虛擬仿真實驗助力高校能源與動力工程專業人才培養的探索

［摘 要］能源與動力工程專業旨在為能源應用及環境保護領域培養基礎實、能力強、素質高的具有創新創業精神的應用型高級復合專門人才，設置制冷、熱電、能環等方向。實驗的多樣性及復雜性使培養方案的制訂及實踐面臨一定的挑戰。虛擬仿真技術的應用重點為解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難的問題，如涉及高?；驑O端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。文章揭示了虛擬仿真實驗的內涵和意義，強調其在實現能源與動力工程專業教學目標過程中的作用，提出將虛擬仿真技術融入課程實驗、融入實驗周的實驗、助力專業實踐等夯實人才培養質量的環節。在部分高校實驗條件有待提高和完善的背景下，虛擬仿真實驗可提高學生的學習興趣，完成專業教學任務。

［關鍵詞］虛擬仿真實驗；能源與動力工程專業；人才培養；交互操作；三維

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）15-0126-05

隨著科技的不斷進步，虛擬仿真實驗在教育領域的應用日益廣泛。搭建一個有效的虛擬仿真實驗教學體系，對于提升學生的實踐能力、創新思維和解決實際問題的能力具有重要意義。

為進一步滿足實際教育的需求，培養更多創新型人才，國內高校掀起了積極探索線上線下教學相結合的虛擬實驗教學新模式——虛擬仿真教學項目的熱潮。近年來，虛擬仿真教學已經在多所高校多學科領域的教學及實踐中得到應用，以實現課程與實踐教學目標。河海大學虛擬仿真教學實驗室的建設，可在學生進行抽象力學實驗時輔以大量的背景學資源，不僅增強學生對實驗項目和相關知識的理解，而且提高學生的學習興趣和創新思維[1]。三維虛擬仿真教學系統3Dbody在系統解剖學實驗教學中，數字化虛擬人體以計算機數字化操作平臺為基礎，將大量真實人體斷面數據信息在計算機里整合重建成人體的三維立體結構圖像，使解剖操作延伸到課堂之外，豐富了教學資源，提高了教學效率[2]。南京工業職業技術學院以工業機器人實訓課程教學方法為研究對象，提出基于虛擬仿真技術的工業機器人實訓課程的教學方案[3]。實踐證明，虛擬仿真實驗有效解決了學生數量多而實訓設備不足的矛盾，大大提高了實訓教學效率。為了解決醫學影像設備在教學中存在的原理抽象、教學成本高等問題，齊現英等人提出了開發醫學影像設備虛擬仿真教學系統的方案。該系統通過形象生動的操作畫面，真實地模擬了程控 X 線機的工作原理和操作過程，使理論授課和實驗教學完美融合[4]。江蘇大學車輛工程虛擬仿真實驗教學中心的平臺建設，實現了大量并行用戶快速下載及構建渲染動態場景，確保學生與場景互動的即時性，具有直觀立體、真實互動的效果，為車輛工程專業的實踐教學和創新型人才培養提供新的模式和理念[5]。哈爾濱工程大學利用虛擬仿真實驗教學的優勢，結合國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，解決了制約能源動力類專業實驗教學發展的一些難題，有利于提高學生的創新意識和自主實驗能力[6]。

本文將圍繞虛擬仿真技術融入專業課程實驗、融入實驗周實驗和助力專業實踐，研究虛擬仿真實驗在能源與動力工程專業人才培養的實驗實踐環節所起的作用，分析虛擬環境中的交互式操作，使學生更深入地理解實驗原理，從而培養學生的操作技能，使學生能夠在虛擬環境中獲得與傳統實驗相近的體驗感。

一、虛擬仿真實驗的內涵及意義

虛擬仿真實驗指在計算機系統中，采用虛擬現實技術營造的各種虛擬實驗環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。

能源與動力工程專業主要研究能源的高效轉換、清潔利用和環境保護，包括傳統能源利用和新能源開發，以及相關系統與設備的設計、研發、生產和運維。該專業具有范圍廣、方向多的特點，可為能源應用及環境保護領域培養基礎實、能力強、素質高的具有創新創業精神的應用型高級復合專門人才，更好地為地方經濟建設與行業產業發展服務。教學設計的部分實驗不具備實際條件或實際運行困難，涉及高危或極端環境，面臨高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。通過虛擬環境中的交互式操作，學生能夠更深入地理解實驗原理，培養實際動手操作的技能，能夠在虛擬環境中獲得與傳統實驗相近的體驗感。該教學方式旨在克服傳統實驗教學中的一些限制，如設備受限、安全隱患等，給學生提供真實的實驗體驗。虛擬仿真實驗重點實行基于問題、案例的互動式、研討式教學，倡導自主式、合作式、探究式學習；注重通過文字、圖片、視頻等媒介，促進教學準備、線上討論、線下交流；加強網絡化條件下實驗教學規律的研究，探索提升實驗教學效果的方式和方法。

虛擬仿真實驗在功能上主要有漫游實驗和操作實驗，用戶可以在三維場景中漫游和交互操作，觀察設備的外觀和工藝過程連接關系。仿真實驗可通過三維仿真建模，以1∶1比例還原真實場景的場景布置、主要設備放置、系統連接形式、設備連接形式、管道連接方式等。仿真平臺的功能以場景漫游、系統原理學習、設備原理學習、原理動畫、曲線實驗為主，將系統和部分設備的工藝及結構原理等知識點融入該軟件中。

二、將虛擬仿真技術融入課程實驗

能源與動力工程專業的專業課實驗有汽輪機實驗、鍋爐綜合實驗、制冷壓縮機綜合性實驗、冷庫制冷技術綜合性實驗、能源環境綜合實驗、地埋管換熱與土壤熱物性測量綜合實驗等。實驗內容多，且部分實驗缺乏實際操作的條件，不利于人才培養目標的實現。針對課程實驗內容，圍繞實驗的教學目標，通過計算機技術和虛擬現實技術將實驗室中的實驗過程模擬出來，讓學生在虛擬環境中進行實驗操作，實現教學目的。

（一）將虛擬仿真技術融入課程實驗的作用

將虛擬仿真技術融入課程實驗有四個方面的作用。一是消除實驗中的危險因素和實驗條件的限制，降低實驗成本和節約實驗時間。二是通過建立虛擬仿真實驗平臺，實現教學資源共享，學生可更加便捷地獲得資源。三是可以克服實驗條件的不足，豐富實驗內容，提高學生的實驗技能和實驗操作能力。四是助力課程實驗的開展，提高學生的實驗興趣和學習效果。

（二）以汽輪機噴嘴和級組變工況特性實驗為例，將虛擬仿真技術融入課程實驗

以汽輪機噴嘴和級組變工況特性實驗為例，若采用實際操作，難以掌握蒸汽在不同噴嘴中的流動特性，完成實驗的難度較大。實驗對機組的質量和操作要求較高，實際條件難以滿足。因此，可通過虛擬仿真平臺完成實驗過程。實驗內容包括蒸汽在縮放噴嘴、漸縮噴嘴中的流動特性實驗和凝汽式級組、背壓式級組的變工況特性實驗。實驗操作包括：

1. 蒸汽在不同噴嘴中流動特性實驗

在實驗界面中點擊按鈕“原理動畫”，可播放動畫視頻“氣流參數與通道截面關系”。繪制不同噴嘴壓力與流量變工況曲線，做出定性解釋。

2. 凝汽式級組變工況特性實驗

在實驗界面中點擊按鈕“級的原理”和“三維結構”，可播放相關動畫視頻，驗證變工況下凝汽式級組壓力和流量的關系、中間各級壓比、焓降的變化規律。

3. 背壓式級組變工況特性實驗

在實驗界面中點擊按鈕“級的原理”和“三維結構”，可播放相關動畫視頻，驗證背壓式級組弗留格爾公式、背壓式級組變工況下各級焓降的變化規律。實驗操作與曲線繪制如圖1所示。

與傳統結構實驗不同，汽輪機虛擬實驗在上課方式和理論知識掌握程度上對學生都具有更高的要求，要求學生在掌握汽輪機相關理論知識的基礎上獨自上機操作完成相關實驗。學生的課程實驗記錄表和實驗報告如圖2所示。

（三）虛擬仿真技術融入課程實驗的效果

當虛擬仿真技術融入課程實驗后，學生可以借助虛擬仿真實訓平臺在虛擬環境中進行實訓操作，加深對理論知識的理解和掌握，這提高了學生的學習效果，尤其是專業課的學習效果提高得特別明顯。真實實驗平臺的搭建需要一定額度的投資，且傳統的教學需要大量的設備和場地，而虛擬仿真實驗在發揮實驗教學作用的同時，降低了教學成本，提高了教學效率。虛擬仿真技術為學生提供了較多的實訓機會和創新空間，提高了學生的實訓學習能力和創新能力。經過調查統計可知，借助虛擬仿真實驗平臺，教師可以及時了解學生的學習情況和需求，從而及時調整教學策略和方法，提高教學質量和效率。更重要的是，虛擬仿真技術的應用減少了部分學校因實訓設備缺少導致學生培養效果參差不齊的問題，同時促進了教育的公平。

三、將虛擬仿真技術融入實驗周的實驗

以山東建筑大學能源與動力工程專業的實驗周為例，該實驗周設置在大學四年級的上學期，時間段為7天（一周），設置若干個核心課程的專業實驗。實驗周是圍繞專業的培養目標，針對中冷器工作過程、不同供液流程和融霜過程及高壓貯液器工作過程、溴化鋰吸收式制冷過程、鍋爐供暖流程、汽輪機噴嘴和級組變工況特性、火電廠設備及系統操作等而設置，是能源與動力工程專業學生的綜合實驗環節。通過綜合實驗周的操作及學習，使學生系統地掌握設備構成、參數檢測、狀態監測、運行控制的實際使用和操作，提高學生綜合應用專業知識解決實際問題的能力，為學生日后從事專業系統的設計、研發、運行等方面的工作奠定必要的技術基礎。

綜合實驗周的實驗內容豐富且復雜，在有限的時間段內完成較多的實驗對實驗設備、實驗室等條件的要求較高。虛擬仿真技術的介入可以幫助使用者迅速掌握實驗內容、方便操作，達到具體目標和要求。綜合實驗周若僅依靠實際實驗條件，涉及耗材多、用電量大和安全問題。虛擬實驗的應用既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至得出滿意結果，改變了傳統實驗的教學模式，有效地解決了實驗條件不足與實驗效果差之間的矛盾。

在實驗周的實驗開展過程中，虛擬仿真實驗與實際操作實驗交叉進行，部分實驗可以由虛擬操作與實際操作共同完成。經過虛擬仿真技術的融入，首先，實驗課程推廣范圍不斷擴大。山東建筑大學能源與動力工程專業加入教育部虛擬仿真實驗教學創新聯盟，多次與業內知名專家匯報交流，并根據專家意見和建議對虛擬仿真平臺進行完善升級，在平臺建設期內參加聯盟論壇會議交流匯報2次，參加虛擬仿真一流課程培訓1次。其次，課程內容不斷豐富完善。立足能源與動力工程專業特色和理論教學重點與難點，不斷挖掘專業課程的虛實結合點，仿真內容不斷豐富，使學生能夠更加全面、真實、直觀地學習設備和系統的結構特征、運行原理。最后，課程建設不斷發展完善。自虛擬仿真有效應用于實驗周以來，課程內涵建設不斷完善，能源與動力工程專業獲批虛擬仿真實驗教學創新聯盟首批實驗教學優質創新課程培育項目。

四、虛擬仿真技術助力學生專業實踐

針對部分主干課程的實踐環節難以進行實際操作、無法提高學生的實踐能力的問題，課題組將虛擬仿真平臺引入學生專業實踐環節，包括系統選擇、設備選型、操作流程、圖線繪制等環節。通過虛擬實踐教學平臺，將復雜的理論知識嵌入立體場景，學生可通過鼠標和鍵盤在設備和管道中穿梭，獲得身臨其境的學習體驗；通過簡單操作，將系統變化直觀地呈現于顯示界面，良好的人機交互體驗增強了學習的趣味性，解決了傳統教學中實踐操作與理論知識講解分離的問題；通過在三維場景中漫游，幫助學生進一步熟悉專業基礎知識、了解設備運行環境、提高實踐能力。由此可知，虛擬仿真技術可助力學生專業實踐，結合實際操作使學生順利完成認識實習、生產實習和畢業實習的任務。

（一）虛擬仿真技術助力專業實踐的具體做法

第一，在新冠疫情期間，無法保證線下正常教學實踐的情況下，虛擬仿真技術可以幫助學生迅速掌握實驗研究本身和達到實驗研究的具體目標和要求。學生可以通過電腦的虛擬環境操作，實現線上實踐，這為專業實踐提供了強有力的支持。

第二，構建虛實結合的實踐體系，激發學生的內驅力，實現學科專業群之間的交叉融合、教學與科研的有機融合、校企合作的深度融合、虛擬與現實的互補融合。

第三，多層次、多模塊、多項目的實踐教學，且模塊和項目由不同的設備及系統組成。通過虛擬仿真平臺的使用，學生可以使用不同模塊和項目，既實現了資源共享，突出了專業特色，又增強了實踐教學內容與課堂教學的吻合度，匹配了社會需求對人才培養的需求。

（二）虛擬實踐的案例介紹

三維中虛擬圖形與現實世界的各個事物的相對比例一致，具有真實性、沉浸性、交互性等特點，可以虛擬再現生產場景，幫助學生觀察不同工況下系統內工質流動現象，清晰直觀地掌握設備的基本結構，了解設備與關聯設備的物理邏輯關系，彌補實際實踐環節中內容的不足，加深學生對設備工作原理及結構的認知。以電廠的虛擬實踐為例，課題組以超臨界大型電機組為原型，通過三維虛擬仿真技術，實現對超超臨界電站全廠場景的逼真模擬，功能主要包括電廠介紹、電廠漫游、個性化學習、設備拆裝、系統原理、電廠巡檢、文化課考試和模擬操作，其三維視角可以加深學生對火電廠平面布置、設備結構及工作原理、系統構成及工作流程的理解，滿足學生對電廠設備及系統認知、巡檢、拆裝及機組運行時部分DCS操作的需求，可用于專業課程認識實習及生產實習等實踐教學活動。通過電廠的虛擬實踐，學生如同進入真實的電廠場景進行漫游、巡視、學習和考試等，從而掌握專業實踐的內容，實現實踐目標。虛擬仿真實踐的相關圖片如圖3所示。

虛擬仿真應用于專業實踐環節，豐富了實踐的內容和方式，提供了安全的實踐環境。能源與動力工程專業實踐現場的環境復雜多變，難以保證實踐教學的質量和安全，而虛擬仿真技術可以模擬出各種實踐教學場景，如電廠、冷庫等，讓學生在虛擬環境中進行實踐操作和觀察，避免了潛在的風險和危險，保護了學生的安全。此外，虛擬仿真技術允許教師結合教學目標、學生的實際水平和需求來設計和控制實踐環境，通過調整虛擬環境的參數和場景，讓學生在不同的情境中進行實踐操作，提高學習的針對性和效果。

五、結論

虛擬仿真具有開放性高、逼真性強、可交互性多樣、多維度程度高等特點。依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，模擬真實場景和情境，打破時間和空間的限制，引導學生在虛擬的、安全的環境中開展實驗，從而激發學生的學習興趣，加強對知識的理解，提高教學效果，助力高校能源與動力工程專業人才培養提升質量。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 雷冬，朱飛鵬，殷德順，等.力學虛擬仿真教學實驗室建設的探討[J].實驗技術與管理，2014，31（12）：95-96.

[2] 吳天秀，符華春，蔡潔.三維虛擬仿真教學系統3Dbody在系統解剖學實驗教學中的應用體會[J].解剖學雜志，2020，43（1）：77-79.

[3] 郝翠霞，葉暉.工業機器人實訓課程的虛擬仿真教學研究[J].實驗技術與管理，2018，35（6）：144-146.

[4] 齊現英，魯雯，韓豐談， 等.虛擬仿真教學在《醫學影像設備學》教學中的研究與應用[J].中國醫學物理學雜志，2012，29（1）：3208-3210.

[5] 潘公宇，江浩斌，劉志強，等.車輛工程專業虛擬仿真實驗教學平臺的設計[J].實驗技術與管理，2017，34（4）：1-5.

[6] 費景洲，曹貽鵬，路勇，等.能源動力類專業創新型人才培養的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2016，33（1）：23-27.

［責任編輯：黃緊德］