新工科下虛擬仿真技術平臺ぴ詰縉類專業中的應用探討

楊京渝 彭麗 蔡振華

摘要：基于新工科建設理念，虛擬仿真平臺的建設是解決電氣類專業實踐教學面臨諸多問題的一個必然趨勢。該文首先對電氣專業在實踐教學中存在的問題進行了分析;然后論述了虛擬仿真技術在實踐教學中的重要性;最后，在滿足高校新工科建設背景下，探討了適應于電氣類專業的虛擬仿真實踐教學體系的建設及實踐教學模式的改革。通過虛擬仿真實踐教學體系的構建與改革，從而提高學生工程實踐能力和科研創新能力。

關鍵詞：新工科;電氣工程;實踐教學;虛擬仿真

在新工科和工程教育認證背景下，高等學對學生工程實踐能力和科技創新能力的要求也隨之不斷提高，特別是針對理工科專業尤為突出。如何在面向未來的新工科視域下探索實踐教學模式的創新，培養滿足新經濟和產業所需的新型工程技術人才，已成為各高校新工科建設和教育改革的重點內容。而電氣類專業作為其中極其重要的一個學科門類，將在電網向能源互聯網升級，促進能源清潔低碳轉型，助力實現碳達峰、碳中和目標的任務中發揮舉足輕重的作用。為培養具有基礎扎實、產業認知、多學科交叉背景的復合型電力人才，對電氣專業的既有的實踐教學模式提出了諸多新的問題和挑戰。

基于虛擬仿真技術實驗教學方法已經成為不可或缺的實驗教學手段，但由于其教學模式、教學體系和教學內容還不夠成熟，也導致了諸如各虛擬仿真實驗系統獨立分散、重復開發和資源浪費等弊端。為此，文章對虛擬仿真技術在電氣類專業實踐教學中的重要性、存在的問題、實驗平臺的建設和教學方法的改革進行了探討。從而逐步優化實踐教學體系，構建多層次、遞進式、模塊化的電氣類專業高質量的虛擬仿真教學資源。

1新工科下電氣專業在實踐教學中存在的問題

1.1實踐教學內容及條件有待更新完善

電氣專業對實踐能力要求較強，因此實踐教學必須占據重要的地位。但目前，絕大多數高校存在對實驗教學的關注度偏低、實驗教學課時不足、實踐教學缺乏嚴格的管理、沒有合理的實踐教學評價等問題。使學生形成一種重理論輕實驗的思想意識，直接影響實驗教學效果。同時，由于受限于實驗裝置，在實際操作中常出現實驗內容與課程理論知識不匹配，從而導致實驗教學內容的重復、脫節。現有的教學資源難以滿足未來電力工業智能化的發展趨勢。

1.2實踐教學體系及評價不完善

電氣類專業實驗室的建設具有種類多、價格昂貴、高消耗、系統龐大復雜等特點，所以各高校均聚焦于電力行業的某個特定系統進行實驗室建設，不能完整的體現電力系統從發電、變電、輸電、配電到用電的全過程。傳統的實驗教學一般只包括基礎實驗課程和綜合實驗課程，很多創新實驗如微電網、新能源發電、儲能等研究熱點實驗還未建設。因此，現有電氣專業實踐教學體系不能滿足未來國家和區域發展的重大戰略需求。同時，實踐教學缺乏教學標準、管理制度及考核標準，未立完善的實踐教學評價體系，學生主動實踐熱情未能得到激發。

1.3校企合作有待加強

目前，大多數校企合作模式存在諸多問題，如合作對象單一化、教育內容陳舊等，同時，也缺乏相應的建設標準、監督標準、評價標準等。許多校企合作處于游離狀態，使用率比較低，產教融合及創新成果的應用和轉化效果不理想。

2新工科下虛擬仿真平臺在實踐教學中的重要性

2.1能完善實驗教學課程體系

電氣類專業實踐課程由于實驗設備價格非常昂貴以及教學環境危險，安全系數低等因素的制約，故傳統的實驗教學一般只包括基礎實驗課程和綜合實驗課程。基礎實驗課程主要涵蓋如《電路》《工程電磁場》《電機學》等專業基礎課程，達到夯實學科、專業基礎知識的目的;綜合實驗課程主要涵蓋如《電力系統穩態分析》《電力系統暫態分析》《電力系統繼電保護原理》《高電壓技術》《電力電子技術》《電氣控制與PLC》等電氣專業核心課程，達到培養工程實踐能力的目標。但很多創新實驗如微電網、新能源發電、儲能等研究熱點實驗卻無法完成，制約了學生主動開展實踐創新的觀念和意識。通過虛擬仿真實驗，可構建完整的“基礎實驗綜合實驗創新實驗”實踐體系，保證實驗項目的先進性與創新性，使學生能更好地理解專業知識，接軌行業熱點，促進學生綜合能力提升。

2.2能實現資源的有效共享

虛擬仿真平臺的各類仿真實驗可以基于互聯網技術，能更好地實現資源的有效共享。一方面，學生可以不受實驗條件的限制，可隨時隨地進行相關實驗;另一方面各兄弟院校可相互提供更加完善的教學資源，共同挖掘并且開發優秀的教學資源。同時，可以助推校企合作，共建共享優質資源，構建科學系統的虛擬仿真教學環境和實踐教學培養體系。

2.3能靈活調整教學環節

利用虛擬仿真教學平臺能很好地解決傳統教學實驗內容的局限性，完成傳統教學中部分實驗項目無法實現的目標。一是通過虛擬仿真平臺，可為學生提供安全可靠的實驗內容及實驗環節，有效避免實際操作可能引發的觸電、著火等安全隱患，提升了實驗的安全指數;二是教師和學生可靈活地選擇和調整實驗內容，學生根據自身的實際需求、實際能力以及興趣愛好來學習，提升自己的學習能力;三是通過虛擬仿真，可以近距離的觀察到如設備的動作過程和實驗過程，比如斷路器的動作過程及滅弧過程、放電原理及過程等，使學生能全面掌握電氣專業的相關專業知識。

2.4能激發學生的學習興趣

通過虛擬仿真實驗，一是可以將重點、難點、抽象的專業知識通過仿真技術更好地展示在學生面前，很好地將理論與實踐相結合，使學生更容易理解和接受;二是極大解決了實踐與安全之間的矛盾，通過虛擬仿真完全避免了危險系數比較大及實驗設備昂貴等問題，讓學生放心大膽地進行實踐動手操作;三是VR虛擬技術具有沉浸感、交互性、構想性等典型特征，使學生全身心地投入虛擬現實中去，真實看到實際運行的電力設備和狀態，獲得身臨其境的感覺，增強了教學效果，激發了學生的記憶力、創造能力。