虛實結合的能源與動力工程專業實踐教學模式探討

吳懋亮 宋明 李汝潤

摘? 要：本文針對能源與動力工程專業學生現場實踐“只能看不能動”的困難，討論了構建虛實結合的實踐教學模式的方法。通過現場實習，增強學生對電力生產過程的感性認識，了解電力生產的基本原理、方法與過程。通過實物模型參觀，建立學生發電系統全過程的概念。虛擬仿真平臺提供了主要電力系統的漫游場景，使學生可自由穿梭于各系統和設備內部，在操作過程中感受系統的運行和狀態變化。實踐教學結果表明，虛實結合的實踐教學模式有助于提高學生對專業學習的興趣，提升能源與動力工程專業學生的實踐能力培養效果。

關鍵詞：虛實結合;能源與動力工程;實踐教學

中圖分類號：TK0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2020）44-0084-03

上海電力大學能源與動力工程專業依托電力行業，主要培養具有較強的工程實踐能力和創新意識的從事發電方面的設計、制造、運行工作的高水平應用技術人才。本專業的實踐教學要求學生掌握發電設備的運行原理、結構特征和基本操作技能。實踐教學將現場實習、實物模型參觀和虛擬仿真實驗相結合，構建虛實結合的實踐教學模式，能夠激發學生獨立思考和解決問題的潛能，培養學生的團隊協作能力和實際動手能力 [1]。

一、開展虛實結合實踐教學模式的必要性

能源動力工程專業實踐教學圍繞火電廠發電過程展開，存在設備成本高、更新換代難，且多為傳統機型或分散設備的困難，不能反映行業發展的最新趨勢。同時，傳統的專業實驗項目多為演示型、驗證型實驗，缺少設計型、綜合型和研究型實驗 [2]。學生實踐存在“只能看不能動”的弊端，這為學校的實踐教學帶來了很大的困難。虛擬仿真技術通過數字化3D技術構建與真實環境相似的虛擬環境，使學生在實踐過程中擁有身臨其境的體驗式感受，虛擬仿真技術對現場的實踐教學具有良好的補充作用 [3]。但是虛擬仿真實踐教學對實際生產過程的操作步驟、規范等要求較高，對該系統涉及的原理、在工程中的地位與作用以及有無學科交叉等方面涉及較少，容易使學生的思維局限于狹小的專業空間，無法從系統觀角度思考問題 [4]。因此構建虛實結合的實踐教學模式成了解決電力行業現場教學難的有效辦法。

本專業的實踐教學將虛擬仿真操作、模型參觀和實物認知、現場實習實踐相結合，形成“虛—半虛—實”相互融合的虛實結合實踐教學模式，以培養學生創新精神和實踐能力為目的，按照虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，提供可靠、安全和經濟的實踐教學，利用螺旋式學習理論，從感知、認知、練習、實訓四層次逐層遞進設計實踐教學體系，提高實踐教學效果。

二、虛實結合實踐教學模式的實施

虛實結合實踐教學模式主要包括電力企業現場的實習實踐、實物模型和發電設備實體的參觀和實驗以及依托虛擬仿真系統的虛擬操作。考慮能源與動力工程專業實踐學習的特殊要求，本專業的實踐教學分為三個階段。

（一）現場實習感知企業運行氛圍

現代電力企業要求學生具有良好的實踐能力，但是目前課程體系以理論講解為主，學生普遍對未來就業的行業缺乏了解，對于將來的工作內容缺乏必要的實踐實訓過程，因此大學學習期間的認識實習、畢業實習等實踐內容是本專業學習的重要環節。學生進入電力企業開展實踐，可以真正了解電力企業的運行狀態，通過讓學生參加1-2周的電力行業跟班運行實習，學生可以在較短的時間內完成從學生向企業員工的角色轉換，學生在電力企業通過專家授課和現場參觀的形式，將學校學習的專業知識和企業的技術標準、過程管理和生產現場的要求相結合，對發電廠的管理、生產工藝及流程進行全面的了解，并引導學生利用專業理論分析和解釋現場設備及系統運行過程和其主要特性。

企業實習的主要目的是使學生對電力生產過程形成感性認識，了解火電廠生產的基本原理、方法，主要熱力設備的結構及設計規范，主要設備和系統的控制保護報警邏輯及定值，設備的軟手操、硬手操、就地控制屏操作、現場就地操作，主、輔機系統的啟停、運行調整、試驗的運行規程等。

（二）模型參觀與實物實驗相結合認知電廠運行全過程

在學生了解了企業基本工作狀態和生產流程的基礎上，為了建立學生對發電系統全過程的概念，實踐教學以目前常見的1000MW 超超臨界機組為原型，按照相應比例制作了超超臨界燃煤發電機組仿真模型，系統模型包括鍋爐、汽輪機、灰場及煙氣脫硫、脫硝裝置等仿真實物模型，聲、光、電多種形式的演示，使學生直觀地觀察廠內設備的外觀和各系統間的連接關系，為學生動態演示和講解火電廠的生產過程。同時為了增強學生對于實物模型和生產實際設備之間聯系的認識，學校將企業退役的火力發電機組的轉子等關鍵部件作為學生實習實踐的主要裝置，學生可以近距離地接觸發電機組的主要組成部分，實實在在地感知發電機組的結構和特征，并將設備的實體結構和仿真模型的結構相對照，形成對于電力生產過程全局性的認識。同時學生在了解發電設備基本結構和特性的基礎上，還可結合理論教學的基本內容，設計綜合性的實驗項目，如進行汽輪機轉子葉片的振動測試，了解汽輪機在工作狀態下的力學特征，為后續的結構設計奠定基礎。

實物模型生動地再現了火力發電廠的全貌，使學生從全局了解火力發電廠的基本情況，對火力發電廠的生產過程、設備、系統等有較深刻的認識，對火力發電廠有整體的認知。

（三）虛擬仿真系統提供練習和實訓平臺

學生經過現場實習實踐、模型參觀和實物實驗，對于生產過程建立了基本的認識。為了進一步加強學生對電力生產的設備運行細節和實際操作環境的了解，本專業建設了1000MW超超臨界單元火電機組虛擬仿真系統，系統按照實際工廠設備尺寸進行1∶1比例設計，場景的組織以實際裝置為標準，包含重要設備、管線、儀器、儀表、閥門、開關等。虛擬仿真系統運行于VR頭盔環境，其中的漫游場景提供主蒸汽系統、鍋爐汽水系統、脫硫脫硝系統等主要系統的管道布局、設備連接關系、各系統結構、工作原理等，滿足火力發電廠認識實習和結構與系統實習的要求。系統中的全場景虛擬漫游由學生操作VR手柄在整個場景中進行漫游，可自由穿梭于各系統和設備內部，如進入爐膛內部查看燃燒類型，進入SCR反應器查看脫硝原理，進入汽輪機查看高、中、低不同缸的工作情況，進入脫硫塔查看脫硫反應等。系統中所包含的設備皆含有對應的噪音，高度還原火電廠現場的音響特征，每種設備都有其對應的噪音效果，還原設備就地聲響特征，使學生在操作的過程中可感受到聲音隨距離和種類的變化而變化。

虛擬仿真系統幫助學生了解電廠各系統運行流程、主要設備的運行方式及有關的技術經濟指標，熟悉熱力設備的結構和性能，了解火電機組熱力系統的運行監督方法和基本操作方法。虛擬仿真系統可以引導學生將課堂學習的理論知識、現場實習實踐的感受以及對于實物模型的經驗進行相互印證，鞏固和拓展學生的專業知識。

三、實踐教學的評價及成效

為全面考核學生的實踐學習情況，學生的實踐考核由平時成績、學習報告、操作考核成績組成。平時成績主要根據學生的學習態度和合作表現而定;學習報告是學生對現場實習、實物模型觀察、運行過程的虛擬操作內容、注意事項等的總結;操作考核內容主要包括通過虛擬仿真平臺進行的狀態檢查、個人操作、合作操作三部分。狀態檢查要求學生在限定時間內對預置的一個凍結工況進行獨立檢查，找出其中錯誤的或不合理的地方。個人操作以機組冷態啟動開始階段的設備啟停為重點，主要是啟動風煙系統、凝結水—除氧器系統、向鍋爐上水、汽機和電氣做準備等一系列的操作。合作操作由兩人完成，通常要求完成有較大操作量的過程，合作對象和操作內容均由抽簽決定，借此考查學生間合作的協調性。

現場實習、實物模型參觀以及虛擬仿真平臺操作三個階段的虛實結合實踐教學，使學生熟悉熱力發電廠的設備、系統組成及其生產過程，熟練掌握單元機組在各種工況下的啟停操作步驟與正常運行的調節、監控技術，了解單元機組常見故障的現象、產生原因及處理原則，培養學生理論聯系實際的能力，有效提高教學質量和學生的工程素質。

四、結語

能源與動力工程實踐教學是保障人才培養質量的重要教學環節，上海電力大學通過設計“現場實習—模型參觀—虛擬操作”為一體的虛實結合實踐教學體系，構建了感知、認知、練習、實訓四層次逐層遞進的學生實踐能力培養過程，為能源與動力工程專業提供可靠、安全和經濟的實踐教學。虛實結合的實踐教學模式滿足了對學生的培養要求，特別是虛擬拆裝平臺打破了設備和場地的制約，實現了電力生產的全過程仿真，學生通過此平臺可獲悉火電廠的操作規程并實現操作運行等訓練，取得了良好的實踐教學效果。

參考文獻：

[1] 靳紅玲，陳雨，張軍昌，等. 虛實結合技術在汽車變速箱拆裝實踐中的應用研究[J]. 教育教學論壇，2019（09）：143-144.

[2] 王進仕，趙媛媛，種道彤，嚴俊杰. 火電機組虛擬仿真實驗教學的建設與實踐[J]. 高等工程教育研究，2019（S1）：201-203+210.

[3] 高波，劉志明，霍凱，等. 基于虛擬仿真的高速動車組檢修工藝實驗教學系統開發[J]. 實驗技術與管理，2020，37（03）：139-142.

[4] 趙建立，程菲，李英杰，等. 能源與動力工程專業虛擬仿真型生產實習教學模式研究[J]. 教育教學論壇，2020（12）：41-42.

（責任編輯：胡甜甜）