手套、無線交互手柄、攝像頭和各種傳感器，可用于物體物理尺寸掃描、聲音控制、手部動作輸入、自由跟蹤、圖像識別等，能夠適應多種教學內容的需要。

感知設備既可以讓參與虛擬仿真實驗的人感知實驗效果，也可以通過對感知數據的捕捉讓虛擬實驗內容得以反饋。常用的感知設備包含溫度感應、力感應、嗅覺感應、聲音感應、視覺感應、定位設備、動作捕獲設備等，不僅能讓虛擬仿真的表現形式多元化，也能讓仿真結果更加真實。

支持設備是為了維持教學裝備的正常運轉，負責供電、信息傳輸、圖形圖像處理、信息存儲、多種設備交叉管理等工作，常用的有UPS 不間斷電源、圖形處理服務器、數據庫服務器、數字交換機、路由器、音視頻切換矩陣、監視器等。

2.軟件建設

虛擬實驗軟件包括實驗管理軟件、課程資源、實驗評測軟件、計算機系統軟件等。實驗管理軟件保證虛擬仿真教學信息網能接入院校綜合管理信息網絡，實現教育教學資源的分配、師資力量的調配，統一管理不同的虛擬仿真教育資源，記錄任課教師和實驗學生的教學、學習進度，起到教學目錄和教學日志的作用；虛擬仿真課程資源為虛擬仿真實驗中心的配置重點，如果沒有課程資源，所有的虛擬仿真設備都會形同虛設，它是根據各課程的教學特色和要求，通過虛擬系統讓學生直觀理解、加深記憶并上手實操的軟件；實驗評測軟件對學生的實驗情況和知識掌握情況進行反饋，能夠記錄學生具體的知識盲點，同時對操作過程中的不規范行為進行指正，可以大大提高教師評測實驗的速度；計算機系統軟件是為了讓虛擬仿真教學軟件正常運轉的軟件，如操作系統Win10、數據庫軟件、防火墻、圖形處理融合軟件、動作捕捉軟件等。

虛擬仿真實驗應考慮不同層次的需求，訓練項目的設置應該是階梯式推進的，有些是通過學生自學完成的，有些是需要集中訓練的。虛擬仿真實驗教學根據課程體系可分為基礎課程實驗、專業課程實驗、工程項目實訓。基礎課程實驗一般采用大作業形式，學生完全自學，如電子電路實驗，要求學生在做真實實驗前先自行完成仿真（利用Multisim、Proteus軟件等）實驗，既可以提高實驗教學質量，又可以輔助學生的課程學習；專業課程實驗相對復雜，涉及算法較多，我院開設了Matlab 課程，可輔助各門課程的學習；對于工程項目實訓，我院采用虛實結合的教學模式，進行現場參觀和仿真實訓，如利用虛擬變電站培訓系統、電力實訓項目仿真軟件，引導工業控制方向學生進行現場實習、工程項目實訓、仿真實訓項目訓練等。

3.管理建設

管理建設包括虛擬仿真實驗室的項目申報建設、教學體系建設、師資團隊建設以及評價機制建設。

虛擬仿真實驗室建設由學校職能部門集中管理，以保證后期的持續發展和有限資源的協調共享以及資源的最大化利用，但具體到各門課程的仿真資源建設和項目設計則由二級學院與專業教研室完成，項目的申報一定要結合本專業的實際應用情況。項目分為專業必修的實訓項目和課外大學生創新訓練項目。

教學體系的建設以應用為目的，以自主學習加集中實訓為特色，堅持基礎性與應用性相結合，突出解決具有專業背景的實際問題，根據教學內容以及課程之間的內在聯系，構建階梯式的訓練體系，訓練的難度和能力目標應是遞進式的，訓練內容要涵蓋專業所需的教學知識點，同時兼顧體現這些知識點的工程應用。

師資團隊建設方面，要求相關人員同時兼備教學水平與科研水平，要建設核心技術隊伍，以帶動實驗教學團隊綜合素質的整體提高。要有教學梯隊，要制定完整的青年教師培養計劃。一定要明確教師崗位和實驗室管理人員的職責，制定相應的管理制度以及獎懲制度，保證所開設的項目教師都親自動手實踐過，鼓勵教師不斷研發新項目，結合社會需求不斷更新訓練計劃，共享教學經驗，不斷推進團隊建設。

學校、學院層面都要建立虛擬實驗項目申報常態機制，設立實驗室創新升級專項基金，定期組織實訓項目及訓練成果評價；要建立第三方評價機制，跟蹤調查畢業生崗位工作情況及建立必要的信息反饋機制，要根據調查結果進一步完善虛擬實訓教學過程，以更好地滿足工程需求。

四、虛擬仿真實驗室建設應注意的問題

任課教師要學會轉變思想，緊跟發展趨勢，積極接受虛擬仿真實驗室的建設；要認識到虛擬實驗室是傳統實驗教學的輔助、補充手段，不能完全替代正常的實驗和實踐教學；要堅持“能實不虛”的實驗教學原則，既不能放松常規實踐教學，也不能夸大虛擬實驗的作用。要堅持問題導向原則，重點解決傳統實驗教學條件不能實現的問題，或者解決高危、高消耗、高成本、不可逆操作、極端環境、大型綜合訓練項目等的訓練問題。要圍繞學生就業需求導向，密切結合企業生產需求以及專業特點，緊跟行業產業發展和專業發展的最新成果，嚴防知識、技術訓練與時代發展脫節。可以聯合企業建立完善的校企合作制度，引入企業工程師參與到教學中來，將企業一些具有普適性的工程項目作為虛擬仿真實驗教學項目，以培養學生的工程意識、安全意識和工程應用能力。要充分利用現代信息優勢，不斷加強網絡化條件下的虛擬實驗教學規律研究，充分利用和整合各種資源，持續探索提高實驗教學效果的教學方式方法。