互联网/局域网能动专业虚拟仿真教学实践
龚德鸿 钱进 许雯
[摘 要]虚拟仿真实验教学已成为大学本科教育的重要实践手段之一。我们根据能源与动力工程专业教学体系特点，在理论和实践教学环节中引入不同模式虚拟仿真教学手段，充分发挥互联网和局域网虚拟仿真教学平台的功能，构建了四个层次虚拟仿真教学手段，对提高学生专业理解深度、激发专业热情、增强自主创新实践意识和能力、具备团队协作精神起到较好的效果。
[关键词]能源与动力工程；虚拟仿真；教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）02-0027-03
贵州大学能源与动力工程专业（以下简称能动专业）方向为电厂热能与动力工程，毕业生主要进入省内外火电企业从事运行、检修、技术管理等工作。火电机组的锅炉、压力管道、压力容器等均为国家规定的特种设备，运行过程中对安全性要求极高，为有效增强学生实践动手能力和提高理论知识学习效果，能动专业先后引进和自主开发[1]了7套火电机组仿真培训系统用于实践环节教学，取得明显的教学效果。火电机组仿真系统已广泛应用于国内高校能动专业的教学活动[2][3][4]，有效增强了学生自主性、创新性、团队协作性等方面能力。但由于大多数仿真公司提供的火电机组仿真系統采用服务器/客户端模式，服务器被运行锁绑定，由若干台客户机同时访问服务器的一个进程，各客户端间操作相互干扰，不利于数量较多的学生同时学习；同时受到实验室开放时间和设备状态限制，火电机组仿真系统的教学辅助效果受到一定程度影响。
随着贵州火电行业的快速发展，超临界机组投运数量不断增加，单元机组系统构成和主机结构发生较大变化，同时为满足越来越严格的环保排放标准，锅炉燃烧技术和烟气污染物处理技术已进行技术升级。针对上述情况原专业培养计划和课程教学模式已难以满足实现清洁生产的现代火电企业运行操作需求，要求大学本科毕业应具备更为扎实的理论知识基础、出色的实践动手能力和主动的创新意识。为提高毕业生培养质量，增强就业竞争力和职业发展潜力，能动专业在原火电机组仿真培训系统的基础上，引进互联网在线虚拟仿真学习系统，在理论课程和实践环节构建互联网与局域网虚拟仿真手段相结合的学习平台，通过在新生专业研探、课程课堂学习、实验课程、实习环节、毕业设计等全培养过程中引入不同模式虚拟仿真教学手段，充分发挥局域网火电机组仿真系统和互联网在线虚拟仿真平台的特点，通过课程体系及教学内容改革，实现两种虚拟仿真系统的优劣互补，为在能动专业教学全过程中切实提高课堂理论教学效果、增强实践动力能力等进行探索。
一、建设情况
如图1所示，能动专业虚拟仿真教学体系由两个教学平台构成，互联网环境的在线虚拟仿真实验教学平台主要以3D虚拟火电站软件和网络虚拟教学系统为基础。如图2所示，利用虚拟现实技术再现真实火电站的厂区环境、系统连接结构、设备外观、设备内部结构，利用计算机仿真技术模拟系统的运行原理、设备的运行原理，对能动专业课程中的经典实验进行虚拟仿真，对单元机组简单工艺流程进行启停和事故处理仿真；局域网环境的火电机组仿真培训及开发实验教学平台以覆盖贵州电厂全容量、压力等级的火电机组仿真培训系统（如图3所示）、大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks、流体数值模拟软件Xflow和美国国家虚拟仪器NI LabView为基础，可以实现单元机组物理模型拆装、火电厂主要系统及设备交互学习、热和流体经典实验的数值求解、真实电厂全系统运行仿真和典型工艺流程仿真系统构建。目前此平台已在能动专业四个年级的理论教学和实践教学环节上进行应用。[5][6]
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图1 能动专业虚拟仿真教学体系
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图2 3D虚拟火电站软件示意图
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图3 火电机组仿真系统典型DCS画面
二、建设成果
如图1所示，根据两种虚拟仿真教学平台在培养环节的应用情况，已形成四个虚拟仿真教学手段。
（一）入门认识级虚拟仿真教学
本层次培养对象为一年级学生，主要在专业介绍、专业研探、认识实习教学环节中应用，通过火电站三维虚拟漫游软件、超临界火电机组物理模型及火电厂CAI交互学习软件，让学生建立火力发电全流程概念，并对火力发电的主要设备、重要辅助设备的内部结构、工艺流程及关键技术建立感性认识，初步激发学生的专业认同和兴趣。主要实验项目有：火电厂全厂远景漫游、火电厂各主要设备及系统漫游、主要火电生产过程系统与设备认知、火电生产过程虚拟运行演示、火电生产过程计算机监控系统演示等。典型入门认识级虚拟仿真实验如表1所示。
表1 典型入门认识级虚拟仿真实验项目表
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（二）设备实践级虚拟仿真教学
本层次培养对象为二、三年级学生，在专业基础课和专业课理论教学中，利用虚拟仿真手段，对典型装置结构原理、工艺流程和实验装置等进行仿真模拟，并以课程实验和独立设课实验方式加强学生的学习内容理解和实践能力培养，通过这一层次的实验教学，使学生对火力发电生产过程中的主要动力设备和控制系统建立起全面、有效和系统的认知，增强学生对于真实过程的理解，培养创新意识，提高综合素质。其中在基础课程教学主要针对二年级本科生实验教学使用目前开设的仿真实验课程主要有工程流体力学虚拟仿真实验、泵与风机虚拟仿真实验、传热学虚拟仿真实验和热和流体数值实验；专业课程实验针对三年级本科生实验教学使用，对部分专业课程进行仿真，在虚拟仿真环境下，学生对实验仪器的操作大致与真实环境下的操作相同，学生能增强火力发电生产过程中的主要动力设备内部结构及子系统运行原理理解，并对部分设备进行拆装仿真操作。主要仿真实验课程包括锅炉原理仿真实验、热工过程自动控制仿真实验、电能质量控制仿真实验和主要动力设备拆装仿真实验等。表2为工程流体力学的在线虚拟仿真实验项目。
表2 典型设备实践级虚拟仿真实验项目表
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（三）系统实践级虚拟仿真教学
本层次培养对象为三、四年级学生，以火电生产全过程为仿真对象，对涵盖主要动力设备、辅助生产系统、控制系统等的热力系统进行启停操作、运行特性分析及事故处理等仿真实践，全面提高学生的理论知识掌握能力和专业实践能力。通过这一层次的教学，使学生能熟练掌握机组在各种条件下的启、停过程和正常运行中的监视操作技术；通过对火力发电生产过程常见故障的模拟，使学员的应急能力和对火力发电生产过程运行的综合分析能力得以提高，满足工程技术和研究人员对该类型设备及其系统的研究分析的要求和进行机组运行方式的优化和研究的需求。利用生产实习、畢业实习和专业综合实验等集中实践环节，以在线虚拟仿真实验教学平台中的全厂启停机操作及安全演练与处理模块，局域网火电机组仿真培训及开发实验教学平台中的3套汽包锅炉火电机组仿真培训系统、2套超临界直流锅炉火电机组仿真培训系统、1套循环流化床锅炉热电联产机组仿真培训系统及1套工业锅炉仿真培训系统为实验象，对单元机组、工业锅炉的冷态启停、温态启停、热态启停、极热态启停、正常运行调整、反事故演练等典型操作进行虚拟仿真实验教学。表3为直流锅炉火电机组仿真运行综合实验项目。
表3 典型系统实践级虚拟仿真实验项目表
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（三）创新实践级虚拟仿真教学
本层次培养对象为大学三、四年级学生，利用大学生科技项目及毕业设计实践环节，强化大学生自主创新意识，培养团队合作能力，提高综合归纳能力，最终使大学生能将所学专业知识自主开展实验及科研活动。主要以大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks和美国国家虚拟仪器NI LabView为虚拟仿真工具，开展大学生SRT项目、大学创新实验项目、大学生学科竞赛和毕业设计等工作。
三、结束语
在已有火电机组仿真系统的基础上，引入互联网在线虚拟仿真学习平台，构建了互联网与局域网虚拟仿真实践环节相结合的能动专业虚拟仿真教学体系，并根据各年级教学特点形成了四个层次的虚拟仿真教学手段，并在每个层次均细化了多门虚拟仿真课程实验项目。通过发挥平台功能，对提高学生专业理解深度、激发专业热情、增强自主创新实践意识和能力、具备团队协作精神起到了较好的效果。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 熊穗平，邹建华，姜浩，莫炜先，焦健，龚德鸿.工业锅炉仿真系统节能模块设计及实现[J].中国特种设备安全，2014（10）： 19-21.
[2] 王伟，牛卫东，尹静.仿真技术在《单元机组集控运行》职业教育中的应用[J]. 山东电力高等专科学校学报，2013（4）：54-57.
[3] 张中林. 应用型高校热动专业仿真实习课程教学改革和实践[J].中国电力教育，2012（10）：107-109.
[4] 翟永杰 ，纪蓬勃 ，王秀梅 ，马进 ，马良玉.电力工程全过程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验技术与管理，2014（8）： 5-8.
[5] 钱进.热能与动力工程专业实验教学改革研究[J].中国电力教育，2008（18）：152-154.
[6] 龚德鸿，钱进.基于火电机组仿真系统的热动专业综合实验教学改革[J].中国电力教育，2006（5）：35-37.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]虚拟仿真实验教学已成为大学本科教育的重要实践手段之一。我们根据能源与动力工程专业教学体系特点，在理论和实践教学环节中引入不同模式虚拟仿真教学手段，充分发挥互联网和局域网虚拟仿真教学平台的功能，构建了四个层次虚拟仿真教学手段，对提高学生专业理解深度、激发专业热情、增强自主创新实践意识和能力、具备团队协作精神起到较好的效果。
[关键词]能源与动力工程；虚拟仿真；教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）02-0027-03
贵州大学能源与动力工程专业（以下简称能动专业）方向为电厂热能与动力工程，毕业生主要进入省内外火电企业从事运行、检修、技术管理等工作。火电机组的锅炉、压力管道、压力容器等均为国家规定的特种设备，运行过程中对安全性要求极高，为有效增强学生实践动手能力和提高理论知识学习效果，能动专业先后引进和自主开发[1]了7套火电机组仿真培训系统用于实践环节教学，取得明显的教学效果。火电机组仿真系统已广泛应用于国内高校能动专业的教学活动[2][3][4]，有效增强了学生自主性、创新性、团队协作性等方面能力。但由于大多数仿真公司提供的火电机组仿真系統采用服务器/客户端模式，服务器被运行锁绑定，由若干台客户机同时访问服务器的一个进程，各客户端间操作相互干扰，不利于数量较多的学生同时学习；同时受到实验室开放时间和设备状态限制，火电机组仿真系统的教学辅助效果受到一定程度影响。
随着贵州火电行业的快速发展，超临界机组投运数量不断增加，单元机组系统构成和主机结构发生较大变化，同时为满足越来越严格的环保排放标准，锅炉燃烧技术和烟气污染物处理技术已进行技术升级。针对上述情况原专业培养计划和课程教学模式已难以满足实现清洁生产的现代火电企业运行操作需求，要求大学本科毕业应具备更为扎实的理论知识基础、出色的实践动手能力和主动的创新意识。为提高毕业生培养质量，增强就业竞争力和职业发展潜力，能动专业在原火电机组仿真培训系统的基础上，引进互联网在线虚拟仿真学习系统，在理论课程和实践环节构建互联网与局域网虚拟仿真手段相结合的学习平台，通过在新生专业研探、课程课堂学习、实验课程、实习环节、毕业设计等全培养过程中引入不同模式虚拟仿真教学手段，充分发挥局域网火电机组仿真系统和互联网在线虚拟仿真平台的特点，通过课程体系及教学内容改革，实现两种虚拟仿真系统的优劣互补，为在能动专业教学全过程中切实提高课堂理论教学效果、增强实践动力能力等进行探索。
一、建设情况
如图1所示，能动专业虚拟仿真教学体系由两个教学平台构成，互联网环境的在线虚拟仿真实验教学平台主要以3D虚拟火电站软件和网络虚拟教学系统为基础。如图2所示，利用虚拟现实技术再现真实火电站的厂区环境、系统连接结构、设备外观、设备内部结构，利用计算机仿真技术模拟系统的运行原理、设备的运行原理，对能动专业课程中的经典实验进行虚拟仿真，对单元机组简单工艺流程进行启停和事故处理仿真；局域网环境的火电机组仿真培训及开发实验教学平台以覆盖贵州电厂全容量、压力等级的火电机组仿真培训系统（如图3所示）、大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks、流体数值模拟软件Xflow和美国国家虚拟仪器NI LabView为基础，可以实现单元机组物理模型拆装、火电厂主要系统及设备交互学习、热和流体经典实验的数值求解、真实电厂全系统运行仿真和典型工艺流程仿真系统构建。目前此平台已在能动专业四个年级的理论教学和实践教学环节上进行应用。[5][6]
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图1 能动专业虚拟仿真教学体系
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图2 3D虚拟火电站软件示意图
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图3 火电机组仿真系统典型DCS画面
二、建设成果
如图1所示，根据两种虚拟仿真教学平台在培养环节的应用情况，已形成四个虚拟仿真教学手段。
（一）入门认识级虚拟仿真教学
本层次培养对象为一年级学生，主要在专业介绍、专业研探、认识实习教学环节中应用，通过火电站三维虚拟漫游软件、超临界火电机组物理模型及火电厂CAI交互学习软件，让学生建立火力发电全流程概念，并对火力发电的主要设备、重要辅助设备的内部结构、工艺流程及关键技术建立感性认识，初步激发学生的专业认同和兴趣。主要实验项目有：火电厂全厂远景漫游、火电厂各主要设备及系统漫游、主要火电生产过程系统与设备认知、火电生产过程虚拟运行演示、火电生产过程计算机监控系统演示等。典型入门认识级虚拟仿真实验如表1所示。
表1 典型入门认识级虚拟仿真实验项目表
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（二）设备实践级虚拟仿真教学
本层次培养对象为二、三年级学生，在专业基础课和专业课理论教学中，利用虚拟仿真手段，对典型装置结构原理、工艺流程和实验装置等进行仿真模拟，并以课程实验和独立设课实验方式加强学生的学习内容理解和实践能力培养，通过这一层次的实验教学，使学生对火力发电生产过程中的主要动力设备和控制系统建立起全面、有效和系统的认知，增强学生对于真实过程的理解，培养创新意识，提高综合素质。其中在基础课程教学主要针对二年级本科生实验教学使用目前开设的仿真实验课程主要有工程流体力学虚拟仿真实验、泵与风机虚拟仿真实验、传热学虚拟仿真实验和热和流体数值实验；专业课程实验针对三年级本科生实验教学使用，对部分专业课程进行仿真，在虚拟仿真环境下，学生对实验仪器的操作大致与真实环境下的操作相同，学生能增强火力发电生产过程中的主要动力设备内部结构及子系统运行原理理解，并对部分设备进行拆装仿真操作。主要仿真实验课程包括锅炉原理仿真实验、热工过程自动控制仿真实验、电能质量控制仿真实验和主要动力设备拆装仿真实验等。表2为工程流体力学的在线虚拟仿真实验项目。
表2 典型设备实践级虚拟仿真实验项目表
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（三）系统实践级虚拟仿真教学
本层次培养对象为三、四年级学生，以火电生产全过程为仿真对象，对涵盖主要动力设备、辅助生产系统、控制系统等的热力系统进行启停操作、运行特性分析及事故处理等仿真实践，全面提高学生的理论知识掌握能力和专业实践能力。通过这一层次的教学，使学生能熟练掌握机组在各种条件下的启、停过程和正常运行中的监视操作技术；通过对火力发电生产过程常见故障的模拟，使学员的应急能力和对火力发电生产过程运行的综合分析能力得以提高，满足工程技术和研究人员对该类型设备及其系统的研究分析的要求和进行机组运行方式的优化和研究的需求。利用生产实习、畢业实习和专业综合实验等集中实践环节，以在线虚拟仿真实验教学平台中的全厂启停机操作及安全演练与处理模块，局域网火电机组仿真培训及开发实验教学平台中的3套汽包锅炉火电机组仿真培训系统、2套超临界直流锅炉火电机组仿真培训系统、1套循环流化床锅炉热电联产机组仿真培训系统及1套工业锅炉仿真培训系统为实验象，对单元机组、工业锅炉的冷态启停、温态启停、热态启停、极热态启停、正常运行调整、反事故演练等典型操作进行虚拟仿真实验教学。表3为直流锅炉火电机组仿真运行综合实验项目。
表3 典型系统实践级虚拟仿真实验项目表
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（三）创新实践级虚拟仿真教学
本层次培养对象为大学三、四年级学生，利用大学生科技项目及毕业设计实践环节，强化大学生自主创新意识，培养团队合作能力，提高综合归纳能力，最终使大学生能将所学专业知识自主开展实验及科研活动。主要以大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks和美国国家虚拟仪器NI LabView为虚拟仿真工具，开展大学生SRT项目、大学创新实验项目、大学生学科竞赛和毕业设计等工作。
三、结束语
在已有火电机组仿真系统的基础上，引入互联网在线虚拟仿真学习平台，构建了互联网与局域网虚拟仿真实践环节相结合的能动专业虚拟仿真教学体系，并根据各年级教学特点形成了四个层次的虚拟仿真教学手段，并在每个层次均细化了多门虚拟仿真课程实验项目。通过发挥平台功能，对提高学生专业理解深度、激发专业热情、增强自主创新实践意识和能力、具备团队协作精神起到了较好的效果。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 熊穗平，邹建华，姜浩，莫炜先，焦健，龚德鸿.工业锅炉仿真系统节能模块设计及实现[J].中国特种设备安全，2014（10）： 19-21.
[2] 王伟，牛卫东，尹静.仿真技术在《单元机组集控运行》职业教育中的应用[J]. 山东电力高等专科学校学报，2013（4）：54-57.
[3] 张中林. 应用型高校热动专业仿真实习课程教学改革和实践[J].中国电力教育，2012（10）：107-109.
[4] 翟永杰 ，纪蓬勃 ，王秀梅 ，马进 ，马良玉.电力工程全过程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验技术与管理，2014（8）： 5-8.
[5] 钱进.热能与动力工程专业实验教学改革研究[J].中国电力教育，2008（18）：152-154.
[6] 龚德鸿，钱进.基于火电机组仿真系统的热动专业综合实验教学改革[J].中国电力教育，2006（5）：35-37.
[责任编辑：钟 岚]
