新工科背景下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐

王建華 段建東 姬軍鵬 李潔

摘? ?要：新工科專業(yè)對(duì)人才的實(shí)踐與創(chuàng)新能力提出了更高的要求。首先，文章針對(duì)新工科課程實(shí)驗(yàn)的空白、缺乏具有交叉學(xué)科背景與主觀能動(dòng)性人才，以及面對(duì)突發(fā)災(zāi)害無硬件實(shí)驗(yàn)可做的問題，剖析了新工科背景下虛擬仿真的意義;其次，就目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不深入、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無挑戰(zhàn)性、工程場(chǎng)景嚴(yán)重失真等問題進(jìn)行了總結(jié)，并以新工科課程《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，從虛擬目標(biāo)、平臺(tái)建設(shè)與評(píng)價(jià)體系三個(gè)角度進(jìn)行了探索;最后，闡述了疫情期間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：新工科;交叉學(xué)科;虛擬仿真

中圖分類號(hào)：G642;TM774 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2021）22-0033-05

一、引言

近年來新工科成為我國本科生教育探索的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)議題。[1-2]2018年3月15日，教育部辦公廳發(fā)布《教育部辦公廳關(guān)于公布首批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，包含大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等相關(guān)工科專業(yè)，需要培養(yǎng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的，各類高素質(zhì)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型的優(yōu)秀人才。如何培養(yǎng)符合“新工科”要求的大學(xué)生成為各大高校教學(xué)改革的目標(biāo)。[3]

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與性能的提升，虛擬技術(shù)的應(yīng)用日漸成熟，成為學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生、企業(yè)培訓(xùn)員工的新方式。在國外，美國麻省理工與加州大學(xué)已建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室;[4]泰國已實(shí)現(xiàn)并開放VR街景博物館;2017年，英國宣布將VR技術(shù)應(yīng)用于國家醫(yī)療體系計(jì)劃;蘋果、華碩等也推出了一體機(jī)和PC頭顯等高端產(chǎn)品;大眾集團(tuán)最近計(jì)劃利用VR培訓(xùn)員工。[5]在國內(nèi)，虛擬仿真技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步走向深度融合，通過模擬復(fù)雜、抽象、高成本的真實(shí)場(chǎng)景來呈現(xiàn)多維度的虛擬環(huán)境，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)革新的一個(gè)新方向。[6]截至2019年，我國教育部認(rèn)定了401個(gè)國家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，旨在彌補(bǔ)教學(xué)資源不足、實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與高等實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合。[7-10]虛擬仿真不僅可以用于沉浸式、情境式與互動(dòng)式教學(xué)，也可實(shí)現(xiàn)跨地域、跨時(shí)間的自由授課;因自然災(zāi)害與突發(fā)事件只能進(jìn)行遠(yuǎn)程授課時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是唯一可開展的線上硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院借鑒國內(nèi)外高校與企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自身情況，建立了針對(duì)《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程的省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)——“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)”，2020年被認(rèn)定為國家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目與國家級(jí)精品課程。本文分析了虛擬仿真教學(xué)的意義，探討了國內(nèi)地方院校在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中暴露出的問題，以《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，就虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)目標(biāo)、平臺(tái)開發(fā)及評(píng)價(jià)體系三個(gè)方面展開了探索與實(shí)踐，并分享了虛擬仿真平臺(tái)在綜合實(shí)踐中與疫情期間試應(yīng)用的效果。

二、新工科背景下虛擬教學(xué)的意義

1.填補(bǔ)新工科本科課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白

為了解決新型、新興與新生產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中遇到的人才瓶頸問題，部分傳統(tǒng)專業(yè)升級(jí)改造為以互聯(lián)網(wǎng)和智能制造為核心的新工科專業(yè)。新工科專業(yè)培養(yǎng)的人才需具有深厚理論功底的同時(shí)，也要具備解決復(fù)雜工程問題能力、創(chuàng)新能力及國際競(jìng)爭(zhēng)力，能夠推進(jìn)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

事實(shí)上，當(dāng)下新工科專業(yè)的理論課程教學(xué)體系尚且在探索中，實(shí)驗(yàn)課開出量極少。部分新工科專業(yè)知識(shí)點(diǎn)太抽象，實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以建設(shè)，部分實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，存在成本、安全與場(chǎng)地等問題。如智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)的《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》這門課程涉及新能源并網(wǎng)，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，要搭建傳統(tǒng)火電廠、水電廠、升壓變壓器、傳輸線路、降壓變壓器、變電站、光伏電廠、風(fēng)電場(chǎng)、電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能設(shè)備等，實(shí)驗(yàn)器材昂貴、體積大、故障不可逆，普通地方院校從能力、成本與場(chǎng)地等方面來說都是不允許的。其次，電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作涉及高電壓、大電流、大功率，學(xué)生的安全性沒有保障。最后，以風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越實(shí)驗(yàn)為例，電流與電壓變化允許持續(xù)的時(shí)間最長為0.625秒，故障現(xiàn)實(shí)中難以捕捉。因此這類新工科課程大都偏向純理論教學(xué)，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容空心化、書面化，缺乏前瞻性，培養(yǎng)的學(xué)生普遍專業(yè)基礎(chǔ)薄弱、工程實(shí)踐能力差，且創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)，難以滿足新能源企業(yè)與新時(shí)代對(duì)高校高層次人才的需求。[11]

虛擬仿真技術(shù)可以通過虛擬實(shí)物內(nèi)部構(gòu)造與具體運(yùn)行機(jī)制，使實(shí)驗(yàn)具有可沉浸性、交互性和構(gòu)想性，克服新工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)難的問題，可填補(bǔ)新工科課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。學(xué)生能夠沉浸在虛擬環(huán)境中，提高實(shí)踐能力，開發(fā)創(chuàng)新思維。

2.有助于交叉學(xué)科課程高效開展

新生、新興與新型產(chǎn)業(yè)自身系統(tǒng)形態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜，涉及的技術(shù)大部分是多門學(xué)科之間的高度融合，因此學(xué)科交叉性高是新工科專業(yè)普遍具有的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的單學(xué)科教學(xué)還在改革與探索中，交叉學(xué)科的介入對(duì)教師和學(xué)生來說都是新的挑戰(zhàn)?？鐚W(xué)科課程設(shè)置得太少，學(xué)生只了解了皮毛，不能達(dá)到服務(wù)本學(xué)科的目的，但跨學(xué)科課程安排得太多，必然要縮減大量本學(xué)科課程，導(dǎo)致本末倒置或者沒有了主次之分，與培養(yǎng)理論功底扎實(shí)的新工科專業(yè)建設(shè)初衷背道而馳。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有教學(xué)、觀賞與游戲的特征，是年輕人感興趣的網(wǎng)絡(luò)操作。這有助于激發(fā)學(xué)生的好奇心與斗志，學(xué)生可以不受時(shí)間與地點(diǎn)的限制，實(shí)現(xiàn)自由學(xué)習(xí)，從內(nèi)心深處行動(dòng)起來，有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，改善學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)、教師被動(dòng)教學(xué)的現(xiàn)狀。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于師生對(duì)跨學(xué)科課程迅速、直觀與高效地理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過一個(gè)工程案例，生動(dòng)、直觀地引導(dǎo)學(xué)生弄清楚將來工作需要哪些學(xué)科的知識(shí)、各門學(xué)科是如何協(xié)同工作的，以及對(duì)各學(xué)科知識(shí)水平的要求，促進(jìn)學(xué)生的理解與創(chuàng)新，滿足課程高綜合性和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)形態(tài)復(fù)雜性的需要。

3.完善線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害

近年線上、線下混合的教學(xué)模式受到高度關(guān)注，大部分高校建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是為了解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以展開的問題。但2020年春季由于新型冠狀病毒傳播嚴(yán)重導(dǎo)致全國乃至世界范圍內(nèi)的高校采取了線上教學(xué)，在該過程中暴露出高校往日忽視線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，導(dǎo)致線上實(shí)驗(yàn)缺乏，上課模式由理論結(jié)合工程實(shí)踐倒退回到了純理論教學(xué)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以解決實(shí)驗(yàn)室不能開設(shè)實(shí)驗(yàn)課的問題，且沖破了地域限制，可實(shí)現(xiàn)上課時(shí)間與地點(diǎn)自由的教學(xué)模式。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)，教師可遠(yuǎn)程指導(dǎo)，學(xué)生依舊可以做實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐雙雙線上教學(xué)，確?！巴Ｕn不停學(xué)”得到徹底落實(shí)、線下轉(zhuǎn)線上后教學(xué)質(zhì)量不縮水。

圖1為本科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展意義總結(jié)，以培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的人才為中心，從內(nèi)因教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)效果的需要，及外因應(yīng)對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害三個(gè)層面加以凝練，闡述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展的重要性。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

1.淺嘗輒止，流于形式

國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的初衷是為了滿足教學(xué)需求，培育高質(zhì)量人才，然而國內(nèi)部分高校卻把這當(dāng)成了一個(gè)指標(biāo)。經(jīng)過多方調(diào)研得知，部分高校不惜重金建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一旦通過了認(rèn)證，虛擬仿真平臺(tái)就像“花瓶”一樣被擱置在官方門面上，應(yīng)用率低。

需要展開虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的課程往往會(huì)涉及抽象概念、不常見設(shè)備、龐大復(fù)雜的過程體系，即使是相關(guān)的企業(yè)工作人員可能也要花幾年的時(shí)間才能深入了解內(nèi)部機(jī)理，高校教師大都沒有工程經(jīng)驗(yàn)，做軟件的工作人員不一定是專業(yè)出身。因此很多設(shè)備只有外形，里面是個(gè)黑盒子，通過簡(jiǎn)單地堆積與拼接，構(gòu)建一個(gè)看似龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)際卻沒有內(nèi)涵，部分工程場(chǎng)景被簡(jiǎn)化或刪除，保真度嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，難度與實(shí)際工程差距太大，無法達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

華而不實(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)，缺乏學(xué)生參與參數(shù)設(shè)計(jì)與調(diào)試等互動(dòng)環(huán)節(jié)，兩個(gè)小時(shí)的課程學(xué)生半個(gè)小時(shí)就可以完成。這樣的實(shí)驗(yàn)課程，一方面降低了課程的難度，失去了課程該有的挑戰(zhàn)性，違背了國家提倡的打造“金課”的理念;另一方面雖然減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)的壓力，但是助長了學(xué)生上“水課”的心態(tài)，扭曲了學(xué)生對(duì)工程應(yīng)用的認(rèn)知。

2.虛擬案例與工程工況差距大

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過虛擬模型將真實(shí)工廠“搬”進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，最大限度地還原企業(yè)工程場(chǎng)景是虛擬實(shí)驗(yàn)取得良好效果的前提。由于高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的工程場(chǎng)景嚴(yán)重失真，看起來“假”，難以讓學(xué)生相信是真實(shí)企業(yè)環(huán)境的模擬，脫離了工程實(shí)際環(huán)境。對(duì)此，西安理工大學(xué)電氣學(xué)院虛擬建設(shè)團(tuán)隊(duì)對(duì)部分企業(yè)的虛擬仿真項(xiàng)目進(jìn)行了研究。企業(yè)的虛擬仿真場(chǎng)景逼真，有身臨其境的感覺，但項(xiàng)目偏向漫游與基本認(rèn)知，可以滿足企業(yè)的需求，對(duì)高校而言，缺乏設(shè)計(jì)與綜合模塊。

因此，如果實(shí)現(xiàn)高校與企業(yè)的合作，企業(yè)主要負(fù)責(zé)虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)，高校負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，兩者深度結(jié)合，可以改善現(xiàn)狀。但目前校企合作仍以科研合作為主，教學(xué)方面受到專利所有權(quán)、學(xué)生安全與經(jīng)濟(jì)效益等的影響，合作深度仍不足。

四、虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.明確虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

開發(fā)與建設(shè)具有專業(yè)基礎(chǔ)、工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、探索創(chuàng)新三大模塊的，綜合性、工程性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并充分發(fā)揮學(xué)校、企業(yè)與學(xué)生的主觀能動(dòng)性，是該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的目標(biāo)。

（1）基礎(chǔ)模塊滿足基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要能夠提供與電力系統(tǒng)中真實(shí)設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)與性能一致的虛擬設(shè)備。虛擬設(shè)備具有立體的展現(xiàn)方式、靈活的操作形式，可根據(jù)教學(xué)需求分解和組合，遵守操作方式、內(nèi)容與真實(shí)設(shè)備一致的原則。

（2）發(fā)揮“校-企”主觀能動(dòng)性，凸顯工程性

工程項(xiàng)目必須由真實(shí)的工程情境、工程問題、工程知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)等構(gòu)成，自成系統(tǒng)。形成產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。充分利用高校與企業(yè)、研究所之間，項(xiàng)目合作所積累的算法、數(shù)據(jù)及經(jīng)典案例等資源，將科研成果應(yīng)用到本科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，輔助教學(xué)。虛擬場(chǎng)景模型來源于企業(yè)拍攝的工廠環(huán)境，通過校、企、所、軟件公司四方，反復(fù)核對(duì)、矯正、改進(jìn)，確保虛擬環(huán)境高保真度。

高校的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)通過資源共享的方式向企業(yè)、研究所開放與共享，形成正向閉環(huán)的強(qiáng)化機(jī)制。確保實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)高校、研究所、企業(yè)的價(jià)值與意義，調(diào)動(dòng)三大機(jī)構(gòu)的能動(dòng)性，相互配合，圍繞共同的需求目標(biāo)，形成創(chuàng)新合力，推動(dòng)產(chǎn)出，緊跟新時(shí)代 “協(xié)同育人”的步伐。[12]

（3）發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，模塊引領(lǐng)行業(yè)

調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)能力、工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)融合行業(yè)的前沿技術(shù)、領(lǐng)域的瓶頸問題，培養(yǎng)學(xué)生自主對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考、質(zhì)疑與改進(jìn)的習(xí)慣，讓學(xué)生最大化發(fā)揮自身主觀能動(dòng)性。確保以創(chuàng)新能力與應(yīng)用能力為培養(yǎng)主線，依托行業(yè)發(fā)展，構(gòu)建適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的、以企業(yè)需求為導(dǎo)向的“零距離”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2.開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

分析研究大量同專業(yè)、跨專業(yè)的國家示范虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，如能源動(dòng)力、生物學(xué)、機(jī)械、軌道交通、醫(yī)學(xué)等類別的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。[13-16]通過對(duì)優(yōu)秀示范項(xiàng)目虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難易程度、實(shí)驗(yàn)量、課時(shí)量，以及學(xué)生的參與度、社會(huì)評(píng)價(jià)與教學(xué)效果評(píng)價(jià)的了解，并結(jié)合自身師資情況，以《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程為服務(wù)對(duì)象進(jìn)行內(nèi)容構(gòu)思、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開發(fā)了如圖2所示的“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)”平臺(tái)，平臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)K有風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)認(rèn)知、風(fēng)功率預(yù)測(cè)與低電壓穿越三個(gè)模塊。虛擬仿真界面如圖2a所示。

堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能實(shí)不虛的原則。[17]圖2b為風(fēng)電場(chǎng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，由真實(shí)風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行視頻和實(shí)際數(shù)據(jù)與3D虛擬模型兩部分結(jié)合而成，通過漫游的方式向?qū)W生展示風(fēng)機(jī)的組成、運(yùn)行和控制的工程場(chǎng)景，讓學(xué)生真切地認(rèn)識(shí)風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場(chǎng)、控制中心及配電網(wǎng)的運(yùn)行過程，理解分散式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)工作原理。

堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程實(shí)際一致的原則。如圖2c所示，利用仿真計(jì)算軟件構(gòu)建模擬風(fēng)電機(jī)組、配電網(wǎng)計(jì)算模型，采用7年來的實(shí)際分散式風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)歷史數(shù)據(jù)，一起構(gòu)成模擬分散式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容專業(yè)基礎(chǔ)與綜合創(chuàng)新并重的原則。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含專業(yè)基礎(chǔ)、綜合設(shè)計(jì)和探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，所涉及的知識(shí)點(diǎn)包括新能源電力系統(tǒng)的工作原理、分散式風(fēng)電并入配電網(wǎng)的拓?fù)浣M成、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)風(fēng)電并網(wǎng)功率的預(yù)測(cè)方法、故障暫態(tài)時(shí)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的控制策略，如圖2d所示。以教師與企業(yè)合作的項(xiàng)目為教學(xué)案例，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。

3.完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)體系

（1）教學(xué)評(píng)價(jià)

對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)，采用主觀和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)考核方式，減少考試所占的比例，增加日常文獻(xiàn)閱讀量、資料查閱情況、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的參與度、設(shè)計(jì)水平和完成情況所占的比重，每周動(dòng)態(tài)更新每位學(xué)生的各模塊成績(jī)，扭轉(zhuǎn)考試決定成績(jī)的傳統(tǒng)理念，穩(wěn)固工程實(shí)踐在學(xué)生心中的地位，進(jìn)而激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

加強(qiáng)對(duì)教師的評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)授課方式以板書與PPT結(jié)合的方式為主，比較成熟，新教師容易上手，學(xué)生容易接受。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了變化，學(xué)生可以在系統(tǒng)上對(duì)教師的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，針對(duì)授課內(nèi)容的難易程度、項(xiàng)目的綜合性與教師的授課方式等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)和提出建議。

（2）利用率評(píng)價(jià)

《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)源于教學(xué)，但不止步于教學(xué)。增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開放的時(shí)間，擴(kuò)大開放范圍，加強(qiáng)指導(dǎo)服務(wù)，盡量滿足全校范圍內(nèi)教學(xué)、課設(shè)、競(jìng)賽、畢設(shè)等師生的需求，并與企業(yè)、研究所、其他高校形成長期合作的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)資源共享，充分發(fā)揮平臺(tái)的工程實(shí)踐作用，提高利用率。

通過課程《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)探索，筆者總結(jié)出如圖3所示的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)構(gòu)架。首先，明確建設(shè)的目的與必要性，確保以解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn);其次，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的全面性與高階性，同時(shí)充分利用教師科研項(xiàng)目資源、企業(yè)與研究所的工程資源，調(diào)動(dòng)包括學(xué)生在內(nèi)的多方參與，形成互利共贏的閉環(huán)回路，為虛擬平臺(tái)的保真度與可持續(xù)性保駕護(hù)航;最后，評(píng)價(jià)機(jī)制是平臺(tái)應(yīng)用效果的保障、改進(jìn)方向的依據(jù)。

五、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)踐

1.虛擬仿真的教學(xué)實(shí)踐

西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院針對(duì)新工科課程《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》于2019年建立了省級(jí)“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)”平臺(tái)，這是學(xué)院唯一可利用的線上實(shí)驗(yàn)資源。充分利用該平臺(tái)，上《新能源技術(shù)》、《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》、《電力系統(tǒng)》等相關(guān)課程的學(xué)生靈活地安排時(shí)間，以該虛擬仿真軟件為載體，結(jié)合自己的課程，選擇需要的模塊進(jìn)行學(xué)習(xí) ，授課教師上課期間進(jìn)行集中指導(dǎo)與拔高。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景生動(dòng)逼真、人機(jī)交互性強(qiáng)，模塊之間局部與整體可任意切換，學(xué)生易沉浸在虛擬風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，專注于完成每一個(gè)虛擬關(guān)卡，緩解了學(xué)生長時(shí)間盯著電腦屏幕易犯困、狀態(tài)掉線、無法理解知識(shí)點(diǎn)等問題。也給教師講課帶來了方便，講解有對(duì)象，知識(shí)應(yīng)用有依托。有虛擬實(shí)驗(yàn)的課程學(xué)生出勤率更高、上課更活躍、參與度更高，掌握知識(shí)點(diǎn)的效果更好。

疫情導(dǎo)致全國高校課程統(tǒng)一轉(zhuǎn)移到線上，疫情是突發(fā)的，學(xué)生與教師都還沒做好線上學(xué)習(xí)與授課的準(zhǔn)備。電氣工程學(xué)院的很多課程涉及風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、電力調(diào)度與故障診斷等內(nèi)容，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，沒有工程實(shí)踐操作，學(xué)生很難將局部與整體聯(lián)系在一起，進(jìn)行新型、復(fù)雜、抽象的系統(tǒng)講述，讓學(xué)生易懂對(duì)教師來說也是挑戰(zhàn)。

2.虛擬仿真的企業(yè)實(shí)踐

新能源相關(guān)的企業(yè)在摸索中發(fā)展，企業(yè)員工的培訓(xùn)環(huán)節(jié)尤為重要。與我校共建該虛擬仿真系統(tǒng)的陜西某供電局、某省電科院及陜西某縣風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)均應(yīng)用該虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行了員工培訓(xùn)，確保企業(yè)進(jìn)度與運(yùn)行正常。針對(duì)該虛擬仿真系統(tǒng)的交互性、保真度與高階性，企業(yè)給予了高度評(píng)價(jià)，用后提出了一些改進(jìn)建議，并提供了類型更多的真實(shí)工程案例數(shù)據(jù)、圖片與視頻。

同時(shí)此虛擬仿真軟件也解決了疫情期間企業(yè)無法集中培訓(xùn)員工的難題。針對(duì)此虛擬仿系統(tǒng)，校企之間不僅僅是合作開發(fā)，更是合作應(yīng)用與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的校企互利共贏、共同維護(hù)，提高了企業(yè)與高校合作的主動(dòng)性，為其他新工科課程實(shí)現(xiàn)校企合作探索出了道路。

六、結(jié)語

西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院緊跟時(shí)代的步伐，針對(duì)新工科專業(yè)智能電網(wǎng)信息的《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的探索與實(shí)踐，開發(fā)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)”平臺(tái)，力求填補(bǔ)新工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，整合校企資源，將工廠搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中大膽地嘗試設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，開拓學(xué)生視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，拓展學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力與創(chuàng)新能力。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也是疫情期間在線上授課過程中唯一可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)類型，確保了理論教學(xué)與工程實(shí)踐同步進(jìn)行。同時(shí)，該虛擬仿真平臺(tái)在企業(yè)得到了真正的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了校企閉環(huán)合作模式，為其他高校的新工科專業(yè)在開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)時(shí)提供了借鑒。

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（編輯：王天鵬）