虚实结合实验方法应用于高压实验教学

陶劲松，张淑娟，文习山，袁艺嘉

(武汉大学1.电气工程学院，2.学报编辑部，湖北武汉 430072)

虚拟实验是实验课程中一种比较有效的方式［1］。它既能解决实验设备不足和价格昂贵的缺陷，又不受时间和地点的限制，还可以为网络教育和远程教育提供支撑，使这种实验方法得到了广泛的应用。然而单纯的虚拟实验又有其不足之处，如不能完全反映现场实验所面临的环境影响，实验步骤和现象细节无法与现场实验一一对应，尤其对动手要求很高的现场实验需要操作实验设备的真实的手感，这些都是虚拟实验不能替代的。为此，本文提出了虚实结合实验方法，并应用在高电压实验教学课程中。

1 虚实结合实验方法

1.1 虚拟实验类型

计算机与网络技术的高速发展使虚拟实验得以实现。相比现场实验，虚拟实验程序的设计步骤大幅简化，实验的主要变量都可以在虚拟实验平台中改变以达到一定的现场感。学生利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括实验条件的改变，数据采集以及实验结果的分析和归纳。

目前，虚拟实验有两种类型:①利用数学模型模拟现实实验的虚拟实验平台［2］。学生实验过程全部在计算机上完成，并可以通过实验平台上的数据处理软件处理实验数据;②通过万维网连接服务器以远程控制一个真实实验室的远控实验平台［3］。学生可以在任意计算机终端下载并操作网络终端程序，完成实验要求的所有步骤。

1.2 高压实验的特点

(1)高压实验设备电压等级较高，对人身和设备的安全都有一定的要求，出于对实验者的安全考虑，教师在实验操作前需进行安全教育;

(2)实验场地的准备所需时间较长;

(3)配置及维护高压实验室运行需要高昂的维护费用;

(4)高压实验通常需要两人以上共同操作，以防实验过程中引发安全事故［4］。国外的高压实验室相对比较成熟，也已有良好的保护装置，所以允许单人操作高压实验设备［5］。

由于，高压实验具有上述特点，其设备通常由指导教师或专业的实验人员操作，学生则观察实验现象和听取实验人员的讲解，然后用所得数据撰写实验报告。这种方式存在着诸多弊端，如果参与实验的学生人数过多，实验人员在实验过程中讲解效果就比较差。学生几乎没有独立进行现场实验的机会，更不用说高压实验需要多次重复同样的实验过程以获取足量数据。

1.3 虚实结合高压实验的意义

该方法分两部分进行:首先是学生集体听取实验人员对高压设备的介绍，并观摩实验全过程，了解现场实验的安全要求、实验步骤和注意事项;然后在个人计算机上安装虚拟实验平台并在平台上完成剩下的实验步骤，即重复操作虚拟实验平台以获得并处理大量实验数据。现场实验能为学生提供实体结构形状的图象，真实地展现实验方法和实验步骤。

2 虚拟实验平台的设计与应用

2.1 虚拟实验平台软件

虚拟实验平台的设计使用了Flash与Visio C++两种软件。Flash独特的优势(制作简单，易学易用，表现力较强，生成的文件小等)使之非常适用于教学课件和虚拟实验平台的开发。而Visio C++提供丰富的库函数，具有极高的执行效率。在Flash与Visio C++的交互设计过程中，Flash用于前台展现用户界面实现人机互动，Visio C++用于后台处理复杂数据并计算相应的结果，这样可以充分发挥两者的优势，制作出容量轻巧而功能强大的虚拟实验平台。

2.2 高电压虚拟实验平台硬件

平台硬件由直流高压实验，交流高压实验和冲击高压实验三种实验装置组成。如图1所示的直流高压实验和交流高压实验平台可以进行不同距离和不同极性的针板间隙和板板间隙的耐压实验，冲击高压实验装置可以进行高压设备的50%冲击耐压实验。

图1 交流高压虚拟实验平台

我们以高压设备绝缘的50%冲击放电电压实验为例介绍实验过程，学生听取实验人员讲解冲击电压发生器的结构组成、冲击电压发生器实验平台的操作步骤、以及在示波器上获取有效实验数据的方法;实验人员操作实验平台，调整放电球隙距离，估计试验品的击穿电压值并按照规程规定的实验要求逐步升压做数次试验品的击穿实验;学生在虚拟平台上完成余下的实验项目;学生可以下载虚拟实验平台，在计算机上操作完成50%冲击放电电压的实验过程。

高压实验的规程规定，现场实物的50%冲击放电电压的测量需要进行10到20次实验，获取每次发生器放电后，被试品击穿或不击穿的电压值，然后根据一连串的电压值计算出该试验品的50%冲击放电电压。然而在虚拟实验中，学生可以完成多次放电过程，测得足够的实验数据，并通过这些数据计算该设备的50%冲击放电电压值。

2.3 实验中设置随机变量

在现场实验中，即便同样的放电电压进行的前后两次实验，实验结果都有可能不同(击穿或不击穿)，这是由于空气绝缘介质中离子的去游离速度不同等原因所致。为使现场实验的这一现象能够得到真实反应，虚拟实验平台中利用概率理论在函数中加入一个随机变量，使同样放电电压的前后两次实验的击穿特性存在差异。另外，为满足所有电压等级的被试品实验要求，指导教师在实验前可根据标准要求设置被试品的电压等级及其击穿电压。

3 虚实结合实验方法的评估

3.1 实验任务和过程

虚拟实验平台开发完成后，在我校电气工程学院2009级学生专业选修课“高电压实验技术”中应用，学生先后完成了高压直流、交流和冲击实验。在观摩现场实验后，学生通过提供的虚拟实验平台软件包，按照指导教师的要求完成虚拟实验，获取并处理实验数据，完成实验报告。少数没有个人电脑的学生可以利用图书馆的计算机资源。

3.2 问卷调查结果

为了客观评价软件功能并进一步改进和优化实验平台，教师在分发软件包的同时下发了问卷调查，调查包括12道问题，其中有6个多选题和6个开放式问答。题目包括虚拟实验的消耗时长，收获以及个人观点，虚拟实验与现场实验的结合的意义等。反映虚拟实验平台的优点主要集中在以下几点:

(1)大多数学生可在3小时内完成虚拟实验，说明虚拟实验效率高。

(2)有93%的学生认为，通过虚拟实验不仅可以更深入地了解实验过程，还可以根据实验获得的数据掌握相关的理论知识，弥补了现场实验参与性的不足;

(3)有92%的学生肯定了虚拟实验的必要性。他们认为，虚拟实验平台模拟了现场实验设备和实验过程，满足了他们对实验资源的需求，而且费用低廉。学生评价该实验平台的实验时间与地点灵活，是学习课程的好工具。

3.3 学生的改进意见

学生在肯定实验平台的优点的同时，对现场实验软件设计提出了一些建议。

(1)进一步加强与实验现象相关的音像效果来增强画面表现力，营造虚拟教学实验平台的现场感，使学生能够更好地联系虚拟实验与现场实验;

(2)提升虚拟实验平台的交互性，提供组态模块，给使用者有更多参与实验的选择权;

(3)建立更为精确的模型，适当引入环境因素如湿度、温度、压强以及积累效应对测量结果的影响，使虚拟实验能更有效地反映现场实验中各因素对实验数据的影响;

(4)在虚拟实验软件设计过程中，可以根据实验步骤设置不同阈值提供安全性评估。通过评估每位学生的操作步骤，让实验平台给每位学生打分，根据学生得分高低决定其进行现场实验的资格。

4 结语

本文提出虚实结合实验方法应用于高压实验教学。在该实验方法中，现场实验和虚拟实验相辅相成，二者缺一不可，现场实验能为学生提供真实的现场感受，为虚拟实验提供完整的实验步骤;虚拟实验可以提升学生实验操作能力，无安全之虞，节省教学成本，并补足现场实验所不能提供的实验次数。虚拟实验还可以作为现场实验的技术培训方式，先期进行，让学生学习实验设备的操作程序，全面掌握实验设备的注意事项和步骤，并为现场实验操作资格提供评估依据。当然，无论虚拟实验平台设计得如何完美，只可以成为现场实验的补充，不能代替后者。笔者提出用虚实结合的方法引导学生学习高压实验的目的，正是基于以上考虑。

［1］ Karady，G.G.et al.Role of Laboratory Education in Power Engineering:Is the Virtual Laboratory Feasible?［C］.Power Engineering Society Summer Meeting 2000.IEEE，2000:1471-1477.

［2］ Bello，L.L.et al:From a Research Testbed to a Virtual Educational Laboratory［J］.Industrial Electronics，IEEE Transactions.2009:4844-4853.

［3］ Clanton，S.T.et al.Optical merger of direct vision with virtual images for scaled teleoperation［J］.Visualization and Computer Graphics，IEEE Transactions on.2006:277-285

［4］ 田丰.虚拟实验与真实实验整合研究［J］.北京:实验技术与管理，2005，22(11):89-92.

［5］ 陶劲松，英国曼彻斯特大学高压实验室管理与运行探讨［J］，北京:实验技术与管理，2011(10)，159-162