呼夢(mèng)穎 段建東 袁鑰 高翔 姬軍鵬

摘 ? 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化背景下高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。文章分析了當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)在電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中存在的問題，針對(duì)應(yīng)用中的問題，結(jié)合國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程《現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》的建設(shè)和使用情況，總結(jié)提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)思路和持續(xù)改進(jìn)措施，具有良好的推廣性和示范性，對(duì)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：教育信息化;虛擬仿真;電氣類;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642;G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2022）03-0113-06

一、引言

2019年，《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》發(fā)布[1]，將國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入一流本科課程建設(shè)，計(jì)劃認(rèn)定1500門左右國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。2020年，教育部首批認(rèn)定了國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程728門，其中電氣類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程15門。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)工作，旨在深化現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，打破實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)瓶頸。[2]

電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括電氣工程及其自動(dòng)化（電力電子方向和電力系統(tǒng)方向）、智能電網(wǎng)信息工程和電氣工程智能控制等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其中，電力系統(tǒng)和智能電網(wǎng)方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下特點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電壓等級(jí)高、功率大，實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不具備開設(shè)實(shí)驗(yàn)的條件;[3-4]②學(xué)生在電力系統(tǒng)等能源類企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)中，系統(tǒng)龐大繁雜且處于高壓、高速工作狀態(tài)，學(xué)生無法整體深入學(xué)習(xí)或在設(shè)備上實(shí)踐操作;③考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全性和暫態(tài)不可逆性，無法進(jìn)行實(shí)際故障模擬。因此，在高電壓、高危險(xiǎn)、大功率和故障不可逆的電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用信息技術(shù)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)互補(bǔ)，對(duì)提升電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。[5-7]

西安理工大學(xué)電力系統(tǒng)省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，在電氣類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展了一系列探索創(chuàng)新，開發(fā)并持續(xù)建設(shè)了一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，已認(rèn)定陜西省示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目3項(xiàng)，其中《現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》認(rèn)定為國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程，取得了積極的成效。

二、虛擬仿真技術(shù)

在電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中的問題

開展電氣類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)提升學(xué)生的沉浸感，激發(fā)學(xué)生興趣，幫助學(xué)生感性、直觀地掌握理論知識(shí)和工程技術(shù)，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力和探索創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要作用。[8-11]但從實(shí)際整體應(yīng)用情況來看，現(xiàn)階段虛擬仿真技術(shù)在電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用仍存在一些需要注意的問題。

（一）缺少專業(yè)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量分析

部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程忽視了專業(yè)教學(xué)需求，一味地追求提高學(xué)生的參與積極性，開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)界面較為酷炫，實(shí)驗(yàn)趨于游戲化。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程沒有引入基于專業(yè)仿真軟件的仿真定量分析，沒有設(shè)計(jì)不同工況和不同參數(shù)下的仿真結(jié)果觀測(cè)及分析功能，學(xué)生只能進(jìn)行游戲式的人機(jī)交互操作和定性分析，無法觀測(cè)仿真結(jié)果并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

（二）欠缺理論知識(shí)講解和實(shí)驗(yàn)資料共享

部分由科學(xué)研究項(xiàng)目轉(zhuǎn)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程涉及的理論知識(shí)較多、難度較大、專業(yè)性很強(qiáng)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟也比較復(fù)雜，能夠提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。但是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中，實(shí)驗(yàn)課程并未提供必要的、系統(tǒng)的理論知識(shí)講解，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未共享實(shí)驗(yàn)原理、操作說明和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等實(shí)驗(yàn)資料，學(xué)生的理論知識(shí)儲(chǔ)備較少，可能會(huì)難以理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不能得出有效結(jié)論。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程最終要通過互聯(lián)網(wǎng)面向校內(nèi)外開放共享，不同地區(qū)和不同學(xué)校的學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)有差異，缺少理論知識(shí)講解和資料共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源增加了外校共享使用的難度。

（三）缺少行業(yè)發(fā)展方向和前沿技術(shù)引入

部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程注重本科教學(xué)需求，覆蓋了理論課程的重要知識(shí)點(diǎn)和成熟的工程技術(shù)方法，但是缺少一流課程必備的“兩性一度”——“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”，缺少行業(yè)發(fā)展方向和最新研究技術(shù)的引入，例如和電氣類專業(yè)息息相關(guān)的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等，學(xué)生不能掌握行業(yè)發(fā)展方向和研究前沿技術(shù)，難以激發(fā)學(xué)生的探索熱情，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

三、電氣類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選取及建設(shè)概況

近年來，西安理工大學(xué)電力系統(tǒng)省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)了一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索，已認(rèn)定陜西省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目3個(gè)，如表1所示。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可服務(wù)電氣工程及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)信息工程和電氣工程智能控制三大專業(yè)，支撐《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》《電力電子技術(shù)》和《電機(jī)學(xué)》等7門專業(yè)課程。2020年，中心建設(shè)的《現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》被認(rèn)定為首批國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。

（二）國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程《現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》建設(shè)

風(fēng)力發(fā)電是我國清潔能源發(fā)電的重要形式，其中分散式風(fēng)電因其就地消納、靈活環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為未來主要的發(fā)展方向，培養(yǎng)掌握分散式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理、功率預(yù)測(cè)方法和故障暫態(tài)控制方法的電氣類人才，對(duì)我國能源革命和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)涉及《電機(jī)學(xué)》《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》《新能源發(fā)電技術(shù)》等多門專業(yè)課程知識(shí)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師一般通過PPT以文字、圖片或視頻方式講解分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，學(xué)生只停留在觀看圖片和記憶名詞的階段，難以感性、直觀地深入理解龐大的風(fēng)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。

由于風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電壓等級(jí)高、危險(xiǎn)系數(shù)大、構(gòu)建成本高，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不具備開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)的條件;風(fēng)電場(chǎng)通常位于風(fēng)能資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，若安排大批量學(xué)生前往實(shí)習(xí)，成本高且存在安全隱患。因此，我中心建設(shè)了《現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，具體建設(shè)思路如下：

1.立足專業(yè)教學(xué)，融合專業(yè)仿真

在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行至關(guān)重要，風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越控制已成為近幾年的研究熱點(diǎn)。中心在建設(shè)該課程時(shí)，立足專業(yè)教學(xué)需求，將基于Matlab/Simulink的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型和低電壓穿越控制仿真模型融入實(shí)驗(yàn)課程中，設(shè)置了多種電壓跌落工況和可調(diào)節(jié)的仿真參數(shù)，實(shí)驗(yàn)軟件可以動(dòng)態(tài)展示不同電壓跌落工況下電壓、電流、有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電流的仿真結(jié)果。學(xué)生不僅可以定性地觀察風(fēng)機(jī)、變流器和Crowbar裝置的工作狀態(tài)，同時(shí)可以觀測(cè)電氣量仿真波形，定量地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)界面如圖1所示。

2.貫穿理論講解，共享實(shí)驗(yàn)資料

風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)的研究對(duì)于低年級(jí)本科生來說具有一定的挑戰(zhàn)性，因此，中心充分考慮學(xué)生的理論知識(shí)儲(chǔ)備和接受程度，在課程中利用3D虛擬模型、理論文字、原理框圖并行的形式，貫穿風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)電并網(wǎng)控制、風(fēng)電并網(wǎng)功率預(yù)測(cè)方法和低電壓穿越控制原理等理論知識(shí)講解，圖2為勵(lì)磁控制原理講解界面。學(xué)生可以先學(xué)習(xí)理論知識(shí)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在實(shí)踐操作中加深對(duì)理論知識(shí)的理解，鞏固專業(yè)知識(shí)。教師在課程依托的教學(xué)平臺(tái)上上傳實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，以及風(fēng)力發(fā)電故障時(shí)低電壓穿越控制實(shí)驗(yàn)原理、Crowbar電路控制原理、勵(lì)磁控制原理等實(shí)驗(yàn)資料，校內(nèi)外學(xué)生通過教學(xué)平臺(tái)下載、學(xué)習(xí)相關(guān)資料。

3.面向行業(yè)發(fā)展，引入前沿技術(shù)

為了適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，中心在《現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》的建設(shè)過程中，引入了風(fēng)電行業(yè)前沿研究技術(shù)，例如基于極限學(xué)習(xí)機(jī)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)（見圖3），Crowbar電路控制和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制等低電壓穿越技術(shù)，故障暫態(tài)中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)定性改進(jìn)技術(shù)等。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，了解風(fēng)電行業(yè)發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)，研究風(fēng)電行業(yè)最新技術(shù)，基于課程內(nèi)容探索新的控制方法，激發(fā)創(chuàng)新潛能。

（三）電氣類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使用

西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院將《現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》列入《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程教學(xué)大綱，并在電氣工程及其自動(dòng)化和智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)教學(xué)中投入使用，取得了良好的教學(xué)效果。同時(shí)，該項(xiàng)目通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開放共享，目前服務(wù)人數(shù)已達(dá)到1600余人。

為了調(diào)研該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)情況和學(xué)生的體驗(yàn)評(píng)價(jià)，教師面向2020年秋季學(xué)期電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐課堂上的學(xué)生，采用線上發(fā)放問卷方式開展了問卷調(diào)研。課程選課學(xué)生為74人，回收有效問卷72份，問卷調(diào)研內(nèi)容及結(jié)果如表2所示。

80%以上的學(xué)生對(duì)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)表示滿意或比較滿意;通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，基本上所有學(xué)生對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行原理有了深入理解;在風(fēng)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件使用便利性和交互操作友好性方面，仍有11.11%的學(xué)生表示不滿意。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)增加了學(xué)生的沉浸感和參與感，得到了學(xué)生的認(rèn)可，但在交互操作友好性方面仍需要優(yōu)化。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程持續(xù)改進(jìn)措施

在現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，中心將與新能源公司深度開展校企合作，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程。

（一）最新科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)

將校企合作科研項(xiàng)目的最新研究成果提煉、轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入更多前沿理論、新技術(shù)和新方法，例如增加風(fēng)電功率預(yù)測(cè)人工智能算法，模擬故障工況、控制算法和控制參數(shù)的多樣性等，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加深入和豐富。

（二）完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程及評(píng)價(jià)體系

持續(xù)建設(shè)、完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程及評(píng)價(jià)體系，使交互操作更加友好，采取全面、合理的綜合評(píng)價(jià)方法，能夠從基礎(chǔ)能力、分析能力、綜合能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和社會(huì)能力等不同維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，全方位提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（三）推進(jìn)學(xué)分轉(zhuǎn)換和互通機(jī)制

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程通過互聯(lián)網(wǎng)面向全國高校開放，可服務(wù)于電氣工程及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)信息工程、電氣工程與智能控制、新能源科學(xué)與工程等專業(yè)。中心將配合其他高校，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)學(xué)分轉(zhuǎn)換和互通機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程的資源共享，共同提高電氣類專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合創(chuàng)新能力。

五、結(jié)語

本文分析了當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)在電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中的問題，針對(duì)這些問題，結(jié)合學(xué)校電力系統(tǒng)省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)方面的探索和國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)提出了“立足專業(yè)教學(xué)、融合專業(yè)仿真”“貫穿理論講解、共享實(shí)驗(yàn)資料”“面向行業(yè)發(fā)展、引入前沿技術(shù)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程構(gòu)建思路，并結(jié)合課程使用反饋，提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的持續(xù)改進(jìn)措施。實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的構(gòu)建思路和持續(xù)改進(jìn)措施具有良好的推廣性和示范性，對(duì)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)具有借鑒意義。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)解決高電壓、高危險(xiǎn)、高消耗、故障不可逆的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)遇到的教學(xué)難題，增強(qiáng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和探索創(chuàng)新能力，為電氣、新能源等行業(yè)的發(fā)展輸送復(fù)合型電氣類人才具有積極作用。

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作者簡(jiǎn)介：

呼夢(mèng)穎，西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院助理工程師;

段建東，工學(xué)博士，西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，通訊作者，郵箱：duanjd@xaut.edu.cn;

袁鑰，西安西馳電氣股份有限公司電能質(zhì)量產(chǎn)品線總監(jiān);

高翔，工學(xué)博士，西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院講師;

姬軍鵬，西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院高級(jí)工程師。

The Application and Thinking of Virtual Simulation Technology

in Experiment Teaching of Electrical Majors

Mengying HU1，2， Jiandong DUAN1*， Yue YUAN3， Xiang GAO1， ?Junpeng JI1

（1.School of Electrical Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an Shanxi 710048;

2.National Demonstration Center for Experimental Engineering Training Education， Xi’an University of Technology，

Xi’an Shanxi 710048;

3.Xi’an Xichi Electrical Co.， LTD， Xi’an Shanxi 710311）

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is an important part of the experimental teaching reform in colleges and universities under the background of educational informatization. This paper analyzes the problems in the application of the current virtual simulation technology in the experimental teaching of electrical majors. In view of the problems in the application， this paper summarized the construction ideas and improvement measures of virtual simulation experiment courses based on first-class course of “Virtual Simulation of Field Data and Scene-driven Distributed Wind Power Grid-connected Operation Control”. It has good generalization and demonstration， and can be used for reference to the construction of virtual simulation experiment course in colleges and universities.

Keywords： Educational informationization; Virtual simulation; Electrical majors; Experiment teaching

編輯：王天鵬 ? ?校對(duì)：王曉明