基于VR技术的火电仿真系统在高职热能与发电类课程中的应用

梁 倩，杨 琳，谢 新，黄 澍

（武汉电力职业技术学院，湖北 武汉 430079）

0 引言

随着信息技术在教育教学中的应用不断拓展和深化，将基于VR（虚拟现实）技术的仿真系统应用于高职专业课程的教学成为信息化教学的新范式。VR技术通过计算机建模搭建一个与实际环境一致、不受场地和空间限制、三维立体的动态虚拟场景，给予用户视觉和听觉等多方面的感官刺激和身临其境的体验［1］。VR技术应用的范围很广，主要应用于医疗、航天、游戏、工业等领域，并向教育领域拓展，作为辅助教学手段在提升学生学习兴趣和学习效果方面具有一定成效［2-3］。

火力发电厂生产现场的高危性、设备的昂贵性以及电力生产的不可中断性给专业教学带来了一系列问题。传统的火电仿真系统为二维数字仿真，能较好地模拟现场工况的变化、提升学生设备启停、故障分析及处理的能力，但无法实现设备内部结构展示、拆装及巡回检查等功能。为进一步提升人才培养质量，本文开发基于VR技术的火电机组运行维护虚拟仿真系统，探索基于VR技术的火电仿真系统与高职院校热能与发电领域不同类型专业课程深度融合的有效途径，研究信息化+职业教育的教学模式改革思路，为构建虚实结合的专业课程体系奠定基础，同时对系统在教学实施过程中的不足和后期的发展方向进行了探讨和展望。

1 虚拟仿真系统在专业课程中的应用

火电机组虚拟仿真系统在热能与发电类专业课程教学中的应用情况如图1所示。

图1 虚拟仿真系统在热能与发电类专业课程中的应用

1.1 虚拟仿真在专业导入模块教学中的应用

专业导入是新生认识专业的起点，虽然其时间非常有限，但意义重大，如果能恰当利用，可有效提高学生的学习兴趣。专业介绍通常采用专业负责人讲解专业、实训室负责人介绍专业实训基地及实训室的方式，内容较为枯燥，学生兴趣不高，效果不理想。在增加虚拟仿真系统3D版展示环节后，学生可带上3D眼镜对电厂进行虚拟参观，一入学就能实现对热能发电类专业的直观认识，增强其对专业的认同感。在“认识实习”等实训课程中，进入实际生产现场之前，学生在学校实训室内通过虚拟仿真系统了解火电厂的整体布置、各主要系统和设备，了解电厂的主要危险点和危险源。同时，学生对电力安全知识的了解由二维的文字描述变成了三维的沉浸式体验，可加深学生对电力安全的理解程度；在虚拟仿真系统上学生可进行安全规范学习和考试，通过反复练习巩固安全规范知识，学生的安全考试成绩较以往有了提高。

1.2 虚拟仿真在设备结构模块教学中的应用

热能与发电类专业核心课程中，如“泵与风机”“电厂锅炉”“电厂汽轮机”“发电厂电气设备”等课程教学内容中均包含设备结构讲解模块。电厂设备种类多样、结构复杂，如何使学生更好地掌握相关内容一直困扰着专业教师。

传统教学过程中，不同课程的教师以视频、动画等方式为学生讲解单一设备，无法形成从点到面、从单一设备到系统的认知。引入火电机组虚拟仿真系统后，教师进入虚拟仿真系统找到对应的设备，展示设备的工作过程和原理，同时根据教学需要对设备进行解体，展示设备的结构和各个组成部件的作用；学生可近距离观看，从各方位观摩，更具直观性，能较易掌握设备的结构和工作原理，了解设备在发电厂中的布置，对热力发电机组产生全局性认知。这种教学模式规避了现实生产中的安全风险。

1.3 虚拟仿真在设备运行维护模块教学中的应用

对于热能与发电类专业而言，通过“火电机组集控运行”等相关课程的教学，培养学生火电机组运行与维护的能力，具体包括设备巡回检查、启动前检查、启动、运行参数调节以及停运的相关能力，这些能力是火电厂集控运行专业学生要具备的核心能力。

传统的火电机组仿真系统中，学生主要通过远程DCS界面和就地界面配合完成设备的启动前检查、启动、参数调节、停运等任务，学生通过实训操作掌握设备的启动和停运逻辑，以及运行调节原理，但无法获取对设备巡回检查的能力。巡检是火电厂最基础、最重要的工作，是运行岗位新入职员工必经的岗位。巡回检查对应的实训模块只能通过虚拟仿真系统完成，学生在进入虚拟生产现场之前，首先选择正确的安全防护用具和巡检工具，然后按照所对应的工作岗位及工作职责对指定的线路进行检查。学生可通过虚拟仿真系统完成巡回检查任务，熟悉火电厂中各主要设备的布置方位，掌握设备主要运行参数的正常范围，提高对火电厂的认知程度。

1.4 虚拟仿真在设备检修模块教学中的应用

“动力设备检修工艺实训”“热力设备安装与检修实训”“热机检修工艺实训”等课程主要培养学生安装和检修的相关能力，这些能力是电厂热能动力装置专业学生要具备的核心能力。火力发电厂设备庞大且价格昂贵，由于各方面条件限制，高职院校很难配置齐全的设备和对应的场地供学生开展完全实景式热力设备安装和检修实训。

以往的安装检修类实训单班分组进行，根据设备的种类和台套数对学生进行分组，每组安排一名教师进行指导。例如，一组进行汽轮机本体安装和检修，一组进行水泵安装和检修，一组进行风机和给粉机检修等，各组分别轮换进行实训，直到完成所有实训任务。引入虚拟仿真系统后，学生在分组实操之前，可以通过虚拟仿真系统学习设备的拆卸和安装基本步骤，通过单人独立练习掌握正确的操作步骤后再对实物设备进行拆装，缩短了实物操作时间，提高了实物设备的利用效率。在检修环节中，针对实训室已有的设备，学生通过虚拟仿真系统观看检修的视频，学习调节零部件配合间隙的方法，掌握基本工艺及工艺标准，对于损坏部件选择正确的备品备件进行模拟更换，在此基础上再进行实物实训，提高了实操的效率。对于实训室没有的设备，学生也可以通过虚拟仿真系统学习其拆卸、检修和安装的步骤和方法，通过虚拟操作获得对热力设备的实操能力，提升技术技能水平。

2 虚拟仿真系统教学应用不足及展望

2.1 虚拟仿真系统平台有待进一步扩展

现有的百万等级火电机组虚拟仿真系统只有电脑PC版，程序容量非常大，同时造价也非常高。其中VR版容量在100 GB左右，3D版容量在20 GB左右，软件系统造价超过百万人民币，且对电脑硬件配置要求也非常高［4-5］。现阶段由于费用高昂，火电机组虚拟仿真系统一般由相关院校采购，装设在校内实训室中。学生只能按照实训室教学安排，利用上课时间到实训室进行预习、练习和复习，课余时间需要向实训室管理员预约实训室开放才能进入实训室练习。受场地和教师配备情况的限制，学生有效练习时长距离达到实操精通水平的要求还远远不够。

针对此项不足，后期应着重开发虚拟仿真系统对应的手机端和网页版简化程序，使学生能够不受时间和空间的限制，通过自己的手机和普通配置的电脑输入帐号和密码就能登录仿真系统进行学习。课前学生可以通过登录系统手机端或网页版进行预习，课下针对薄弱环节登录系统进行自主的复习和巩固，延长学习时长，强化学习效果。这种形式不仅适用于在校学生进行专业学习，也适用于电厂职工进行职业培训。学生和学员可灵活安排学习时间，完成学习任务，保障学习效果，提升技术技能水平。

2.2 进一步开发基于MR技术的虚拟仿真系统

现有的火电机组虚拟仿真系统是基于VR技术开发的。使用过程中，学生通过虚拟现实技术采取人机交互的方式，进入按实际电厂1∶1比例模拟而成的生产现场，在视觉、听觉等感官刺激下，以身入其境的方式完成全厂参观、设备巡回检查、设备启动、参数调节、机组停运等任务，从而加深对电厂的整体布置及生产过程认知，可有效提升学习者的专业水平。这种授课方式较传统的授课方式虽有突破，但也存在不足。VR技术模拟的是完全虚幻的数字化空间，无法实现虚拟世界与现实世界联通，也就是说仿真系统与实训现场的实物设备之间无法形成对应关系［6-7］。

VR只能实现人与虚拟世界的互动，而基于MR（混合现实）技术的虚拟仿真系统能够较好地解决上述问题。基于混合现实的MR技术能实现信息反馈循环，MR技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间创建交互的反馈。与VR技术相比较，MR技术的交互性能更好，与VR技术只能实现单人操作相比，MR技术能实现多人协同操作，实现主辅操作配合以及唱票、操作和监护的分工协作，更加贴近生产实际，同时也有利于学习者团队协作精神的培养。

3 结语

随着信息化技术的不断发展，VR技术已广泛应用于职业教育的各个方面。本文总结虚拟仿真系统在热能与发电类课程教学实践中的应用经验，探索了基于火电机组虚拟仿真系统的教学资源与教学实践深度融合的途径，提出了虚拟仿真系统进一步发展的方向；为信息技术与职业教育深度融合提供指导意见，为虚拟仿真技术应用于新能源以及清洁能源（垃圾、燃机）发电行业以及其他专业提供参考，为教育信息化背景下职业教育人才培养模式创新提供理论指导和实践案例。