虚拟仿真技术在能源与动力工程实训教学中的应用
薛香玉 张宏 张锋 王博 张斌
[摘 要] 虚拟仿真教学具有自由度高、交互性强和成本低廉的优点，可以让学生在计算机上获得身临其境的学习体验。虚拟仿真平台可以全范围再现火电机组生产运行的整个流程，通过计算机模拟火电厂的运行过程及高温高压等高危生产场景。将虚拟仿真技术应用于能源与动力工程的实训教学中，满足了新冠肺炎疫情常态化下线上实训的需求，促进了实验室信息化建设与实训教学的深度融合，也为学生参加创新创业训练、课程设计、毕业设计及科研提供了平台，拓展了平台的应用范围。
[关键词] 虚拟仿真;能源与动力工程;实训教学
[基金项目] 2017年度陕西科技大学教改项目“虚拟仿真实验中心建设”（17Y059）
[作者简介] 薛香玉（1987—），女，陕西韩城人，硕士，陕西科技大学机电工程学院实验员，主要从事新能源发电研究;张 宏（1963—），男，贵州贵阳人，硕士，陕西科技大学机电工程学院教授，主要从事新能源科学及技术研究;张 锋（1966—），男，陕西西安人，硕士，陕西科技大学机电工程学院副教授，主要从事热能动力系统节能技术研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）33-0133-04 [收稿日期] 2021-03-25
近年来，随着科技的发展，智慧化教育和信息化教育的浪潮正在席卷高等教育。虚拟仿真技术在推动教学理念变革和教育信息化方面的作用日益凸显。本文将介绍我校能源与动力专业或电厂虚拟仿真平台在实训教学中的应用情况。
一、能源与动力工程专业的实训特点
能源与动力工程专业涉及热力发电、制冷、内燃机和新能源等多个模块，其培养内容既包括了与传统能源行业相关的设备及流程，如锅炉、汽轮机、内燃机和动力设备安装与维护等，也包括了新兴的新能源利用相关技术，具有课程种类多、课程数量大和知识面广的特点。能源动力类的实训课程具有以下特点。
（一）生产安全要求高
操作条件多为高温高压状态。操作对象有高温高压蒸汽、天然气、空气、氧气和混合物质，实验的压力范围和温度范围较大。这对于学生的操作无疑有重大的安全隐患，出于安全考虑，许多实习或实验中的学生只能观察不能靠近，因此学生缺乏实践机会。
（二）设备复杂且庞大
设备的体量较大，流程较为复杂，例如锅炉、除尘器和汽轮机等，实验设备昂贵，因此设备的经费和场地都限制了实验过程。
（三）设计类型项目较少
目前能动类实训课程大多操作流程教程相对固定，学生不能进行自主设计与搭建，学生热情不高。
（四）课时量大
学生人数多，且课程数量多，受制于实验台套数和学生的时间安排，实训类课程安排紧张，教师也很难有时间在课堂上与学生进行充分的互动，因此存在对学生指导不够的情况。
二、虚拟教学的特点
虚拟仿真教学是利用计算机模拟真实的生产过程，让学生可以在计算机上进行仿真操作，并获得身临其境的学习体验，在虚拟环境中掌握火力发电厂的主要原理、工艺流程和运行特点。
（一）自由度高
虚拟仿真实验涵盖面广，综合性强，有大量的软件公司开发出了多种仿真实训平台，学生可以根据需要自主设计实训内容，随时随地进行实训，仿真平臺还可以多次反复实验，最大限度地满足学生的各种需求。
（二）交互性强
传统的实训课堂大多是通过视频和讲述的方式向学生呈现高危工况，学生难以产生真实的体验。结合多媒体（例如音频、视频和图像等）技术的虚拟仿真实训，让学生有了身临其境的感觉，丰富了实训教学的课堂形式。
（三）可变更操作条件
虚拟仿真实训可以演示一些复杂、抽象、高危、周期较长及不便于直接操作或者观察的项目，例如超临界锅炉这类的高温高压设备工作过程。
三、基于虚拟仿真技术的能动实验教学的优势
我校实验中心目前已建成火电厂虚拟仿真平台，可以满足学生自主和个性化学习的要求，同时正在建设新能源仿真平台。结合近几年的仿真实验开展情况进行分析，我校实验中心基于虚拟仿真技术的能动实训教学的优势如下。
（一）满足多种学习需求
利用网络平台，虚拟仿真实训教学平台可向学生提供远程学习，满足学生线上学习的要求。学生自行进行练习，仿真平台可以对练习情况进行打分和评价，给出分析报告。仿真实训也为学生参加创新创业训练、课程设计、毕业设计及科研提供了平台，这些都极大地拓展了平台的应用范围[1]。
（二）降低专业教育成本
虚拟仿真实验为能动专业的学生提供了安全、便捷的操作平台，以较少的资金和人力投入实现了高危或花费较大的实验教学功能，帮助学生掌握专业知识，提高实践能力，并完成技能培养。
（三）满足了新冠肺炎疫情常态化下线上实训的需求
新冠肺炎疫情期间，为了安全，学生不能到校外参加实习，因此转为在校实习。虚拟仿真平台既可以为学生提供校内实训平台，又可以进行线上授课。
（四）促进实验室信息化建设
虚拟仿真技术推进了信息化技术融入实践教学的进程，既可以满足对教学数据的信息化存储与管理，又可以实现对教学数据的分析及统计，提高了教学综合管理效率。学生可以不受开放时间的限制，根据个人的时间安排，在移动终端上远程访问虚拟仿真平台，实现远程学习[2]。
四、能源动力专业虚拟仿真实训平台的概况
（一）火电厂虚拟仿真实训平台
火电厂虚拟仿真实训平台可以完整再现整个火电厂的生产流程，全范围1∶1模拟DCS控制系统，主要包括机组正常启停机、紧急事故处理和生产试验等运行操作练习，也可以进行仿真系统算法验证实验等。该仿真机由清华紫光仿真有限公司提供，仿真对象包括锅炉系统、汽轮机系统、发电系统、公共系统和安全系统等。火电厂虚拟仿真平台的硬件主要包括服务器、下位机和备用电源等。主机采用高性能的服务器，内置火电厂仿真模型，使用人员可根据自身的实际修改、添加或删除模型，也可以改变控制策略等。教练员站和操作员站均使用可视化的操作系统，可直接在仿真系统中进行建模及操作。教练员站可实现仿真教学、演示和练习评价等培训功能。操作员站可以与服务器通过局域网相连，实时进行数据传输。
（二）新能源智慧小镇虚拟仿真平台
目前，正在建设新能源智慧小镇虚拟仿真平台。新能源智慧小镇虚拟仿真平台计划通过“智慧能源小镇”的虚拟能源系统，模拟太阳能、风能和热泵等低品位能源的利用系统，结合储能技术、绿色建筑技术和智慧城市等技术，体现绿色、环保和低碳的概念。
五、虚拟仿真实验平台在本科生实践教学环节中的应用
（一）线下教学模式
火电厂仿真实训课程主要面向大四的学生开展，课时为两周。虚拟仿真的课程模式较为新颖，有机地将理论课程与实践环节结合了起来，容易激发学生的好奇心。每堂练习课前，学生提前复习相关的理论知识。课堂上，教师先通过多媒体向学生介绍了火电厂的主要设备和生产流程，然后在仿真系统上向学生详细地讲解了火电机组虚拟仿真系统的操作要点和难点。学生有了较为清晰的认识后，在仿真机上相应的操作界面完成训练。在实训过程中，想要快速地掌握仿真系统的操作方法绝非易事，仿真系统设计的操作内容十分复杂且难度较高，没有一定的专业基础很难明白仿真操作的流程。一方面要求学生投入更多的时间来学习，另一方面要求教师具有较高的专业素养，更重要的是，教师在进行实训指导时必须要有足够的耐心，为每一位学生解决操作的问题。
（二）线上教学模式
线上教学主要是为了满足新冠肺炎疫情期间，在无法返校或者无法集中上课的情况下，结合网络工具（如QQ、腾讯会议和“雨课堂”等）、多媒体课件和虚拟仿真软件的混合式在线教学方式，保证实训教学的顺利进行。线上教学和线下教学的内容相似，区别有以下几个方面：（1）实训课程前，教师应制作教学PPT和操作视频，条件不具备的可以进行直播授课。（2）学生根据预习资料学习实训内容，安装好上课需要的软件，配合教师的要求。（3）上课时，教师利用网络工具对学生进行在线答疑，记录学生在操作中出现的问题，并上传上课视频，方便学生后期回看。
（三）训练内容
训练过程中，学生被分成若干组，参照电厂的岗位设置进行分工与合作。火电厂仿真实训课程的主要训练内容为机组启停操作。首先进行机组冷态启动，学生需要完成的内容包括设备送电、辅助系统的投运、锅炉点火升温升压、汽轮机冲转、并网、升负荷、锅炉转直流、CCS投入，直至额定工况运行，再降负荷至停机的所有操作。其次进行停机练习，包括逐渐降低负荷、发电机解列、降转速惰走直至主轴停止。最后是学生进行故障处理练习，在锅炉、汽轮机、发电系统和机组保护等系统中调取故障工况，要求学生通过小组讨论分析故障原因，并解决故障[3]。
（四）实训效果评价
评分系统是仿真系统的重要功能之一，教师应充分利用评分系统对仿真练习情况进行考核。火电厂虚拟仿真系统的操作条目复杂，教师难以对每个学生的练习步骤进行手动计分，而评分系统可以实时地对操作者的每一项操作步骤进行记录并打分，自动核对每步操作的正确与否。练习结束时，系统自动根据实际操作情况进行打分，生成操作得分情况的汇总表，汇总表内容包括练习时间、总分、操作步骤得分，学生可以参照汇总表梳理错误的操作步骤，极大地提高了仿真培训的效果。在评分系统的激励下，学生的培训积极性得到了提高。评分系统的成绩汇总表可以进行归档，极大地方便了考核过程[4]。
实训的最终成绩结合个人成绩和团队成绩给出。个人成绩包括到勤、课堂参与讨论情况、操作成绩和实训报告等。其中，参与讨论的成绩由指导教师给出，每堂课教师需要记录学生是否积极参与讨论、是否积极回答问题等;操作成绩由评分系统给出;实训报告要求3000字左右，可以以论文或者实训日记的形式撰写。团队成绩包括沟通情况、分工情况、团队精神和训练内容完成情况。
六、能动专业虚拟仿真实训教学的重点
（一）制定标准操作指导书
为了方便学生快速地掌握实训内容，教师制定了火电机组的虚拟仿真系统操作指导书，该操作指导书不仅包括了标准操作流程和技术规范，还对仿真系统的每个部分进行了详细叙述，可以有效幫助学生进行操作[5]。
（二）有效组织实训课堂
课内可将学生根据操作任务分成若干小组，实训内容细化后分给各个小组，以调动学生的参与积极性。
（三）联合进行仿真实训与实习
在仿真实训期间，带领学生到火电厂进行参观实习，现场学习火电厂的主要生产流程，这样在进行仿真操作时学生便有了深刻的印象，结合仿真系统的操作步骤，学生可以真正地做到理论知识与实践相结合。
（四）教师积极参与企业实践
相比一线的电厂操作人员，大学教师在企业的实践经验较少。虚拟仿真技术不断推陈出新，教师所掌握的理论操作知识与一线的生产有一定的距离。因此，负责仿真实训的教师有必要定期到现场进行实践学习，提升自己的专业知识，将理论知识与实践紧密结合。
（五）制定有效的考核办法
以考核为驱动力，调动学生的参与积极性，促进学生熟练掌握火电厂虚拟仿真系统的操作规程和流程，使学生深刻地掌握火力发电厂的工艺流程。
七、虚拟仿真平台建设的相关建议
（一）建立标准化的管理体系
虚拟仿真平台对使用者的专业知识和信息化知识要求较高，虚拟仿真实训平台的建设需要专业的管理体系，以及完整的信息化管理标准。
（二）建设专门的虚拟仿真实训教学团队
火力发电厂虚拟仿真过程涉及的专业较多，组建完备的教师团队非常重要，团队教师可以通过分工协作来完成实训内容指导。技术人员负责处理虚拟仿真平台的技术问题，保证平台的正常运转，并协助教师组织和开展教学活动[6]。
（三）VR沉浸式设备应用于虚拟仿真教学
三维数字化建模是近几年新型的虚拟仿真模式，它可以真实的还原火力发电厂的生产场景，学生可以在仿真机上漫游在火力发电厂的生产场景中，生动、形象地了解火电厂的生产现场、工艺流程和设备的内部结构。根据以往的教学经验，学生对采用VR沉浸式设备的教学方式十分感兴趣，将VR虚拟仿真技术应用于能动的虚拟仿真实训教学具有十分重要的意义[7]。
（四）创建良好的虚拟仿真平台共享机制
虚拟仿真平台的建设应体现服务师生的重要理念，实现虚拟仿真实训平台的校内共享。同时，可尝试进行有偿的校外共享资源，从而扩大宣传，方便其他院校了解我校虚拟仿真实验的教学现状，减少重复建设，同时可以利用共享机制得到的资金开发新的仿真软件。
（五）加强后期软硬件维护
计算机的发展技术日新月异，仿真平台的设备性能会快速的衰退。仿真系统的软件也需要专业人员进行更新和维护。因此，仿真平台的建设需要保证后期资金的充裕，不断地进行后期维护，维持仿真平台的高效运转[8]。
八、结语
将虚拟仿真技术应用于能源与动力工程专业的实训教学具有十分重要的现实意义，其高性能和创新性对高素质本科生的培养具有积极的推动作用。学生对虚拟仿真系统的学习兴趣普遍增强，有助于提高学生发现、分析和解决问题的能力，该仿真平台在大学生电厂实训课程改革中取得了良好的效果。
参考文献
[1]彭丹，李文举，高欣，等.虚拟仿真实验在高职能源动力类专业的应用及改革探索[J].职业技术，2020，19（9）：42-47.
[2]郑丽娜.信息化背景下地方本科高校经管类专业实验教学改革探讨[J].现代商贸工业，2020，41（31）：144-145.
[3]李青，李健，徐浩.1000MW超超临界火电机组仿真平台应用[J].仪器仪表用户，2014，21（6）：89-91.
[4]姚民康，董泽，任国俊，等.火电机组仿真培训自動评分系统研究[J].山东电力技术，2018，45（10）：53-56.
[5]汤吉昀，符晓玲，王超.新疆能动专业虚拟仿真教学的探索[J].教育现代化，2019，6（59）：169-170.
[6]何珊，方堃，刘慧明，等.虚拟仿真实验教学项目建设措施探索[J].科教导刊，2021（3）：65-67.
[7]黄永福，季六祥.基于VR技术的物流管理虚拟仿真实验教学中心建设探索[J].实验技术与管理，2020，37（8）：238-242.
[8]赵青林，成诚，谢丰，等.虚拟仿真实验教学建设中现存问题及改进建议[J].汉江师范学院学报，2019，39（6）：95-99.
Application of Virtual Simulation Technology in the Practical Training of Energy and Power Engineering
XUE Xiang-yu， ZHANG Hong， ZHANG Feng， WANG Bo， ZHANG Bin
（College of Mechanical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science and Technology，
Xian， Shaanxi 710021， China）
Abstract：
Virtual simulation teaching has the advantages of high degree of flexibility， strong interaction and low cost. Therefore， students can get immersive learning experience on the computer. Virtual simulation platform can demonstrate vividly the whole process of thermal power unit production and operation situation in a full range by the simulation of thermal power plant operation process， as well as the high temperature， high pressure， and high-risk production scenes. The virtual simulation technology is applied to the practical training of energy and power engineering， which meets the need of online training under the the normalization of the COVID-19 pandemic， and promotes the deep integration of laboratory informatization construction and practical training. It also provides a platform for students to participate in innovation and entrepreneurship training， curriculum design， graduation design and scientific research， and expands the application scope of the platform.
Key words：
virtual simulation; energy and power engineering; practical training