電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)VR虛擬仿真實(shí)踐基地建設(shè)研究

高陽(yáng) 許傲然 谷彩連 冷雪敏

[摘 要] 電氣學(xué)科電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向?qū)W生實(shí)踐學(xué)習(xí)面臨高電壓的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)際操作危險(xiǎn)性大。同時(shí)電力設(shè)備造價(jià)昂貴，高校很難配備全面覆蓋的電力操作環(huán)境，讓學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)，提高工程實(shí)踐能力，貼近電力企業(yè)用人的技能需要。隨著VR虛擬技術(shù)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)建設(shè)覆蓋電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及智能電網(wǎng)全過(guò)程的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，讓學(xué)生在VR視角下沉浸式學(xué)習(xí)。

[關(guān)鍵詞] VR技術(shù);虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 本文受2018年度遼寧省教學(xué)科研基金資助——普通高等本科教學(xué)改革項(xiàng)目《電力系統(tǒng)VR虛擬仿真綜合實(shí)踐項(xiàng)目的建設(shè)、管理、開(kāi)放研究與實(shí)踐》資助（2018-708）;本文受2018年教育部高教司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人基金資助（2018-01318006）

[作者簡(jiǎn)介] 高陽(yáng)（1974—），男，遼寧沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工程學(xué)院教授，博士，遼寧省高校虛擬實(shí)驗(yàn)中心負(fù)責(zé)人，主要研究高教虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)與開(kāi)發(fā)。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）19-0224-02? ? [收稿日期] 2019-12-30

一、引言

隨著VR虛擬仿真技術(shù)融入高校實(shí)踐教學(xué)中，電氣學(xué)科電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向可實(shí)現(xiàn)建設(shè)覆蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及智能電網(wǎng)全過(guò)程的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，構(gòu)建覆蓋電力系統(tǒng)生產(chǎn)全過(guò)程的虛擬仿真綜合實(shí)踐項(xiàng)目，解決電力專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)高危及昂貴的問(wèn)題。

當(dāng)前，隨著社會(huì)對(duì)人才越來(lái)越高標(biāo)準(zhǔn)的需求，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)體系也越來(lái)越暴露了其無(wú)法滿足人才培養(yǎng)的實(shí)際缺陷：（1）理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，在實(shí)際教學(xué)中老師是根據(jù)教材確定題目，具有很大的局限性且脫離真實(shí)環(huán)境;（2）教師在教學(xué)過(guò)程中也只限于逐點(diǎn)傳授，無(wú)法體現(xiàn)出教學(xué)的系統(tǒng)性和連貫性;（3）學(xué)生參與度不高，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);（4）由于設(shè)備師資等的限制，電力系統(tǒng)相關(guān)的大部分實(shí)際操作不能現(xiàn)場(chǎng)演示，實(shí)踐效果不佳;（5）傳統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的真實(shí)實(shí)踐環(huán)境難以打造，設(shè)備投資昂貴，危險(xiǎn)性高。綜上，傳統(tǒng)的教學(xué)模式不再適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)理念，亟須改革固有的實(shí)踐教學(xué)模式，提高教學(xué)效果。因此，本項(xiàng)目提出電力系統(tǒng)VR虛擬仿真綜合實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)管理、開(kāi)放研究與實(shí)踐具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

二、研究的意義

1.進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，平面虛擬二維三維技術(shù)很難滿足就業(yè)單位對(duì)畢業(yè)生實(shí)踐能力的要求，通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，可以解決實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容脫離生產(chǎn)實(shí)際的問(wèn)題，并解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法及時(shí)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的問(wèn)題，很大程度提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，開(kāi)發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

2.極大解決了實(shí)踐與安全生產(chǎn)之間的矛盾。電力行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具有高溫，高壓等危險(xiǎn)因素，安全操作規(guī)程復(fù)雜，操作人員需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格培訓(xùn)才能上崗，在校生缺乏經(jīng)驗(yàn)不具備操作能力，在學(xué)校不能滿足這樣的實(shí)踐需求。同時(shí)電力行業(yè)設(shè)備操作失誤及相關(guān)故障都是破壞性的，具備不可逆的特性，操作失誤會(huì)危害操作人員安全，因此在校學(xué)生實(shí)踐很難和企業(yè)用人需求匹配。

3.VR虛擬技術(shù)的典型特征增強(qiáng)了教學(xué)效果。

（1）沉浸感。沉浸感是VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)區(qū)別于三維仿真技術(shù)、3D影視、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心特征。由于VR系統(tǒng)可以將使用者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與外界隔離，因此參與本實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的學(xué)生可排除外界干擾，全身心地投入到虛擬現(xiàn)實(shí)中去，獲得身臨其境的感覺(jué)。（2）交互性。VR虛擬實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)利用電腦屏幕平面式教學(xué)模式，學(xué)生可用VR頭盔、耳機(jī)和操作手柄在視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)方面全方位地感知實(shí)驗(yàn)環(huán)境，都是通過(guò)模擬手掌運(yùn)動(dòng)與控制，完成在虛擬環(huán)境中的操作。（3）構(gòu)想性。VR虛擬技術(shù)的構(gòu)想性對(duì)于教育方面的應(yīng)用意義尤為重要。虛擬環(huán)境可以讓學(xué)生置身于實(shí)際環(huán)境之中，真實(shí)看到實(shí)際運(yùn)行的電力設(shè)備和狀態(tài)，啟發(fā)學(xué)生理論學(xué)習(xí)的記憶，同時(shí)高仿真度的操作模擬可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造能力，立足于實(shí)踐創(chuàng)新。

4.助推校企合作，共建共享優(yōu)質(zhì)資源。通過(guò)本項(xiàng)目的開(kāi)展，利用學(xué)校與地方共建智能變電站VR虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的契機(jī)，在建設(shè)過(guò)程中深入發(fā)掘教育資源，構(gòu)建科學(xué)系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)體系和虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，完善現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)共享性實(shí)踐資源條件，為打造國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，樹(shù)立省市VR中心標(biāo)桿建立良好基礎(chǔ)。

三、虛擬仿真實(shí)踐基地建設(shè)理念

高校本科教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)是提升教學(xué)質(zhì)量的重要手段，學(xué)生需要憑借實(shí)踐提升對(duì)理論課程的認(rèn)識(shí)和理解。建設(shè)虛擬實(shí)踐基地是將虛擬計(jì)算機(jī)技術(shù)和教學(xué)深度融合，利用虛擬環(huán)境拓展學(xué)習(xí)實(shí)踐范圍和深度，不僅完成提升實(shí)踐能力的目的，同時(shí)激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

1.研究制定項(xiàng)目建設(shè)原則。工程化與實(shí)際化原則。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的諸多因素條件限制，脫離了實(shí)踐環(huán)境的問(wèn)題，我們要確保本項(xiàng)目的實(shí)施與實(shí)際環(huán)境高度結(jié)合，達(dá)到工程化的目的。（1）虛實(shí)結(jié)合的原則。為了確保學(xué)生能夠完整系統(tǒng)地對(duì)學(xué)科有深入了解和掌握，在一定程度上需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，研究基于虛擬仿真技術(shù)的電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的目的。（2）校企共建的原則。在轉(zhuǎn)型發(fā)展的大背景下，要充分利用好社會(huì)各種優(yōu)質(zhì)資源，共商、共建、共管、共享。密切跟蹤最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，與時(shí)俱進(jìn)。（3）教學(xué)與培訓(xùn)一體化，課內(nèi)外一體化原則。所研究的綜合實(shí)踐項(xiàng)目，不僅適用于在校學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐培養(yǎng)，也可應(yīng)用于企業(yè)在職員工的培訓(xùn)。

2.建設(shè)以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。構(gòu)建可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用多媒體動(dòng)畫(huà)等手段模擬電力故障效果，聯(lián)系教材內(nèi)容讓學(xué)生近距離觀察和學(xué)習(xí)，同時(shí)注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中自由發(fā)揮。

四、實(shí)踐基地建設(shè)措施

1.教學(xué)方法的改革，目前我們還停留在利用平面設(shè)備二維，三維虛擬化教學(xué)方法，采用VR技術(shù)將引入更復(fù)雜的人機(jī)交互設(shè)備，學(xué)生將立體化身臨其境完成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，因此應(yīng)用創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法將成為項(xiàng)目解決關(guān)鍵問(wèn)題之一，項(xiàng)目計(jì)劃重點(diǎn)實(shí)行基于問(wèn)題、案例的互動(dòng)式、研討式教學(xué)，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)。

2.針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)，不同培養(yǎng)層次學(xué)生的應(yīng)用，同時(shí)考慮實(shí)踐基地共享應(yīng)用之后需要滿足不同地域電力行業(yè)的特點(diǎn)（我國(guó)不同地區(qū)高壓輸電電壓等級(jí)不同），實(shí)踐基地建設(shè)將注重前瞻性，開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)踐基地的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電及智能電網(wǎng)全過(guò)程的VR虛擬仿真教學(xué)體系，形成虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式所存在的系列問(wèn)題，形成了一套全方位的教學(xué)評(píng)價(jià)體系和考核辦法。

參考文獻(xiàn)

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Research on the Construction of VR Virtual Simulation Practice Base for Power System and Automation Specialty

GAO Yang， XU Ao-ran， GU Cai-lian， LENG Xue-min

（Shenyang Institute of Engineering， Shenyang， Liaoning 110136， China）

Abstract：Students majoring in power system and automation of electrical discipline face high voltage experimental environment and practical operation with high risks. At the same time， the cost of electric power equipment is expensive， hence it is difficult for colleges and universities to be equipped with a fully covered electric power operation environment. So it is difficult for students to practice and learn， to improve their engineering practice ability， and to meet the skill requirements of electric power enterprises in their employment. With the development of VR virtual technology， we can build a virtual simulation practice teaching system covering the whole process of power system generation， transmission， substation， distribution， electricity use and smart grid， so that students can carry out immersive learning from VR perspective.

Key words：VR technology; virtual simulation; practice teaching