鍋爐原理專業課虛擬實驗系統

摘要：鍋爐原理是能源動力類專業主要專業課之一，但鍋爐因系統龐大復雜與安全原因，很難設置實驗讓學生在學習過程中得到身臨其境的手操機會，約束了專業教學課堂效果。鍋爐原理專業課虛擬實驗考核系統開發了鍋爐實際運行中的設備啟停、正常參數調節及系統事故判斷處理等環節，使學生體會到鍋爐原理理論知識在設備運行中的具體實現過程，對新工科教學中的能力培養環節有重要的教學實際意義，同時對能源動力專業課教學有著很好的教學示范作用。

關鍵詞：鍋爐原理；虛擬實驗；專業課教學

中圖分類號：G434文獻標識碼：A

工科專業涉及面很廣，其中許多專業工業系統復雜（例如火力發電過程）、危險系數大（核發電過程）等，專業教學中無法開設實驗課程。同時生產實習環節也因生產單位顧忌安全問題，不給學生接近生產設備，導致一方面專業教學效果與生產實踐需求偏差較大，而另一方面科技發展對工科學生專業知識要求卻越來越高，使得目前純課堂的理論教學效果離實際較遠，這是許多專業課教學的痛點之一。

目前國家對專業課教學非常重視，其中對虛擬仿真實驗教學項目進行了國家層面教育頂層設計。教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知（教高函〔2018〕5號）中指出，“國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措”［1］。教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》認為，“以教育信息化帶動教育現代化，破解制約我國教育發展的難題，促進教育的創新與變革，是加快從教育大國向教育強國邁進的重大戰略抉擇”［2］。

在很多領域，可通過虛擬技術來模擬真實情況，來加深學生的理解，提高教學效果，虛擬仿真技術正越來越多地運用于教學與考核領域。李末等［3］、蔣春朗等［4］結合數據庫管理、虛擬仿真等技術研究開發了起重機仿真操作、理論知識訓練和考核于一體的汽車起重機操作訓練考核系統，提高了操作訓練安全性，提高了培訓效率和質量。闞澤文等［5］研發了基于醫學影像虛擬仿真平臺系統，建立了影像斷層解剖學題庫，顯著提高了學生課程學習效率與滿意度。張桂臣［6］和李錦偉等［7］分別將虛擬仿真技術用于船舶電站和虛擬儀器的實操等領域，建立了技能測評、智能化與網絡考試相結合系統。

本文研發的鍋爐原理專業課虛擬實驗考核系統鍋爐通過對實際鍋爐系統的設備啟停、正常參數調節及系統事故判斷處理等環節虛擬操作，把鍋爐原理的眾多知識點加入虛擬實驗環節，通過系統與人的交互學習方式，不但讓學生對于鍋爐系統的認識更加真實感性，也學生加深了對于鍋爐原理知識的理解與鞏固。

1 技術手段

本系統的開發運用計算機技術、互聯網技術、流媒體技術和虛擬仿真技術，具體技術手段如下：

（1）采用互聯網數據交換技術，實現教務管理、在線考試一條“流水線”的工作在統一的系統平臺運行；

（2）采用Java技術架構；

（3）采用專業數據庫及服務中間件設計，使系統具有很強的可移植性，可在多種主機、網絡和操作系統環境下工作，并具有很強的開放性，便于后期維護；

（4）采用基于WEB瀏覽器的B/S（Browse/Server，瀏覽器/服務器）模式，采用京信公司基于JAVA語言在SSH架構基礎上進行二次封裝提升后的jtframework框架，提高系統的擴展性和安全性。數據庫則采用目前廣泛使用的免費數據庫工具：Mysql5.5。系統部署方便，維護簡單。

為基于J2EE標準開發的Java Web項目，具備較好的安全性、跨平臺性、可移植性、易擴展性、易維護性。為了充分滿足本平臺軟件在安全性、跨平臺性、可移植性、易擴展性、易維護性等方面的要求，軟件系統采用基于J2EE 5.0標準規范技術體系的大型分布式應用，并嚴格遵從開發標準。

本項目的平臺軟件構建于B/S三層應用體系結構之上，采用Struts2、Hibernate3、和Spring2等國際流行和成熟的技術框架，使用JSP、Servlet、EJB、XML等編程技術和面向對象程序設計方法，將復雜的業務邏輯、流程控制邏輯和數據存取邏輯通過在不同的技術層面上實現，在應用服務器之上，實現業務邏輯的快速部署和靈活調整，充分保證數據庫系統的安全可靠訪問。在B/S三層應用體系結構之上，采用了高重用、低耦合的MVC設計模式，通過前后端分離的模式進行開發，極大降低了前后端的耦合度，使復用性、可拓展性、開發效率都得到了極大的提升。前端使用簡潔、易上手的Vue框架，開發效率高、訪問速度快，極大提升用戶的體驗。后端則是使用成熟的SSH框架（Struts、Hibernate和Spring框架），具備了較強的可拓展性、可移植性，開發效率高。服務器選用免費、體積小、部署方便的Tomcat服務器，完全滿足使用場景需求。數據庫則是采用了體積小、速度快、成本低、維護成本小、開放源碼的小型關系型數據庫MySQL。技術架構圖如圖1所示。

系統同時支持ORACLE、SQLSERVER、SYBASE、DB2等各種大型的主流關系型數據庫，同時支持Windows、國產Linux及Unix等各種操作系統。

2 系統功能架構

鍋爐原理專業課虛擬實驗考核系統功能架構如圖2所示，主要分為管理子系統和考核子系統兩個大塊。管理子系統主要負責用戶數據及權限、數據庫的管理，而考核子系統則主要負責鍋爐原理虛擬實驗的模塊庫、模塊組合、考試的管理以及學生的考核和練習。

系統根據權限將用戶劃分為超級管理員、教師以及普通學生。通過管理子系統，超級管理員可以對教師以及學生進行管理，同時對系統的數據庫進行備份、還原等操作。為保證用戶數據不造成不可逆影響，數據庫操作均以日志形式作記錄，并使用停用功能代替簡單的刪除。管理子系統主要對監考教師開放班級管理、學生管理等功能，對學生權限則不開放。通過考核子系統，超級管理員可以對題庫進行管理、考核進行安排。教師則可以進行一些考核相關的工作，也可以對自己班級的學生布置一些練習題進行模擬練習。學生用戶則通過登錄考核子系統進行規定時間的考核和平時的練習，并可進行考核成績的查詢、自身信息的一部分修改。考試時序圖如圖3所示。虛擬實驗系統的考試程序做了如下關鍵設計：

（1）系統前端關鍵處理邏輯文件全部進行了高級加密處理，此算法不可逆；

（2）如考試途中出現意外情況導致考試無法進行，考生重新進入系統后，監考員可通過監考員首頁菜單，將相應的考試狀態設置為“重新考試”，考生可進行重新考試；

（3）項目中的考核模塊，嚴格按照教師給出的題目模型，按教學需要并貼合實際。

3 虛擬實驗模塊庫

虛擬實驗題庫使用Web前端技術（如Vue框架等）進行鍋爐系統與設備運行情況的模擬，通過與鍋爐技術方面專家交流后進行設計，最終開發而成。鍋爐原理考核實操題庫模擬真實的實操環境，滿足鍋爐原理學生的不同知識點，可根據實際需求指定各選擇模塊以及設定分值規則來生成考核要求。系統針對目前的電站鍋爐的發展情況，分別開發了汽包鍋爐和直流鍋爐模塊，同時依據鍋爐運行的場景設置了系統啟動、系統停運以及正常參數調整等模塊。

以鍋爐正常停爐操作模塊為例，虛擬實驗首先設置為具體某一個類型鍋爐，例如300MW自然循環鍋爐，然后按鍋爐設置具體的包括燃燒調節系統、鍋爐汽水系統和制粉系統等，進而設置不同工況的系統運行參數，這些系統與參數都通過流程圖來顯示。流程圖除了展現各系統及其流程與參數之外，還提供了眾多的閥門、電機等設備的操作按鈕，整個操作的過程通過鍋爐原理的科學模型完成計算，并在流程圖的相關設備位置正確顯示運行參數，讓學生在操作過程中理解并掌握鍋爐設備工作的原理。本操作模塊中，學生可以完成鍋爐停爐前準備、鍋爐減負荷至停爐的實驗操作。停爐是通過減少燃料的投入，投入能源的不斷減少使得蒸汽參數汽溫、汽壓不斷降低，而實際由于金屬材料安全的要求必須嚴格控制蒸汽下降的速率，實驗操作過程中繪制了一條鍋爐標準的停爐參數曲線，學生實驗操作過程的參數也會通過自動記錄繪制出一條實際曲線，學生理想的操作會使實際曲線與標準曲線盡量重合，但學生誤操作或者操作調整幅度過大或過小，都會使實際曲線與標準曲線產生較大的偏離。每個實驗模塊中都有一個評分子模塊，來評價學生的操作水平，標準子模塊自動依據學生在虛擬實驗操作中的操作步驟、運行參數（如汽溫、汽壓、水位、氧量等）以及實際操作曲線與標準曲線誤差來判定效果，并給出一個評分來反饋實驗的過程。

虛擬實驗中還設置了鍋爐事故模塊，與正常操作不同，虛擬實驗的事故模塊首先要求學生根據事故現象判斷事故類型，在通過事故現象判斷的理論測試之后，才可以進入事故處理操作環節，操作過程中后臺會同時記錄學生的理論測試和操作步驟，并通過評分子模塊對其進行相應的評判，在操作結束后統計總得分，并將得分和扣分項目顯示出來。

結語

目前對于鍋爐原理的教學一般是通過書本授課與參觀實習方式學習，對實際的鍋爐以及電廠運行知之甚少，學生對所學的知識會感到抽象，有關鍋爐原理的知識學習效果不佳。本文研究開發的鍋爐原理專業課虛擬實驗系統采用數值虛擬仿真方法，改變了教室為主的授課教學方式，取而代之的是以學生為主體、人機互動的學習方式，充分發揮學生的學習積極性和能動性，激發了學生的學習熱情和參與度，達到了較好的教學效果。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》［EB/OL］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t201806 07_338713.html（2018-6-5）.

［2］中華人民共和國教育部.《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》［EB/OL］，https：//laws.ict.edu.cn/laws/new/n20120404_4727.shtml（2012-4-4）.

［3］李末，蔣春朗，梁友國.汽車起重機操作訓練考核系統［J］.起重運輸機械，2021（24）：43-48.

［4］蔣春朗，鄭亞輝，李末，等.起重機吊裝考核系統的設計與應用［J］.工業控制計算機，2021，34（12）：29-31.

［5］闞澤文，孫羽，王巧麗.虛擬仿真考核系統在影像斷層解剖學考核中的應用研究［J］.現代醫藥衛生，2022，38（9）：1598-1600.

［6］張桂臣.船舶電站實操考試自動評分系統的設計與實現［J］.中國航海，2010，33（3）：27-30.

［7］李錦偉，戎成.在線實操過程化智能網絡考試系統研究與開發［J］.浙江交通職業技術學院學報，2010，11（4）：44-46.

作者簡介：樓波（1965—），男，浙江義烏人，工學博士，副教授，從事鍋爐原理教學與研究。