“新工科”背景下的电气专业虚拟仿真实验室建设研究

吴宏岐 李小斌 刘 霞

宝鸡文理学院电子电气工程学院，陕西 宝鸡 721016

教育部2017年提出了高校要加快建设和发展“新工科”，随后也指出国家硬实力和国际竞争力的提升呼唤“新工科”，在我国高等教育界掀起了一股“新工科”建设改革热潮。“新工科”建设尤其强调专业教学质量和工程化教育理念。在此背景下，宝鸡文理学院电气专业密切结合专业特点及地方产业发展需求，将虚拟仿真实验引入专业教学中，取得了良好的效果。

一、电气专业特点

电气专业强弱电结合、软硬件结合，专业毕业就业容易，收入较高，对广大高考生吸引力强，属于当前较为热门的专业。该专业是理论性、实践性都很强的学科，虽然人才需求量大，但对毕业生综合素质要求极高，需要进行大量的实践活动才能够胜任相关岗位工作。专业学生动手、创新等综合能力的培养对于场地、设备、师资都有严格的要求。宝鸡文理学院电气专业分为电力系统、工业控制两大方向，旨在培养具备电气工程及其自动化专业基本思想、基本理论、基本技术，能在工矿企业、电力生产、电器产品研制、电力网等部门从事生产技术管理、新产品研发、专业设备销售和科学研究等方面工作的高级应用型工程技术人才。电力系统庞大、复杂，且具有高电压、大电流,电力设备种类多、价格昂贵等特点,使实验室很难建立和现场完全一样的电力实验系统。工业控制系统复杂且危险性高，学生虽然可以通过专业见习和生产实习了解一些控制系统工作原理，但无法真正接触岗位工作，很难进行实际工程能力的训练和工作经验积累。学院实验室虽然可以实现部分工程项目的模拟训练，但电气类项目大都离不开强电，危险性很高，模拟训练也很难满足实际需求，且由于场地和时间的限制，不能做到全天候服务学生。以上种种原因，使得在校学生毕业时所获得的能力与社会需求相差甚远。因此，在新工业革命的大背景下，电气专业这样的传统工科专业应如何改革，如何培养全面适应未来新产业、新经济发展的应用型工程科技人才，是专业改革需要特别关注的重要问题。

二、“新工科”背景下的电气专业人才培养要求

“新工科”建设强调产教融合，强调系统地培养学生的创新实践能力，要求将工程思维引入教学过程，并强调除扎实的理论知识外，学生还应具有工程意识、工程经验、一定的岗位技能，能够应用所学专业知识解决企业生产中常见的技术问题。因此，地方院校应鼓励学生参加工程创新项目开发和科学研究，强调多学科交叉融合，组建跨学科教学团队和实践平台，以培养学生跨学科学习及科研合作能力。学校必须建设相应的实践教学平台和教学团队，学生必须在掌握专业基础知识、基本实验技能、人文素养的同时，具备知识的应用能力、分析解决实际问题的能力、处理突发事故的应变能力和适合社会需求的最核心的实践能力。

然而，学校教育毕竟不同于企业生产，有限的四年学习时间、有限的教学资源、基础抽象的大量理论知识、有限的实践条件与“新工科”发展的客观要求并不相适应。于是校企合作、学科竞赛、大学生创新项目等各种实践手段应运而生，而且取得了一定的教学效果。可是电气专业自身的特殊性又极不利于这些手段的应用，比如高昂的工程项目设备投入、大面积的实践场地需求、具有丰富实践能力的专业教师需求，以及高电压的危险性，使得学生的企业实践教学课程也只能以参观为主。因此，如何进行电气专业工程实践训练成为教学难点。近年来，计算机技术的普及与发展以及虚拟仿真技术的大量应用有效地解决了这些问题。虚拟仿真可以做到高度接近实际效果的实验模拟及项目模拟，这为电气专业应用型人才培养提供了新思路、开辟了新方向。

三、虚拟仿真实验室建设

（一）虚拟实验室介绍

虚拟实验室是综合应用计算机应用技术、计算机网络技术和虚拟现实等技术通过构建逼真的实验环境，达到甚至超过真实实验的效果。学生通过虚拟设备既可以模拟实际操作，又可以没有危险性地达到理论、实践全方位训练的目的。比如利用虚拟变电站，学生在3D场景中完全可以模拟操作真实变电站的所有项目，如日常巡检中的变压器油位、油温、油色、运行声音，设备操作、检修、故障模拟以及故障处理等，如图1所示。另外，学生也可以在虚拟实训系统中自主设计实训项目，如图2所示，在电气控制技术VR交互式教学系统中可实现电气控制原理设计、电器布置、配线、运行、排故等操作，效果极似物理实训。这使学生的动手能力、分析解决问题能力、工程设计能力和创新意识能够得到很好的训练，也能积累一定的实践经验。

基于计算机网络、移动网络等环境下建立的虚拟实验室不受时空限制，组建成本低，维护成本几乎为零，实践中用到的各种仪器仪表、设备、工具几乎都可以集成在一套软件中，学生可以高效、灵活地组建系统，训练各种仪器、仪表及工具的使用方法。计算机系统的数据处理能力远非实际系统可比，它可将所有数据进行存储、分析，并且将其可视化，如可用表格、图形快速准确地显示运行结果，图3 所示为Multisim 环境下桥式整流电路仿真结果，显示电压表、示波器的测试结果和实际电路测试结果几乎一致。另外，虚拟仿真实验可灵活组建项目，且不增加任何成本，同时又能达到工程实际应用的逼真效果，这是传统实验项目几乎无法实现的。虚拟实验可以帮助学生全面理解和掌握专业知识，大大激发学生的学习兴趣，增强学生的学习自信心，为学生由被动学习转变为主动学习提供了一条可行的途径。

（二）电气专业虚拟仿真实验室具体建设内容[7]

1.硬件建设

硬件建设包括场地建设和设备建设。设备主要包括显示设备、输入设备、感知设备、支持设备。

显示设备主要用于虚拟实验平台的展示及操作结果显示，最常用的是电脑显示器，现在逐渐普及投影、大尺寸LED 屏、多媒体电视、CAVE 系统、3D 大屏幕、VR 头盔、AR 头盔等。作为虚拟仿真实验结果的呈现设备，显示装置显现了从二维走向三维，从基于平面三维走向沉浸式三维的新特点，由小屏幕逐渐向大尺寸3D 屏幕发展，大大提升了教学的效率和可观性。

输入设备最常用的是键盘和鼠标，随着多媒体技术的多样化发展，又出现了3D 扫描仪、语音识别技术、数据手套、无线交互手柄、摄像头和各种传感器，可用于物体物理尺寸扫描、声音控制、手部动作输入、自由跟踪、图像识别等，能够适应多种教学内容的需要。

感知设备既可以让参与虚拟仿真实验的人感知实验效果，也可以通过对感知数据的捕捉让虚拟实验内容得以反馈。常用的感知设备包含温度感应、力感应、嗅觉感应、声音感应、视觉感应、定位设备、动作捕获设备等，不仅能让虚拟仿真的表现形式多元化，也能让仿真结果更加真实。

支持设备是为了维持教学装备的正常运转，负责供电、信息传输、图形图像处理、信息存储、多种设备交叉管理等工作，常用的有UPS 不间断电源、图形处理服务器、数据库服务器、数字交换机、路由器、音视频切换矩阵、监视器等。

2.软件建设

虚拟实验软件包括实验管理软件、课程资源、实验评测软件、计算机系统软件等。实验管理软件保证虚拟仿真教学信息网能接入院校综合管理信息网络，实现教育教学资源的分配、师资力量的调配，统一管理不同的虚拟仿真教育资源，记录任课教师和实验学生的教学、学习进度，起到教学目录和教学日志的作用；虚拟仿真课程资源为虚拟仿真实验中心的配置重点，如果没有课程资源，所有的虚拟仿真设备都会形同虚设，它是根据各课程的教学特色和要求，通过虚拟系统让学生直观理解、加深记忆并上手实操的软件；实验评测软件对学生的实验情况和知识掌握情况进行反馈，能够记录学生具体的知识盲点，同时对操作过程中的不规范行为进行指正，可以大大提高教师评测实验的速度；计算机系统软件是为了让虚拟仿真教学软件正常运转的软件，如操作系统Win10、数据库软件、防火墙、图形处理融合软件、动作捕捉软件等。

虚拟仿真实验应考虑不同层次的需求，训练项目的设置应该是阶梯式推进的，有些是通过学生自学完成的，有些是需要集中训练的。虚拟仿真实验教学根据课程体系可分为基础课程实验、专业课程实验、工程项目实训。基础课程实验一般采用大作业形式，学生完全自学，如电子电路实验，要求学生在做真实实验前先自行完成仿真（利用Multisim、Proteus软件等）实验，既可以提高实验教学质量，又可以辅助学生的课程学习；专业课程实验相对复杂，涉及算法较多，我院开设了Matlab 课程，可辅助各门课程的学习；对于工程项目实训，我院采用虚实结合的教学模式，进行现场参观和仿真实训，如利用虚拟变电站培训系统、电力实训项目仿真软件，引导工业控制方向学生进行现场实习、工程项目实训、仿真实训项目训练等。

3.管理建设

管理建设包括虚拟仿真实验室的项目申报建设、教学体系建设、师资团队建设以及评价机制建设。

虚拟仿真实验室建设由学校职能部门集中管理，以保证后期的持续发展和有限资源的协调共享以及资源的最大化利用，但具体到各门课程的仿真资源建设和项目设计则由二级学院与专业教研室完成，项目的申报一定要结合本专业的实际应用情况。项目分为专业必修的实训项目和课外大学生创新训练项目。

教学体系的建设以应用为目的，以自主学习加集中实训为特色，坚持基础性与应用性相结合，突出解决具有专业背景的实际问题，根据教学内容以及课程之间的内在联系，构建阶梯式的训练体系，训练的难度和能力目标应是递进式的，训练内容要涵盖专业所需的教学知识点，同时兼顾体现这些知识点的工程应用。

师资团队建设方面，要求相关人员同时兼备教学水平与科研水平，要建设核心技术队伍，以带动实验教学团队综合素质的整体提高。要有教学梯队，要制定完整的青年教师培养计划。一定要明确教师岗位和实验室管理人员的职责，制定相应的管理制度以及奖惩制度，保证所开设的项目教师都亲自动手实践过，鼓励教师不断研发新项目，结合社会需求不断更新训练计划，共享教学经验，不断推进团队建设。

学校、学院层面都要建立虚拟实验项目申报常态机制，设立实验室创新升级专项基金，定期组织实训项目及训练成果评价；要建立第三方评价机制，跟踪调查毕业生岗位工作情况及建立必要的信息反馈机制，要根据调查结果进一步完善虚拟实训教学过程，以更好地满足工程需求。

四、虚拟仿真实验室建设应注意的问题

任课教师要学会转变思想，紧跟发展趋势，积极接受虚拟仿真实验室的建设；要认识到虚拟实验室是传统实验教学的辅助、补充手段，不能完全替代正常的实验和实践教学；要坚持“能实不虚”的实验教学原则，既不能放松常规实践教学，也不能夸大虚拟实验的作用。要坚持问题导向原则，重点解决传统实验教学条件不能实现的问题，或者解决高危、高消耗、高成本、不可逆操作、极端环境、大型综合训练项目等的训练问题。要围绕学生就业需求导向，密切结合企业生产需求以及专业特点，紧跟行业产业发展和专业发展的最新成果，严防知识、技术训练与时代发展脱节。可以联合企业建立完善的校企合作制度，引入企业工程师参与到教学中来，将企业一些具有普适性的工程项目作为虚拟仿真实验教学项目，以培养学生的工程意识、安全意识和工程应用能力。要充分利用现代信息优势，不断加强网络化条件下的虚拟实验教学规律研究，充分利用和整合各种资源，持续探索提高实验教学效果的教学方式方法。