电气工程专业虚拟仿真实践教学体系研究与构建

    朱永胜 徐其迎

    

    摘? 要 介绍电气工程及其自动化专业基于虚拟现实技术构建实践教学体系和实验室建设方面的经验和实践，构建电气工程及其自动化专业虚拟仿真多维度、模块化实践教学资源和教学体系，介绍中原工学院虚拟实验室建设的成果及其技术，为同类院校、相同或者相近专业在构建虚拟实践教学体系和实验室建设等方面提供借鉴和帮助。

    关键词 虚拟仿真;实践教学体系;实验室;电气工程;MATLAB/Simlink

    中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）08-0132-03

    Abstract This paper is presented the experience and practice of vir-tual simulation practice teaching system and laboratory construction of electrical engineering. It can be enriched the practice teaching contents for the whole process of electric power production， and per-fected the Multi-dimensional， modular teaching resources. It can be?provided reference and help for similar colleges， same or similar spe-cialty in constructing virtual practice teaching system and laboratory construction.

    Key words virtual simulation; practical teaching system; laboratory; electrical engineering; MATLAB/Simlink

    1 引言

    在新工科和工程教育认证背景下，随着实践教学内容和手段的改革和发展，高等学校实践教学所占比例不断提高，高校实践教学体系和实验室建设的重要作用也越来越突出。尤其对于某些专业实验室建设，不但需要投入大量资金，而且由于其专业性强，往往在实验设计交互性和实验操作安全性等方面不能满足日常实验教学的要求。虚拟仿真实验教学可以很好地弥补传统实践教学在实验条件、实验成本、交互性和安全性等方面的不足。尤其对于电气工程及其自动化专业，因该专业具有电压高、电流大、系统结构庞大复杂、电气设备种类繁多、价格昂贵等特点[1]，故在高校实验室建设中不可能建立和真实电力系统现场完全相同的实验环境。因此，近年来运用虚拟仿真技术开始逐渐成为各大高校电气工程及其自动化专业实验教学和实验室建设的重要手段和发展方向。

    中原工学院电气工程及其自动化专业为卓越工程师计划及工程教育认证试点专业。随着相关教学改革工作的推进，电气工程及其自动化专业逐步提升的综合办学水平与现有的实践教学资源及体系之间的矛盾日益凸显。因此，利用虚拟仿真技术进行电气工程及其自动化专业实验室建设并开展相关实践教学改革与探索，进而优化专业实践教学体系结构，建立面向从基础实验到专业实验、从验证实验到创新实验的虚拟仿真实验教学资源，研究“基础—综合—创新”三位一体的实践教学体系和模式，成为中原工学院在工程认证背景下实现“实践教学达标”的关键抓手。

    本文结合中原工学院在电气工程及其自动化专业虚拟仿真实践教学体系和虚拟仿真实验室建设方面的经验，介绍虚拟仿真实践教学体系构建和实验室建设的成果，希望能够为同类院校、相同或者相近专业在构建虚拟实践教学体系和实验室建设等方面提供借鉴和帮助。

    2 电气工程及其自动化专业虚拟仿真实践教学体系研究

    国内电气工程专业虚拟仿真实验教学存在的问题? 目前，国内各大电力强校已经建成一些电气工程及其自动化专业虚拟仿真实验室。这些虚拟仿真实验室根据各高校专业特色各具功能和特点，有的实验室引入仿真和半实物实时仿真技术，具备风、光等多源分布式发电的管理、设计和仿真等功能;有的实验室则可以仿真不同电压等级的电网电能传输和分配过程。上述实验室的建设见证了国内电气工程及其自动化专业虚拟仿真实验教学的起步及发展，但是也暴露出目前虚拟仿真实验室建设方面存在的一些问题。

    1）各大电力强校虚拟仿真实验系统基本聚焦于电力行业的某个特定系统，不能体现电能发、输、变、配、用的全过程、立体化特点，尤其对于普通二本院校来说，实验室建设起点过高、价格也过于昂贵。

    2）现有实验室对于虚拟仿真实验教学内容进行开发设计比较多，但对虚拟仿真实验教学体系内容、模式的研究并不多，相关教学资源有待深入挖掘、整合。

    优化电气工程及其自动化专业实践教学体系? 根据工程教育认证工作的具体要求，结合电气工程及其自动化专业的特点和人才培养定位，在修订本专业本科培养方案时适当加强实践教学环节，提高课程教学中综合性、设计性、创新性实验课程的比例，完善和补充课程实验项目，建立多维度、模块化、前后衔接、整体提高的实践教学体系。如按照现有专业方向整合核心课程实验环节，构建专业方向培养目标模块化实践教学体系，并以提升学生的工程实践能力和创新能力为目标，按照行业特点、认知规律和专业方向进行实践课程内容的整合和优化。重点建设电路、电子技术、电机学、自动控制原理、电力电子技术等专业基础课程实践体系，建设以电力系统生产过程相关联的专業课程实践体系。

    中原工学院电气工程及其自动化专业分两个专业方向分别建设课程实验体系，电气控制与智能电网方向建设的专业核心课程为电气工程基础、电机控制、智能电网技术、DSP技术、电能转化与控制，重点建设以实物仿真为主的智能电网与新能源发电实验室和以软件仿真的电能变换与控制实验室。电力系统自动化方向建设的专业核心课程为电力系统分析、电力系统继电保护、发电厂电气主系统、高电压工程等，重点建设以实物仿真为主的电力系统自动化实验室和以软件仿真的220 kV变电站仿真、发电厂虚拟现实仿真实验室。

    构建实践教学体系时，结合电气工程及其自动化专业核心课程建设，根据教学要求和实际条件建设虚拟仿真实验教学资源，构建由课内外虚拟仿真实验、校内外科技活动、课程设计、毕业设计等环节组成的多维度、模块化虚拟仿真实验教学资源。虚拟仿真实验教学资源建设分为基础仿真实验项目、综合型仿真实验项目、设计型仿真实验项目、创新型仿真实验项目四个层次。

    从大一入学开始先接触虚拟仿真基础层次，重点认识和学习以MATLAB/Simlink为平台搭建的简单电路实验模型[2]，

    以期完成电路和电子技术课程中单个电路的仿真实验。

    到大二时开展虚拟仿真综合层次训练，利用MATLAB/Simlink为平台搭建复杂电路模型，能够完成电路、电子技术中综合实验项目的实验，利用虚拟仿真技术构建发电厂生产工艺流程，达到和完成培养计划中的专业认识实习课程目标。

    到大三时的虚拟仿真提高层次，能够利用半实物仿真和计算机仿真技术设计和研究基于电力电子技术、电机学、自动控制原理课程的复杂实验过程，构建集电能转换和控制、电磁机电原理和复杂控制系统于一体的设计型实验项目。

    大三至大四学年，利用大学生电子设计大赛和创新训练、生产实习、毕业实习等环节，构建基于“课内+课外”一体的研究性创新虚拟仿真实践教学，利用实物、半实物、计算机软件构建虚拟仿真模型，完成电力系统发、输、变、配、用一体，包括电气一次和二次、传统电网和智能电网兼具的实践教学内容，构建多维度、模块化、前后衔接、整体提高的实践教学体系，从而提升学生的工程实践能力和创新能力。

    3 电气工程及其自动化专业虚拟仿真实验室建设实践

    在电气工程及其自动化专业虚拟仿真实验室建设过程中，依托计算机软件仿真技术、实物仿真和半实物仿真实验相结合的虚拟仿真实验平台建设思路，以“能实不虚、虚实结合”为虚拟仿真实验平台建设方针，以实践课程教学内容整合、优化以及教学方法与手段的改革为主要形式，引入不同形式、不同层次的虚拟仿真实验项目，建设相应的虚拟仿真实验室。

    目前，中原工学院在电气信息基础实验中心和电气信息专业实验中心两个实物实验中心的基础上，建成了基于MATLAB/Simlink为平台的电路[2]、电力电子技术、电机学、电力系统分析、电能转换与控制、新能源发电与并网课程的虚拟仿真实验平台;建成了基于虚拟现实技术的电气工程沉浸式实验平台，能够再现发电厂、变电所等生产工艺和操作流程;建成了电力系统综合自动化实验室，能够模拟发、输、供、配、用整个电力生产过程，以及研究电力系统稳态、暂态过程，电力系统继电保护及自动装置;通过三维模拟仿真软件能够熟悉和掌握220 kV变电站一次、二次部分设备构成及操作。

    目前，中原工学院已建成虚拟仿真实验室八个，能够开展从专业基础课到专业课程的实验项目120多个。虚拟仿真实验室能够开展的实验项目和实验室基于的虚拟仿真实验平台见表1所示。

    目前，虚拟仿真实验室通过多年的发展和建设，已经基本能够满足电气工程及其自动化专业实践教学体系的课程实验、课程设计、毕业设计、实践创新、科学研究等方面的需求[3]。

    4 结语

    中原工学院电气工程及其自动化专业虚拟仿真实践体系及实验室建设，充分发挥虚拟仿真技术对高危险性、高成本、高消耗实验项目和实践教学活动的适应性，解决一般本科高校在实践教学环节面临的资金压力大、场地有限及安全防护专业性强等问题，有效地丰富面向电气工程专业生产全过程的实践教学内容，完善了电气工程及其自动化专业虚拟仿真实践教学资源，并形成一套适合电气工程及其自动化专业的虚拟仿真实践教学体系。

    参考文献

    [1]赵凯辉，童玲，何静.基于虚拟仿真的电气工程专业实践教学改革探析[J].当代教育理論与实践，2017，9（11）：37-40.

    [2]董燕，朱永胜.基于MATLAB的电路课程教学改革与实践[J].中国教育技术装备，2011（33）：165-166.

    [3]徐其迎，查丛梅，肖俊明.电气工程及其自动化专业（电力系统方向）实践性教学的改革与实践[J].学园，2013（22）：78-79.