虛擬仿真實(shí)踐課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

于鑫 朱金洋 戴佺民 陳惠榮 劉艷霞 劉丹陽 郭凱鑫

（北京聯(lián)合大學(xué) 城市軌道交通與物流學(xué)院）

一、引言

虛擬仿真技術(shù)是以高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為后臺(tái)運(yùn)算支撐建立系統(tǒng)的數(shù)字化模型并進(jìn)行仿真展示與分析；通常以二維或三維圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)狀態(tài)與特性，便于我們優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，廣泛應(yīng)用于智能制造、醫(yī)療、航空、交通等領(lǐng)域。近年來，信息技術(shù)的快速發(fā)展使虛擬仿真技術(shù)也廣泛應(yīng)用于學(xué)校的教學(xué)過程。基于虛擬仿真技術(shù)教學(xué)過程可以真實(shí)地展示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程，使學(xué)生獲得生動(dòng)直觀的感性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)對抽象工作原理的理解；同時(shí)，利用虛擬仿真的人機(jī)交互過程，使學(xué)生獲得高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境和操作過程。此外，與傳統(tǒng)沙盤模型等教學(xué)資源相比，虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可以大大減少實(shí)驗(yàn)成本、縮短搭建環(huán)境和獲取訓(xùn)練環(huán)境的時(shí)間?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展拓展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，學(xué)生可以在線上就能夠完成實(shí)驗(yàn)過程，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和碎片化時(shí)間管理的能力，并解決線下實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的問題[1]。

地鐵供電系統(tǒng)涉及升壓、并網(wǎng)、傳輸、牽引變壓、換流等多個(gè)環(huán)節(jié)，如何設(shè)定電壓等參數(shù)是保證輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)。高壓交流電纜充電功率、變壓器的電感等對城市電網(wǎng)造成功率因數(shù)低、無功功率反送等不利影響，所以通過無功補(bǔ)償?shù)却胧┛刂频罔F供電系統(tǒng)對城市供電網(wǎng)的影響至關(guān)重要，合理的無功補(bǔ)償措施不僅能避免造成浪費(fèi),還能防止電壓波動(dòng)等因素帶來的安全隱患，本文將利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述相關(guān)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)過程。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)的構(gòu)建

（一）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)背景

2017 年教育部辦公廳提出在普通高等學(xué)校開展示范性“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”建設(shè)工作[2]。高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已初具規(guī)模并形成一定影響力，構(gòu)建科學(xué)、系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有利于避免重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)，促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，推進(jìn)工作開始進(jìn)入“共建共享、聯(lián)合推動(dòng)”的發(fā)展階段[3]。此外，新冠疫情客觀上進(jìn)一步加快了高校虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)速度。

《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，高等院校積極探索將課程思政教育融入課程教學(xué)改革全過程，使思想政治教育潤物無聲。

本文以地鐵供電系統(tǒng)安全輸送及無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)為案例，通過在仿真平臺(tái)互動(dòng)使學(xué)生了解地鐵供電系統(tǒng)基本知識(shí)，并能根據(jù)仿真結(jié)果選擇合理的工程方案。在教學(xué)過程中，深入挖掘課程思政元素，注重知行合一，融合發(fā)展。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)

首先通過仿真操作搭建地鐵供電系統(tǒng)原型，讓學(xué)生了解從電能產(chǎn)生、升壓、傳輸、主變電站到牽引變電站、直流牽引系統(tǒng)、低壓變電站整個(gè)供電過程，通過給定的條件讓學(xué)生設(shè)定、計(jì)算系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)，完成并網(wǎng)、多電壓等級(jí)電壓設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，保證供電系統(tǒng)安全輸送，培養(yǎng)學(xué)生工程化思想。

搭建供電系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)無功補(bǔ)償相關(guān)知識(shí)，并通過給定測量的參數(shù)完成無功計(jì)算和補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)，使供電系統(tǒng)達(dá)到既定要求，保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)。

最后通過倒閘操作，使學(xué)生理解無功補(bǔ)償操作過程中的設(shè)備安裝、檢修等環(huán)節(jié)的過程，提升學(xué)生對相關(guān)知識(shí)理解，使學(xué)生能夠在確定故障范圍和故障原因后，及時(shí)隔離故障設(shè)備的能力，確保電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

圖1 無功功率補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

圖2 倒閘操作錯(cuò)誤產(chǎn)生電弧

（三）實(shí)驗(yàn)原理

1.并網(wǎng)

電力系統(tǒng)中的并網(wǎng)是指發(fā)電機(jī)組或發(fā)電廠的輸電線路與輸電網(wǎng)接通，并與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)建立調(diào)度關(guān)系，主要包括光伏并網(wǎng)方式和風(fēng)電并網(wǎng)方式。

（1）光伏并網(wǎng)方式

光伏發(fā)電屬于太陽能發(fā)電，是利用太陽能組件產(chǎn)生直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)，具有維護(hù)簡單、功率可大可小、低排放等特點(diǎn)，對環(huán)保與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要分為有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)：當(dāng)光伏系統(tǒng)提供的電力不足時(shí)，二者都可由公共電網(wǎng)向負(fù)載供電；當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時(shí)，有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可將多余電能饋入公共電網(wǎng)，而無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則不向公共電網(wǎng)供電。

（2）風(fēng)電并網(wǎng)方式

風(fēng)力發(fā)電有兩種不同的類型：能獨(dú)立運(yùn)行、規(guī)模較小的離網(wǎng)型和以風(fēng)電場形式的大規(guī)模集中接入電力系統(tǒng)的并網(wǎng)型。風(fēng)電并網(wǎng)的方式主要分為同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)三種形式。

2.電力系統(tǒng)電壓的選擇

（1）電網(wǎng)（線路）、發(fā)電機(jī)的額定電壓

主要根據(jù)需要、水平、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析后確定。發(fā)電機(jī)的額定電壓比同級(jí)電網(wǎng)電壓高百分之五。

（2）用電設(shè)備的額定電壓

用電設(shè)備的額定電壓等于電網(wǎng)額定電壓。變壓器一次繞組的額定電壓根據(jù)其連接對象不同而有差別。當(dāng)與發(fā)電機(jī)相連時(shí)，其額定電壓與發(fā)電機(jī)的額定電壓相同；當(dāng)與電網(wǎng)相連時(shí)，其額定電壓等于同級(jí)電網(wǎng)額定電壓。變壓器二次繞組的額定電壓則根據(jù)二次側(cè)供電線路長短不同，比其相聯(lián)電網(wǎng)額定電壓高百分之十或百分之五。當(dāng)距離較短時(shí)，僅考慮補(bǔ)償變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)繞組內(nèi)部5%的電壓降，而不用補(bǔ)償5%的線路上的電壓損耗。

3.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償

交流電源供給負(fù)載的電功率有兩種：一是電設(shè)備正常運(yùn)行（即電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、光能、熱能等其他形式能量的電功率）所需有功功率，二是用來建立磁場，交換能量所需的無功功率。當(dāng)輸電線的無功功率不能滿足需要，為了保證電設(shè)備在額定電壓下工作，在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，這就是電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，如并聯(lián)電容器與供電設(shè)備，可以補(bǔ)償負(fù)荷所消耗的感性無功。

4.電力設(shè)備的倒閘操作

電氣設(shè)備由一種工作狀態(tài)或運(yùn)行方式變換到另一種狀態(tài)或工作方式所進(jìn)行的一系列操作稱作倒閘操作。

（四）實(shí)施過程

課前采用引導(dǎo)式教學(xué)：通過項(xiàng)目目標(biāo)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果。

教學(xué)過程采用互動(dòng)式教學(xué)：在操作環(huán)節(jié)，老師與學(xué)生能夠通過線上進(jìn)行交流，學(xué)生可以通過人機(jī)交互的學(xué)習(xí)方式，在學(xué)習(xí)中隨時(shí)提出問題，老師可以及時(shí)給出解決方法，提高學(xué)習(xí)效率。

教學(xué)課后的反饋與互動(dòng)：利用信息系統(tǒng)的優(yōu)勢記錄學(xué)生的操作步驟和教師的評價(jià)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生課后的反饋，增加學(xué)生的自我提升能力。

（五）課程思政元素設(shè)計(jì)

為貫徹落實(shí)全國高校思想政治工作會(huì)議和新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神，牢記社會(huì)主義核心價(jià)值觀，把立德樹人作為教學(xué)過程的根本。在教授科學(xué)文化知識(shí)的同時(shí)，高度重視學(xué)生思想政治的發(fā)展。秉承立德授業(yè)的宗旨，將思想政治教育融入到專業(yè)知識(shí)課程里面，潛移默化中提高學(xué)生政治素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)思政教育和知識(shí)教授的結(jié)合，更好地將學(xué)生培養(yǎng)成德智全面發(fā)展的優(yōu)秀人才。

1.引入我國相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)工匠精神與職業(yè)道德

在并網(wǎng)原理教授過程中，引入國家電網(wǎng)公司《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》以及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/Z19963—2005 等，培養(yǎng)學(xué)生工程能力以及在實(shí)施工程項(xiàng)目過程中的團(tuán)隊(duì)精神及工匠精神。

近幾年，風(fēng)電事業(yè)在快速的發(fā)展，由于其電壓高，規(guī)模大，距離比較遠(yuǎn)，并且是集中接入，因此對于電網(wǎng)的滲透率不斷攀升，為了讓風(fēng)電成為方便使用的優(yōu)質(zhì)電源，需要對舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級(jí)改造，喚起學(xué)生對于新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)的求知欲。

2.引入中國特高壓輸電技術(shù)，提升民族自豪感

如今特高壓輸電技術(shù)分為兩種，一種是特高壓直流輸電，標(biāo)準(zhǔn)是不小于800 千伏，第二種是特高壓交流輸電，標(biāo)準(zhǔn)是不小于1000 千伏。截止2019 年6月，中國的特高壓輸電線路已經(jīng)投入運(yùn)營的特高壓線路累計(jì)達(dá)到27570 公里，中國成為世界上第一個(gè)也是唯一一個(gè)全面掌握特高壓輸電技術(shù)的國家，也是第一個(gè)將其投入商業(yè)運(yùn)營的國家。

3.引入清潔能源概念，讓學(xué)生深入理解環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)生產(chǎn)對人類的重要性，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任和擔(dān)當(dāng)

在供電系統(tǒng)引入清潔能源，讓學(xué)生理解“雙碳”目標(biāo)的提出和落實(shí)，有利于全社會(huì)加快推進(jìn)社會(huì)高質(zhì)量的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和生活方式。我國作為最大的發(fā)展中國家，有義務(wù)承擔(dān)國際社會(huì)責(zé)任，一直以來重視可持續(xù)發(fā)展，多次提出綠水青山就是金山銀山，重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。中國的舉動(dòng)，也為世界環(huán)境保護(hù)事業(yè)貢獻(xiàn)出了中國理念和中國方案。

三、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部署

開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)是基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而設(shè)計(jì)的一種教學(xué)平臺(tái)，目的是服務(wù)于教學(xué)。該平臺(tái)集多功能于一體，包括實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改和教學(xué)管理等，具有良好的性能。

項(xiàng)目運(yùn)行需要五層平臺(tái)架構(gòu)，相鄰兩層架構(gòu)之間聯(lián)系密切，下層為上層提供服務(wù)，最終五層相互配合來構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

（一）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是模擬仿真實(shí)驗(yàn)的開端，清潔能源安全輸送與地鐵供電應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都需要大量的數(shù)據(jù)，通過建立基礎(chǔ)元件庫、典型實(shí)驗(yàn)庫，標(biāo)準(zhǔn)答案庫等對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存放及管理。

（二）支撐層

支持層作為核心層級(jí)，是保證虛擬實(shí)驗(yàn)順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。其子模塊包括安全管理、數(shù)據(jù)管理等。整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行、管理和維護(hù)都屬于該層的管理范疇。

（三）通用服務(wù)層

通用服務(wù)層用來提供通用支持組件，保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。該層包括實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)資源管理等多個(gè)子模塊，同時(shí)具有相應(yīng)的集成接口工具，方便平臺(tái)和第三方虛擬軟件集成管理使用。

（四）仿真層

仿真層是對實(shí)驗(yàn)中的實(shí)物進(jìn)行仿真建模，包括實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)場景。通過仿真來形成可以通用的仿真器。

（五）應(yīng)用層

應(yīng)用層作為最后一層，能夠?qū)?shí)驗(yàn)仿真教學(xué)進(jìn)行開放共享。由于該層所搭建的拓展性良好，亦適用于其他實(shí)驗(yàn)實(shí)例進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)具體的教學(xué)需要開展合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

四、效果評估

（一）降低教學(xué)成本

電力系統(tǒng)對于工業(yè)、交通等多領(lǐng)域都很重要，電力系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)、檢修都需要專業(yè)的工作人員來進(jìn)行操作。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建了基于清潔能源供電城市軌道交通的仿真模型，解決了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購置費(fèi)用和維護(hù)成本。

（二）共享教學(xué)資源，服務(wù)社會(huì)效果明顯

通過虛擬模擬仿真資源，可以模擬仿真不同情境下的真實(shí)情況，從而完成不同要求的教學(xué)任務(wù)。從多方面對電力系統(tǒng)的不同功能以及故障處理進(jìn)行模擬，能夠真切地讓學(xué)生感受整個(gè)過程，也能順利完成綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，畢業(yè)設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)資源的共享。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問使用，方便地開展大范圍實(shí)驗(yàn)，向社會(huì)開放。虛擬仿真教學(xué)資源不僅可以面向本校學(xué)生，也支持其他高校學(xué)生學(xué)習(xí)和企業(yè)員工培訓(xùn)，是深化校企合作、人才合作培養(yǎng)的有效平臺(tái)。

（三）減少傳染病等突發(fā)事件對教學(xué)的響應(yīng)

操作者可以利用互聯(lián)網(wǎng)完成實(shí)驗(yàn)，這種B/S 模式的教學(xué)方式在本次疫情期間得到了各高校的重視，尤其對于中外合作辦學(xué)專業(yè)的實(shí)踐類課程，更是發(fā)揮了重要作用。

（四）開拓了課程思政教育的新路徑

仿真平臺(tái)引入我國特高壓輸電技術(shù)等內(nèi)容，這些技術(shù)中國從無到有，從自主研發(fā)到領(lǐng)先世界，匯集了無數(shù)尖端人才的心血與汗水，并取得了世人矚目的成績，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為展示我國電力系統(tǒng)成果的新載體，提升了學(xué)生民族自豪感，通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，向?qū)W生展示了我國“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，彰顯中國綠色發(fā)展偉力。

五、結(jié)論

利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以教為主向以學(xué)為主、以課內(nèi)為主向課內(nèi)外結(jié)合、以知識(shí)能力培養(yǎng)向以工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。教學(xué)過程中融入思政教育元素，完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和教學(xué)模式頂層設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠在掌握專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，潛移默化地提升思想品德素養(yǎng)，對于學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)和精神品格的提高有著重要的影響，也更能培養(yǎng)出有知識(shí)，懂技術(shù)，擁有愛國情懷的新時(shí)代學(xué)生，促進(jìn)教育全面均衡發(fā)展。