“新工科”背景下的電氣專業(yè)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(fā)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(yè)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(yè)密切結合專業(yè)特點及地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，將虛擬仿真實驗引入專業(yè)教學中，取得了良好的效果。

一、電氣專業(yè)特點

電氣專業(yè)強弱電結合、軟硬件結合，專業(yè)畢業(yè)就業(yè)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(yè)。該專業(yè)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(yè)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(yè)學生動手、創(chuàng)新等綜合能力的培養(yǎng)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(yè)分為電力系統(tǒng)、工業(yè)控制兩大方向，旨在培養(yǎng)具備電氣工程及其自動化專業(yè)基本思想、基本理論、基本技術，能在工礦企業(yè)、電力生產(chǎn)、電器產(chǎn)品研制、電力網(wǎng)等部門從事生產(chǎn)技術管理、新產(chǎn)品研發(fā)、專業(yè)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(tǒng)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(xiàn)場完全一樣的電力實驗系統(tǒng)。工業(yè)控制系統(tǒng)復雜且危險性高，學生雖然可以通過專業(yè)見習和生產(chǎn)實習了解一些控制系統(tǒng)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(jīng)驗積累。學院實驗室雖然可以實現(xiàn)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(yè)時所獲得的能力與社會需求相差甚遠。因此，在新工業(yè)革命的大背景下，電氣專業(yè)這樣的傳統(tǒng)工科專業(yè)應如何改革，如何培養(yǎng)全面適應未來新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟發(fā)展的應用型工程科技人才，是專業(yè)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(yè)人才培養(yǎng)要求

“新工科”建設強調產(chǎn)教融合，強調系統(tǒng)地培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(jīng)驗、一定的崗位技能，能夠應用所學專業(yè)知識解決企業(yè)生產(chǎn)中常見的技術問題。因此，地方院校應鼓勵學生參加工程創(chuàng)新項目開發(fā)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(yǎng)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(yè)基礎知識、基本實驗技能、人文素養(yǎng)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(fā)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(yè)生產(chǎn)，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(fā)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(chuàng)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(yè)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(yè)教師需求，以及高電壓的危險性，使得學生的企業(yè)實踐教學課程也只能以參觀為主。因此，如何進行電氣專業(yè)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(fā)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(yè)應用型人才培養(yǎng)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(wǎng)絡技術和虛擬現(xiàn)實等技術通過構建逼真的實驗環(huán)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(tǒng)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(tǒng)中可實現(xiàn)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(chuàng)新意識能夠得到很好的訓練，也能積累一定的實踐經(jīng)驗。

基于計算機網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡等環(huán)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(tǒng)，訓練各種儀器、儀表及工具的使用方法。計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力遠非實際系統(tǒng)可比，它可將所有數(shù)據(jù)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(huán)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(tǒng)實驗項目幾乎無法實現(xiàn)的。虛擬實驗可以幫助學生全面理解和掌握專業(yè)知識，大大激發(fā)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?yōu)橹鲃訉W習提供了一條可行的途徑。

（二）電氣專業(yè)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(xiàn)在逐漸普及投影、大尺寸LED 屏、多媒體電視、CAVE 系統(tǒng)、3D 大屏幕、VR 頭盔、AR 頭盔等。作為虛擬仿真實驗結果的呈現(xiàn)設備，顯示裝置顯現(xiàn)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(fā)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(fā)展，又出現(xiàn)了3D 掃描儀、語音識別技術、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)字交換機、路由器、音視頻切換矩陣、監(jiān)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(tǒng)軟件等。實驗管理軟件保證虛擬仿真教學信息網(wǎng)能接入院校綜合管理信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)教育教學資源的分配、師資力量的調配，統(tǒng)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(jù)各課程的教學特色和要求，通過虛擬系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)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(tǒng)Win10、數(shù)據(jù)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(jù)課程體系可分為基礎課程實驗、專業(yè)課程實驗、工程項目實訓。基礎課程實驗一般采用大作業(yè)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(yè)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(xiàn)場參觀和仿真實訓，如利用虛擬變電站培訓系統(tǒng)、電力實訓項目仿真軟件，引導工業(yè)控制方向學生進行現(xiàn)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(xù)發(fā)展和有限資源的協(xié)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(yè)教研室完成，項目的申報一定要結合本專業(yè)的實際應用情況。項目分為專業(yè)必修的實訓項目和課外大學生創(chuàng)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(yè)背景的實際問題，根據(jù)教學內容以及課程之間的內在聯(lián)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(yè)所需的教學知識點，同時兼顧體現(xiàn)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?zhèn)浣虒W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(yǎng)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(fā)新項目，結合社會需求不斷更新訓練計劃，共享教學經(jīng)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(tài)機制，設立實驗室創(chuàng)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(yè)生崗位工作情況及建立必要的信息反饋機制，要根據(jù)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(fā)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(tǒng)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(guī)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(tǒng)實驗教學條件不能實現(xiàn)的問題，或者解決高危、高消耗、高成本、不可逆操作、極端環(huán)境、大型綜合訓練項目等的訓練問題。要圍繞學生就業(yè)需求導向，密切結合企業(yè)生產(chǎn)需求以及專業(yè)特點，緊跟行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和專業(yè)發(fā)展的最新成果，嚴防知識、技術訓練與時代發(fā)展脫節(jié)。可以聯(lián)合企業(yè)建立完善的校企合作制度，引入企業(yè)工程師參與到教學中來，將企業(yè)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(yǎng)學生的工程意識、安全意識和工程應用能力。要充分利用現(xiàn)代信息優(yōu)勢，不斷加強網(wǎng)絡化條件下的虛擬實驗教學規(guī)律研究，充分利用和整合各種資源，持續(xù)探索提高實驗教學效果的教學方式方法。