“互联网+”视野下的虚拟仿真教学新常态

杨堆元

(天津机电职业技术学院，天津 300350)

引言

在“十二五”期间，天津机电职业技术学院(以下简称学院)为完善天津市重点建设专业电力系统自动化的实验实训条件定制了“35kV虚拟仿真实训系统”，筹建了达50人学员规模的虚拟仿真实训室，为电力系统自动化专业核心课程的教学、科研创造了优越条件。本文以学院“35kV虚拟仿真系统”为例，针对在“互联网+”视野下虚拟仿真教学出现的一些新常态，重点介绍其在“互联网+”视野下的一些不足，依照学院核心课程《电力系统设备运行与维护》在“工学结合”模式下的教学设计提出了完善虚拟仿真教学系统的一些建议。

一、“互联网+”视野下的虚拟仿真教学新常态

“互联网+”就是凭借当前计算机技术、通信技术，互联网平台等，充分利用各行各业线下线上资源打造新领域新生态。国外一些知名高校在一些网络开放课程中增加了虚拟实践仿真的教学内容，并采用基于平板电脑、智能手机、可穿戴计算机的移动式交互实验，例如美国斯坦福大学、哥伦比亚大学等。美国麻省理工学院实施的MIT TEAL(Technology Enabled Active Learning)计划，体现了“教室就是实验室”的理念，以学生为主体，激发主动学习兴趣，构建了彼此合作、高度互动、动手实作、虚拟实验、过程可视的新颖教学环境。因此，在“互联网+”视野下，学员们能根据岗位项目需求组织自己的学习内容，还可以不受时间和空间的限制随时随地学习。虚拟仿真教学呈现的新常态主要有：

(一)学员重构知识体系

在“互联网+”的视野背景下，知识体系可以被随意切割、分类重构。如一些通过虚拟3D技术立体展示出来仿真项目，学员可以通过重构使学习内容更加独立、有序和生动。

(二)“互联网+”打破时空限制

在“互联网+”的视野背景下，学生可以从任何知识点开始进行反复学习，直到学懂为止；获取知识的地点，从一台普通电脑扩充到整个互联网。

(三)“互联网+”教育教学打破人数限制

“互联网+”教育教学不用担心学习的门槛，需要的花费也较少，节约了前期学习投入资金，扩大了学习人群，是一种全新的教育教学学习模式。

(四)学习媒介越来越便利

学生们可以利用智能手机、平板电脑等移动设备构建虚拟课堂、虚拟工作场景获取专业知识、专业技能。如日本学生可以通过虚拟仿真学习3.11级地震后福岛第一核电站动力工厂核能源的使用和核事故的福射污染等社会科学问题等等。

所以，“互联网+”教学模式真正打破了时间、地域限制，使得整个教学体系更加完善，学习者可以获得全球范围内更多的优秀教育资源。

二、“互联网+”视野下传统虚拟仿真技术存在的不足

2006年教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中提出将“工学结合”作为高等职业教育人才培养模式改革的切入点，大力支持与鼓励虚拟仿真在职业教育中的应用。在“十一五”、“十二五”期间，设备生产厂家开发了大量虚拟仿真系统，如虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验等。在当时历史背景下，传统虚拟仿真教学一定程度上提高了教育教学质量，起到了良好作用，如我院“35kV虚拟仿真实训室”、“电梯虚拟仿真实训室”、“自动生产线虚拟仿真实训室”及一些常用的Pspice虚拟仿真软件、Matlab虚拟仿真软件等等。

现以学院“35kV虚拟仿真实训室”的虚拟仿真系统及在其“互联网+”背景下的一些不足为例，列举传统虚拟仿真技术在“互联网+”视野下存在的一些不足，供高等职业学校和生产厂家参考。学院35kV虚拟仿真系统(以下简称虚拟仿真系统)是由国网电力科学研究院北京科东电力控制系统有限责任公司研制而成，其技术在国内电力行业虚拟仿真系统中处于领先水平，但是在“互联网+”背景下也存在如下不足，需要生产厂家以教学项目任务为单位进行碎片化处理。

首先，虚拟仿真系统昂贵。该虚拟仿真系统包括了变压器、断路器、高压线路、互感器、用电检查、用电巡视、高压隔离开关等设备日常运行操作、正常操作、事故处理等等上百个虚拟仿真项目。学校为了购买某个或者某几个虚拟仿真项目不得不购买整套系统，繁目众多的虚拟仿真项目，投入太大，压力大，大多学校只能望而却步。

其次，该虚拟仿真系统还算比较先进，采用的开发模式为C/S结构，通过组装局域网实现较大规模的教学，但是没有采用B/S开发模式，不能上传到internet网上，因此受益人群窄。

其三，该虚拟仿真系统操作流程严谨、死板，容忍度不高，教员和学员要经过严格的局域网设置、教员机设置、学员机设置和选取等等教学前期准备工作。在使用虚拟仿真系统之前，教员和学员都要经过严格的培训，因此教员学员兴趣不太浓。

其四，培训人员受计算机台数的限制。该虚拟仿真系统采用的开发模式为C/S结构，教学规模人数为50人。学院如需要扩大虚拟仿真系统教学规模，还得另外购置计算机等。同时，笔者也调研了其他仿真系统如“电梯仿真实训室”、“自动生产线仿真实训室”及Pspice仿真软件、Matlab仿真软件等，提炼出目前传统虚拟仿真教学系统主要存在的一些不足供参考：

学习地点受限。虚拟仿真教学系统大多为单机版或者采用C/S模式，也就是说它们不能被上传到internet网上，供教员和学员网上学习。要想学习和使用，必须进入虚拟仿真实训室，找到有虚拟仿真系统的电脑；

价格昂贵。厂家往往打包销售，一个虚拟仿真系统往往具有很多专业课程的很多仿真项目，提高了产品价格；

不能碎片化处理运行。运行时需要整套系统，不能以项目任务为单位分开运行；

不能重构知识体系。即使采用了B/S结构模式，整套资源比较死板，只是从线下简单地整套搬到了线上，学员教员不能重构专业技能知识，学员教员兴趣有限；

受益人群少。单机版或者采用C/S模式的虚拟仿真资源，不方便推广使用；

缺少互动。虚拟仿真教学系统里大多项目任务不能互动，缺少与学员交流的互动性，不具备“互联网+”要求的所谓智慧型和开放性；

操作使用不方便，教员和学员都得经过严格培训。

总之，在“互联网+”大背景下，传统虚拟仿真教学系统，大多没有采用B/S结构模式，不能被上传到internet网上，没有按照项目任务碎片化处理，不能满足学生们泛在学习、移动学习、线上线下个性化随时随地学习的要求。

三、基于“互联网+”的仿真教学设计

高等职业学校正在不断尝试着翻转课堂、微课等新兴教学模式，找寻适合自己的教学模式。这些教学模式的变革需要依靠互联网和大数据技术提供有效的个性化和协作化教学服务，培养学生自主学习意识，将学习变为自身内化特质，实现基于“O2O”的教学价值推送，让学生更加愿意学，教师更加愿意教，形成真正的教学内容和方式的突破。“十二五”期间，学院为重点建设“电力系统设备运行与维护”国家精品课程，满足“工学结合”教学模式要求，特向国家电网公司定制了35kV虚拟仿真系统。项目组按照“工学结合”教学模式的要求，运用虚拟仿真系统建设电力系统设备运行与维护课程，课程资源包括“课程介绍”、“课程标准”、“演示文稿”、“录像动画”等20项资源，如图2所示。学院电力系统设备运行与维护课程虚拟仿真教学设计合理，教学效果明显，供大家交流，希望能起到抛砖引玉的作用。

(一) 课程性质

“电力系统设备运行与维护”是电力系统自动化专业一门核心主干课。本课程以电机学、供配电技术、继电保护系统运行与维护的学习为基础，同时与高电压技术、电气设备检修实习、变电检修技能培训课程相衔接。学好本课程可为学生提供将来从事电力系统设备安装调试、运行维护、检修以及供电设计等相关方面的工作所必需的知识和技能。

(二)教学目的

掌握变压器、互感器、电力电容器、配电装置、接地装置等电气设备的基本知识；培养供电设备电气故障检修能力。

具体教学目的为：职业知识：掌握变压器油温、油色、油位不正常情况，冷却系统、差动保护跳闸、有载分接开关维护及故障处理；掌握真空断路器、高压隔离开关、高压熔断器、高压配电装置、电压互感器、电流互感器、消弧线圈、电力电容器、避雷器的运行、绝缘子、握接地装置、电动机维护及故障处理；掌握低压配电装置、低压断路器、控制继电器和起动器的运行维护及故障处理；培养学生查阅电气国家技术标准和企业电气设计规范能力。

(三)教学项目任务

名称岗位要求教学任务教学载体建议学时项目一走近电气值班员1.熟悉工作环境2.熟悉工作岗位要求1.工作环境多媒体2.岗位要求多媒体8项目二 变压器的运行及维护(油浸式变压器)1.掌握变压器的投运检查和正常运行的操作2.掌握变压器日常巡视检查3.掌握变压器典型故障处理方法1.变压器基本知识多媒体2.变压器的正常操作仿真系统3.变压器日常巡视检查仿真系统4.变压器典型故障处理仿真系统16项目三断路器的运行与维护1.掌握断路器正常运行的操作2.掌握断路器日常巡视检查3.掌握断路器典型故障处理方法1.断路器基本知识仿真系统2.断路器的正常操作仿真系统3.断路器日常巡视检查仿真系统4.断路器典型故障处理仿真系统16项目四 互感器的运行与维护1.掌握互感器正常运行的操作2.掌握互感器日常巡视检查3.掌握互感器典型故障处理方法1.互感器的基本知识多媒体2.互感器的正常操作仿真系统3.互感器日常巡视检查仿真系统4.互感器典型故障处理仿真系统10项目五 其他常见一次设备运行与维护1.掌握高压隔离开关的运行与维护方法2.掌握高低压熔断器的运行与维护方法1.隔离开关运行与维护仿真系统2.熔断器运行与维护仿真系统12项目六 成套配电装置的运行与维护1.掌握高压开关柜的运行与维护方法2.掌握箱式变电站的运行与维护方法1.配电装置基本知识多媒体2.开关柜的运行与维护仿真系统3.变电站的运行与维护仿真系统8合计70

四、总结

线上线下一体化的个性化“互联网+”教学模式将枯燥的课堂理论知识学习搬到互联网上，有利于泛在学习、移动学习，并投以直观生动的影像资料，学生学习动力将被激发；教员可以重构碎片，为学员设置合适的教学项目任务，为学员节约了学习时间。“互联网+”教学模式真正打破了时间、地域限制，使得整个教学体系更加完善，学习者可以获得世界范围的优秀教育资源。“互联网+”虚拟仿真教学模式的实现不仅要靠学校、教员、学员三者的共同努力，更重要的是要靠虚拟仿真系统生产厂家按照学校的课程教学设计要求，将整个大系统按项目任务甚至工作过程阶段进行碎片化处理，而且碎片能在Internet网上单独运行，供全世界范围内不分贵贱贫富的各类人群学习和使用。