水电仿真实验室建设与教学实践探索

邹淑云　刘 忠　戴曙光　周　瑧长沙理工大学能源与动力工程学院　湖南长沙　410114

水电仿真实验室建设与教学实践探索

邹淑云刘 忠戴曙光周瑧
长沙理工大学能源与动力工程学院湖南长沙410114

在教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的大背景下，以长沙理工大学水电仿真实验室的建设为例，介绍了实验室的建设方案，构建了“四层次、四开放”的实验教学模式，重点介绍了基础性、综合性、设计性以及自主创新性四层次仿真实验课程体系及其实验效果。实践表明，开放式的虚拟仿真实验教学有利于能源动力类大学生实践和创新能力的培养。

实验室建设；虚拟仿真；水电；课程体系

由于现场生产安全的限制，工科学生的现场生产实习效果往往不佳。[1，2]为了全面提高高校学生创新精神和实践能力，教育部提出建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心。[3]哈尔滨工程大学建设了核科学与技术虚拟仿真实验教学中心[4]，东南大学建设了机电综合虚拟仿真实验教学中心[5]，中国矿业大学建设了采矿工程虚拟仿真实验教学中心[6]，华北电力大学建设了电力工程全过程虚拟仿真实验教学中心。[7]通过虚拟仿真实验教学，学生在校期间即能在与生产现场十分接近的虚拟环境中进行全过程的实践锻炼，掌握复杂工业系统操控技术，实践操作达到实际生产操作规范和技术标准要求，保证了人才培养与社会需求的紧密衔接。[8]

我校能源与动力工程专业水动方向的实践教学过程中，水电厂实习现场学生不能触碰相关仪器设备，缺乏对水电厂整体系统的深入认识，而真实的实验存在高风险、高能耗、高成本等问题，难于开展。因此，为了更好地适应水电企业对创新型人才的需求，全面提高我校水动方向毕业生的实践能力，提升毕业生的就业质量和我校在水电行业的知名度，我校投入了一定的人力、物力，开展了水电仿真实验室建设和教学实践探索工作。

1　水电仿真实验室建设

水电仿真实验室的建设方案如图1所示。在充分调查研究的基础上确立新形势下水电仿真实践教学必须遵循的若干原则：实用原则、就业导向原则、先进性原则、目标性原则。进行各项规章制度的健全完善，形成设备的科学管理方法，加强教师的业务培训，构建多种形式的开放式教学模式。通过效果评估，不断完善，形成科学合理、操作可行的仿真实践教学模式。

图1　水电仿真实验室建设方案

2　水电仿真实验教学模式

实验室建立了基于校园网平台的网络化实验教学管理系统，该系统实现了各实验室教学资源统筹调配、资源共享，构建了优质的教学设备管理系统；同时，实现了网上实验预约、实验教学时空、内容的全面开放，为实验教学提供了良好的信息平台。

实验室构建了“四层次、四开放”的实验教学模式，面向学生全面开放。实验内容设置为基础性实验、综合性实验、设计性实验以及自主创新性实验4个层次；开放形式上做到时间开放、场所开放、内容开放、对象开放4种模式。学生可在网上与实验教师预约实验时间、地点、内容，然后按约定自主进行实验。如学生在规定时间内未能完成实验，可以再次预约时间继续完成实验内容。这种人性化、个性化、具有弹性的预约开放运行机制给学生提供了极大的方便。构建4个层次、选择性强、灵活性大的实验内容，可以满足不同层次、不同年级的学生实验需要，能极大地激发学生的学习兴趣，培养创新思维与实际动手能力。在组织实验教学时，教师提前布置实验任务，让学生带着问题和目标在实验过程中思考有关技术问题、设计实验方案，自主开展实验，可以获得事半功倍的效果。例如，在自主创新性实验水电机组检修虚拟现实系统、水轮机能量特性虚拟实验系统的设计和实施过程中，学生的主观能动性得以充分发挥，创新型思维得到充分锻炼，专业素养有了较大提高。

3　水电仿真实验课程体系

3.1水电站设备及系统虚拟仿真实验课程

软硬件结合的实验方法能使学生加深对基本概念的理解，提高学生的动手能力。[9]为打破由于实验成本限制而仅限于软件仿真的局限，使学生能在仿真实验的基础上完成硬件操作，实验室充分利用水电站三维仿真培训软件系统和700mW水轮发电机组动态演示模型，采用三维建模技术，配合水轮机原理、水轮机调节、水力机组辅助设备和水力机组安装与检修等理论课程，为本科、研究生开设水电站设备及系统实验项目(见表1)。通过以上仿真实验基本实现只有在水电厂方能开展的实验项目，更直观地展示水电站主、辅仪器设备及其系统的结构组成，使学生更深刻地理

解设备及系统的工作原理和运行特性，激发其专业学习热情，增强其理论联系实际的能力。

表1　水电站设备及系统虚拟仿真实验课程

实验效果体现在以下几方面。

(1)水电站漫游培训及厂房设备定位导航。浏览水电站厂区环境与厂房布置；浏览水电站厂房(主厂房、副厂房、开关站等)的三维模型，厂房内部主要结构和主要仪器设备布置；通过三维导航与二维导航进行指引现场查找厂房内部任意仪器设备所在位置。

(2)通过虚实结合模拟体介绍电站的厂房、仪器设备等。实物模拟体是将电站的厂房、仪器设备等以模型的方式进行展现；虚拟模型是通过三维交互软件/多媒体软件，真实模拟和介绍重要厂房、仪器设备的特点和结构等。

(3)水电站重要操作设备仿真操作。以水电站重要操作设备为对象，如水轮机调速器、励磁调节器等，以三维仿真的方式，模拟实际工作的现场环境和仪器设备；可通过仿真软盘台方式，建立设备操作控制盘，进行设备操作演练；可预设多种场景和故障等，增强培训效果。

3.2水力发电生产过程仿真实验课程

采用水电站三维仿真培训软件系统，配合水电站自动化和水轮机运行与故障分析等理论课程，为本科、研究生开设水电厂正常运行和非正常运行工况下生产过程仿真实验(见表2)。通过以上仿真实验，实现了原来只有在商业运行水电站才能开展的启动、功率调节、控制运行、故障处理等实验项目，使学生更好理解并掌握对电厂设备和系统的启、停过程操作，正常运行调整，事故处理分析的方法、内容和步骤等，

增强其实际动手能力以及分析和解决生产实际问题的能力。

表2　水力发电生产过程仿真实验课程

让学生能在进入水电厂相关岗位前，就能接受到良好的运行实践能力培养，熟悉水电厂运行的两个基本任务：一是在正常运行工况下对水轮发电机组的启动、功率调节、停机等进行控制，对某些参数进行必要的调节以维持水轮发电机组的稳定运行；二是在非正常工况下及时发现故障或事故状态，并通过手动或自动方式对非正常状态进行正确处理，确保人身和设备安全。课程所使用的水电站三维仿真培训软件系统与水电厂的运行环境基本相同，充分保证了仿真实验的实用性和有效性。

3.3水电站设备检修虚拟仿真实验课程

充分利用水电站三维仿真培训软件系统和700mW水轮发电机组动态演示模型，采用三维建模及动画技术，配合水力机组安装与检修理论课程，为本科、研究生开设水电站设备及系统实验项目(见表3)。通过以上仿真实验基本实现只有在实际水电设备上才能开展的实验项目，使学生更直观地熟悉水电站主、辅设备的结构和工作原理，更好地掌握水电站主、辅设备检修的基本工艺、基本方法、基本步骤，增强独立发现问题、分析问题和解决问题的能力和专业操作技能。

实验效果包括以下几方面。

(1)以水电站重要主、辅设备为模拟对象，通过三维建模，建立检修工具、主体设备、辅助设备的详细三维模型，使学生直观了解设备组成和详细零部件结构，再现设备工作状态下零部件动作过程。

(2)可按照设备检修规程，详细模拟设备拆装和检修的工作过程。

(3)可用于人员的操作演练和培训以及计算机仿真模拟方案验证。

表3　水电站设备检修虚拟仿真实验课程

4　结束语

水电仿真实践教学的成功开展，能够低成本、高效率地增加每名学生的实际实践动手机会，减少实习的安全隐患。建设以现场标准化作业流程培训为主的水电仿真实验室，将现场安全生产、标准化作业等方面的最新规程、规范引入教学实践，在很大程度上提升了教育教学质量。在水动方向人才培养和水电企业人才需求之间架设了一座便捷的“桥梁”，实现了学校培养与生产现场的“无缝连接”。

[1] 李平，李晶杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-8.

[2] 程思宁，耿强，姜文波.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，30(7):94-97.

[3] 教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(〔2013〕94号)，[Z].2013.

[4] 崔媛，武艳君，孙萌萌.依托虚拟仿真实验教学中心培养工程实践能力的探索[J].黑龙江科学，2014，5(5):29，296.

[5] 吴涓，孙岳民，雷威.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理，2014，31(10):5-9.

[6] 马文顶，吴作武，万志军.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31(9):14-18.

[7] 翟永杰.纪蓬勃.王秀梅.电力工程全过程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验技术与管理，2014，31(8):5-8.

[8] 祖强.国家级虚拟仿真实验教学中心评审指标体系解读[J].中国现代教育装备，2014(21):27-29.

[9] 竺琼，黄晓晴.仿真与实践结合在信号与系统实验教学中的案例探究[J].中国现代教育装备，2014，(9):87-88.

Construction and Teaching Practice of Hydropower Simulation Laboratory

Zou Shuyun， Liu Zhong， Dai Shuguang， Zhou Zhen

School of Energy and Power Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China

In the background of theministry of Education to carry out the construction work of national virtual simulation experiment teaching centers， Changsha University of Science and Technology established the hydropower simulation laboratory. The construction scheme of the laboratory was introduced. The four-level and four-open experimental teachingmode was constructed. Thefour-level simulation experiment course system and its experimental effects weremainly introduced. Practices have shown that the open experimental teaching of virtual simulation helps to develop the students’ practice and innovation ability.

laboratory construction； virtual simulation； hydropower； course system

2014-12-30

邹淑云，讲师，硕士。

2013年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“水电仿真实验室管理与教学实践探索”；长沙理工大学教学研究重点项目(编号：JG1307)；2013年湖南省专业综合改革项目“热能与动力工程”。