电力系统及其自动化专业VR虚拟仿真实践基地建设研究

高阳 许傲然 谷彩连 冷雪敏

[摘 要] 电气学科电力系统及其自动化方向学生实践学习面临高电压的实验环境，实际操作危险性大。同时电力设备造价昂贵，高校很难配备全面覆盖的电力操作环境，让学生实践学习，提高工程实践能力，贴近电力企业用人的技能需要。随着VR虚拟技术的发展，可实现建设覆盖电力系统发电、输电、变电、配电、用电及智能电网全过程的虚拟仿真实践教学体系，让学生在VR视角下沉浸式学习。

[关键词] VR技术;虚拟仿真;实践教学

[基金项目] 本文受2018年度辽宁省教学科研基金资助——普通高等本科教学改革项目《电力系统VR虚拟仿真综合实践项目的建设、管理、开放研究与实践》资助（2018-708）;本文受2018年教育部高教司产学合作协同育人基金资助（2018-01318006）

[作者简介] 高阳（1974—），男，辽宁沈阳人，沈阳工程学院教授，博士，辽宁省高校虚拟实验中心负责人，主要研究高教虚拟仿真实验建设与开发。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0224-02    [收稿日期] 2019-12-30

一、引言

随着VR虚拟仿真技术融入高校实践教学中，电气学科电力系统及其自动化方向可实现建设覆盖发电、输电、变电、配电、用电及智能电网全过程的虚拟仿真实践教学体系，构建覆盖电力系统生产全过程的虚拟仿真综合实践项目，解决电力专业实践教学高危及昂贵的问题。

当前，随着社会对人才越来越高标准的需求，传统的实践教学体系也越来越暴露了其无法满足人才培养的实际缺陷：（1）理论与实践严重脱节，在实际教学中老师是根据教材确定题目，具有很大的局限性且脱离真实环境;（2）教师在教学过程中也只限于逐点传授，无法体现出教学的系统性和连贯性;（3）学生参与度不高，无法激发学生的创新意识;（4）由于设备师资等的限制，电力系统相关的大部分实际操作不能现场演示，实践效果不佳;（5）传统实践环节的真实实践环境难以打造，设备投资昂贵，危险性高。综上，传统的教学模式不再适应当前的教学理念，亟须改革固有的实践教学模式，提高教学效果。因此，本项目提出电力系统VR虚拟仿真综合实践教学体系的建设管理、开放研究与实践具有较大的现实意义。

二、研究的意义

1.进一步提高学生的工程实践能力。传统的实验教学，平面虚拟二维三维技术很难满足就业单位对毕业生实践能力的要求，通过本项目的实施，可以解决实践教学内容脱离生产实际的问题，并解决传统实验无法及时跟踪现场实际的问题，很大程度提高了学生的综合实践能力，开发了学生的创新意识。

2.极大解决了实践与安全生产之间的矛盾。电力行业现场环境具有高温，高压等危险因素，安全操作规程复杂，操作人员需要经过严格培训才能上岗，在校生缺乏经验不具备操作能力，在学校不能满足这样的实践需求。同时电力行业设备操作失误及相关故障都是破坏性的，具备不可逆的特性，操作失误会危害操作人员安全，因此在校学生实践很难和企业用人需求匹配。

3.VR虛拟技术的典型特征增强了教学效果。

（1）沉浸感。沉浸感是VR虚拟现实技术区别于三维仿真技术、3D影视、AR增强现实技术的核心特征。由于VR系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，因此参与本实践教学项目的学生可排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去，获得身临其境的感觉。（2）交互性。VR虚拟实验突破了传统利用电脑屏幕平面式教学模式，学生可用VR头盔、耳机和操作手柄在视觉，听觉和触觉方面全方位地感知实验环境，都是通过模拟手掌运动与控制，完成在虚拟环境中的操作。（3）构想性。VR虚拟技术的构想性对于教育方面的应用意义尤为重要。虚拟环境可以让学生置身于实际环境之中，真实看到实际运行的电力设备和状态，启发学生理论学习的记忆，同时高仿真度的操作模拟可以激发学生创造能力，立足于实践创新。

4.助推校企合作，共建共享优质资源。通过本项目的开展，利用学校与地方共建智能变电站VR虚拟仿真实训基地的契机，在建设过程中深入发掘教育资源，构建科学系统的实践教学培养体系和虚拟仿真教学环境，完善现有的网络共享性实践资源条件，为打造国家级虚拟仿真实验教学示范中心，树立省市VR中心标杆建立良好基础。

三、虚拟仿真实践基地建设理念

高校本科教学实践环节是提升教学质量的重要手段，学生需要凭借实践提升对理论课程的认识和理解。建设虚拟实践基地是将虚拟计算机技术和教学深度融合，利用虚拟环境拓展学习实践范围和深度，不仅完成提升实践能力的目的，同时激发学生自主创新能力。

1.研究制定项目建设原则。工程化与实际化原则。针对传统教学的诸多因素条件限制，脱离了实践环境的问题，我们要确保本项目的实施与实际环境高度结合，达到工程化的目的。（1）虚实结合的原则。为了确保学生能够完整系统地对学科有深入了解和掌握，在一定程度上需要结合现场的实际环境，研究基于虚拟仿真技术的电力系统综合实践项目，达到虚实结合的目的。（2）校企共建的原则。在转型发展的大背景下，要充分利用好社会各种优质资源，共商、共建、共管、共享。密切跟踪最新技术发展动态，与时俱进。（3）教学与培训一体化，课内外一体化原则。所研究的综合实践项目，不仅适用于在校学生的教学实践培养，也可应用于企业在职员工的培训。

2.建设以学生为中心的实验教学环境。构建可以激发学生学习积极性的实验环境，利用多媒体动画等手段模拟电力故障效果，联系教材内容让学生近距离观察和学习，同时注重创新能力的培养，让学生在虚拟环境中自由发挥。

四、实践基地建设措施

1.教学方法的改革，目前我们还停留在利用平面设备二维，三维虚拟化教学方法，采用VR技术将引入更复杂的人机交互设备，学生将立体化身临其境完成实验实训项目，因此应用创新多样的教学方式方法将成为项目解决关键问题之一，项目计划重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习。

2.针对不同专业，不同培养层次学生的应用，同时考虑实践基地共享应用之后需要满足不同地域电力行业的特点（我国不同地区高压输电电压等级不同），实践基地建设将注重前瞻性，开放性和可扩展性。

五、结语

虚拟实践基地的建设，实现了电力系统发电、输电、变电、配电及智能电网全过程的VR虚拟仿真教学体系，形成虚实结合的实践教学环境，有效解决了传统教学模式所存在的系列问题，形成了一套全方位的教学评价体系和考核办法。

参考文献

[1]丁羽，李传峰，李平.基于创新能力培養的三维实体设计课程教学研究[J].新疆农机化，2018（4）.

[2]王强.开放式虚拟实验教学平台下大学生科研创新能力培养的研究[J].亚太教育，2015（19）.

[3]杜鹏英，任国海，江皓，姚立海，倪杰.虚实结合的开放式信电类实验教学模式研究与探索[J].教育教学论坛，2013（38）.

Research on the Construction of VR Virtual Simulation Practice Base for Power System and Automation Specialty

GAO Yang， XU Ao-ran， GU Cai-lian， LENG Xue-min

（Shenyang Institute of Engineering， Shenyang， Liaoning 110136， China）

Abstract：Students majoring in power system and automation of electrical discipline face high voltage experimental environment and practical operation with high risks. At the same time， the cost of electric power equipment is expensive， hence it is difficult for colleges and universities to be equipped with a fully covered electric power operation environment. So it is difficult for students to practice and learn， to improve their engineering practice ability， and to meet the skill requirements of electric power enterprises in their employment. With the development of VR virtual technology， we can build a virtual simulation practice teaching system covering the whole process of power system generation， transmission， substation， distribution， electricity use and smart grid， so that students can carry out immersive learning from VR perspective.

Key words：VR technology; virtual simulation; practice teaching