虚实结合电气类实验实训教学模式的研究与应用

摘要：虚拟仿真实验具有不受时间、空间的限制，安全、方便，可以对多种实验场景和工作状态进行模拟和运行的特点，同时也存在理想化和缺乏真实实验环境等不足。针对电气类专业特点，通过以虚拟仿真实验对现有实验设备进行有效的补充，并探索新的试验实训教学模式，并在实际教学应用中取得了良好的教学效果。

关键词：虚拟仿真；教学模式；虚实结合

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）50-0248-02

一、引言

随着科技和经济的发展，国家对坚强电网的大力推进，社会对电气工程类人才培养提出了新的要求，即如何培养具有扎实的专业技术知识、具有较强的工程能力和创新能力以及对突况的应变和处理能力的新时期电气类人才，也同时对新时期电气工程类专业实验实训教学提出了新的挑战。

二、电气类专业实验特点

由于电气工程类专业涉及到发、输、变、配、用等环节，涉及电网体系结构、保护、信息采集、信息处理、电力通信等专业知识，使得电气类专业实验室的建设和实验实训的开展面临一系列问题，主要体现如下：（1）由于实验设备电压等级高、价格高，同时对于实验场地也有特殊要求，因此电气工程类专业实验室建设成本高；（2）由于成本高、场地大，使得实验室设备台套数有限，无法同时满足大量学生实验，从安全考虑，老师的授课难度也增大，同时也限制了实验学生人数；（3）电力系统电压等级高、电力网复杂、高危险，对于大规模、时变复杂系统的电力系统实验无法进行。因此形成了电气类专业实验的高成本、高危险、高难度的特点，有些实验受到实验条件的限制无法开展。

三、虚实结合实验实训教学模式的构建

实验教学是教学活动中的重要环节，对于培养大学生的实践动手能力、开拓创新能力和提升大学生综合素质等方面起着举足轻重的作用[1]。因此有必要利用已有实验条件，结合学校对电气工程类专业人才培养的要求及社会对人才的需要，利用先进技术，扩展和充实学生实验，构建新型实验教学模式。

1.虚实结合的实验教学平台构建。虚拟实验，是指按照实验教学的目标要求，建立虚拟的工程实验环境，运用各种虚拟仪器和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真，构成新型的实验教学的方法[2]。虚拟仿真实践教学利用先进的技术，能够充实实践教学的内容，扩大学生的参与度和学习深度，扩大学生的学习空间和时间，对学生能力的培养和创新能力提高提供很好的平台。根据《关于开展部级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号）文件精神，“虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果”。然而，虚拟仿真实验通过计算机模拟真实实验所获得的已知规律，因此存在理想化和缺乏真实实验环境等不足。

因此，依托现有的实验实训资源，包括继电保护实验装置、电力电子及电力拖动实验装置、配电自动化实验装置、车间供配电系统，以及在建的包括新能源发电系统运行与控制、智能配电、电力设备在线监测和智能用电及电力系统仿真等几个环节的智能电网实验室，结合物联网、电磁兼容测试、测控技术实验中心等实验装置，综合利用科研成果，利用实验中心网站，共享实验资源，按照“构思-设计-实施-运行”CDIO）工程教育理念，建立了融合“数字仿真+半实物仿真+实物仿真+运行验证”于一体的，虚实结合、相互补充的电气工程类虚拟仿真实验教学平台，为虚实结合实验教学的开展奠定坚实的基础。

2.虚实结合的实验实训教学方法。根据电气工程类专业“强弱电相结合、电气与信息相融合，要求实践动手能力强”的特点，将已有实验教学平台与虚拟仿真实验教学平台相结合，能实不虚，将实际操作与仿真模拟相结合，虚实结合，与电气工程的学术与行业发展相结合，改革实验教学体系、教学方法和手段，合理调整、完善和补充实验内容。

在虚实结合的“两维度、三层次、多模块”实验教学体系下，坚持行业和学术两个纬度，坚持电路仿真设计及测试为主的基础层次、以物理模拟和混合仿真为主的拓展层次、以工程运行及验证为主的创新层次等三个层次，每个层次分设多个实验实训的教学模块，并在教学过程中贯彻以学生自主学习能力为主的教学方法，并借鉴提出问题，开展实验，观察现象，收集实验数据，实验数据分析处理，探讨及研究，分析结论，论证和证明，再练习，再总结的模式[3]，以学生为主体，独立操作，独立思考和探索，从而提高学生自学能力、工程能力和创新能力。

如图1所示，在虚实结合的电气工程类专业虚拟仿真实验教学模式的各个层次中，针对课程及专业特点，面向电力行业发展和学生能力提升，以电力生产过程中"发电-输电-变电-配电-用电"为主线，依托全数字仿真、半实物仿真和实物仿真为一体的虚实结合的电气工程类专业虚拟仿真实验平台，以教学内容整合以及教学方法及手段的改革为主要形式，分阶段设置虚拟仿真实验实训模块和传统实验、混合仿真实验。构建侧重基础技能、专业技能和科研、工程能力提升实验模块。例如新能源实验模块，可以先让学生自学，然后进入实验室，对实际的电池板进行性能及参数测试。然后再进行仿真，研究不同工作环境包括温度、照度等对光伏电池板输出特性的影响，再对实际光伏发电系统进行研究，对最大功率跟踪控制方法进行仿真，再进行实际系统的设计与调试。例如对于电力系统继电保护实验，可以基于PSCAD进行故障仿真及保护值的整定和计算，通过对各种状态下故障的波形和数值分析，与理论课程相结合，对知识进行加深和巩固，并对仿真结果进行研究得出结论，然后再在继电保护实验台上了解实际继电保护系统的组成、工作原理和操作方法，虚实结合，相互促进。

虚实结合的实验实训教学中对实验内容的组织和实验过程的设计尤其重要，合理地实现虚拟仿真与传统实验的优势互补，同时做到能实不虚，通过虚拟仿真及网络平台将课程进行有效延伸到课外，使得学生的实验突破时间和空间的限制。

3.完善的考评方法。“虚实结合”的实验考核主要用于检验学生在“虚”、“实”两种环境中解决问题的能力，因此考核评价应包括虚、实两个部分内容[4]。同时，完善的考评方法对学生的学习积极性有着极大的促进作用，在考评中，针对学生的设计、动手、仿真、调试等各个环节分别进行打分，对于某些特殊的以小组共同完成的实验实训，还可以增加提问和答辩环节，同时也增加学生制作作品性能的评分，综合多项评分完成学生的考评。同时考评中鼓励学生创新思维，在确保安全的前提下，努力为学生的创新实践提供条件和支持。

通过上述方法，使得学生真正有效地参与到实验实训的各个环节中来，做到全面跟踪学生实验实训过程，确保公平公正地评价学生的工作。

四、教学效果

虚实结合实验实训教学模式的构建，利用虚拟仿真实验，使得一些原来无法开设的实验得以开展，使学生的专业知识得到了巩固，同时将虚拟实验与现有设备相结合，通过分阶段、相融合的方法，使学生的创新能力得到了很大的提高，在工程实践能力、综合素质等方面也得到明显提高。学生的在各项科技大赛中取得了良好成绩，也在各创新创业项目中取得了优异的成绩，学生反映良好。

五、结论

虚拟仿真实验具有不受时间、空间的限制，安全、方便，可以对多种实验场景和工作状态进行模拟和运行的特点，同时也存在理想化和缺乏真实实验环境等不足。而电气类专业实验装置由于设备价格昂贵、体积庞大等因素，制约了电气类专业实验室的建设和实验的开展。结合虚拟方针与实际物理模型和设备，有效构建电气类实验平台，并进行虚实结合的实验实训教学模式的开展，有效地提高了教学效果，促进了学生综合能力的提高。

参考文献：

[1]王晓岗，张星，李静，等.开放实验教学管理研究[J].实验技术与管理，2012，29（4）：155-157.

[2]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理，2005，22（1）：35-37.

[3]李兵.基于X3D数字电路虚拟实验的构建及教学模式研究[J].湖南第一师范学院学报，2012（5）：76-79.

[4]何秀全，韩耀军.整合资源构建“虚实结合”的计算机网络课程实验室[J].现代教育技术，2010，20（9）：143-145.