基于虚拟仿真技术的电气类创新型人才培养新模式研究——以西藏农牧学院为例

朱瑞金 崔崇雨 唐波 西藏农牧学院电气工程学院

谢华北 西藏农牧学院水利土木工程学院

随着以市场需求为导向的“四新”经济推动新工科和工程教育的转型升级和新旧动能转换，传统的电气实验室和实验仪器数量很难满足新工科下实验教学的需求及学生综合性工程实践能力的培养需要，现有实验教学内容和方法等方面也存在诸多不足，越来越不能够支撑现有的创新性人才培养模式。［1］而电气类专业作为新工科中极其重要的一门，将在促进能源清洁低碳转型，助力实现碳达峰、碳中和目标的国家战略中发挥举足轻重的作用。［2］

为此，本文在构建虚拟实验平台的基础上，对虚拟仿真与创新应用型人才培养新模式（以下称为新模式）融合进行研究，针对新工科对复合型、创新型、应用技能型人才培养的需求，以实践为突破，依托虚拟实验和真实实验相结合，建设层次化，螺旋递进的实验实践体系，从而构建虚拟仿真实验支撑的电气类人才培养新模式。［3］

一、传统电气课程教学亟待解决的突出问题

现有的综合性的电力系统设备价格昂贵（几百万上下），西藏受到交通等条件限制，还存在前期投入大、后期维护和更新升级人员来往费用高的问题，而且占地面积较大，作为地方农业院校，电气类专业实践场地和投入受到了发展规划、人力、物力、财力等方面的限制；传统的电气实验包括大量高压电气设备，实验操作流程复杂，且涉及高压，存在一定的安全隐患，若操作不当则容易引起设备损坏，还可能对操作人员安全造成伤害；为了保证设备和人员的安全，传统电类实验平台的所有设备通常都是封装好的，因此实验接线都是相对固定的，不能随意改接；传统实验教学模式、方法单一、教学手段较为落后，仅重视实验操作技能的熟练程度，而忽略了理论知识与解决方案、理论与实践创新，实验实践与系统设计之间的联系，忽略了学生综合创新能力的培养，难以体现“新工科”教育改革理念，导致学生实验体验差，系统综合设计、分析能力得不到锻炼，实验教学效果欠佳。

二、课程教改思路与举措

作者主要围绕着创新型人才培养模式需求，以实践为突破，提高培养质量，以虚拟替代真实实验，从而解决学生实践缺失和滞后问题，以“综合+模块化”虚拟建设体系，解决虚拟实验中学生基础差问题，以“多渠道+深入化”教学模式解决虚拟线上师生互动和实验深入教学问题进行建设研究，从而构建应用型、创新型人才培养新模式（见图1）。

图1 课程教改总体思路

（一）新模式下人才培养目标及需求背景下虚拟仿真嵌入内容挖掘

对现有真实验证性实验虚拟替代开发研究，对电气类现有真实实验进行梳理，并针对现有的真实实验项目进行虚拟替代，优化开发。并形成优质的线上+线下融合的虚拟验证性实验资源。从而打破验证性实验受到设备和条件的限制，更充分地给学生提供基础知识实践练习途径，为虚拟实验线上教学资源提供建设实例（见图2）。

图2 微视频内容

（二）以虚拟仿真深度实践为突破，促进应用型电气类人才培养

打破传统机械式实验流程教学限制，设计模块化的仿真模型，使学生能按照自己的理解和掌握程度不断地尝试和调整实验模型。在验证性虚拟仿真实验的基础上，建设多学科知识点系统实验项目，对一些具有破坏性、危险性、不可逆性及系统性的实验进行仿真（如变压器无负载接地，输电线路故障保护仿真，见图3）进行建设，满足学生对实践创新的需求，从而支撑应用创新性人才培养模式建设。

图3 仿真实验

（三）以综合工程类虚拟仿真项目为手段，促进创新型电气类人才培养

针对某个科目建设基础验证性—综合分析性—实践创新性虚拟仿真系列实验教学体系（如图4）；依托虚拟仿真实验技术构建工程级别的虚拟仿真实验项目，比如拉萨35KV光伏并网检测调控系统等，使学生能够以员工的身份情景式地参与实验项目中系统检测、调度等工作仿真，并通过虚拟实验技术完成对项目的改进和重建，从而极大程度地提高实验参与度，提高实践动手能力。

图4 电力电子虚拟仿真技术构建

（四）对虚拟仿真项目教学实践过程控制、评价机制进行研究

构建情景参与、探索式及案例式多种教学模式。①情景参与法：模拟电力系统场景。实验系统基于真实的系统场景，实验中所涉及的发电及控制系统、发电机模型及其控制系统、无功补偿装置、输电设备等都与真实的电力系统一致，学生置身虚拟场景中，却仿佛身临其境，实现情景式的教与学。实验过程中，学生实际可作为系统运行操作和研发者，直接参与到电力系统运行与监控的工作中，观察和调节系统中与实验相关的设备运行状态，并进行控制，通过操作与观察继保和故障实验现象，理解电力系统工作原理；师生互动环节使学生在实验过程中遇到问题时可及时得到帮助，大幅提高了师生的参与度，提升了教学效果。②探索式教学：在实验过程中，学生可充分利用实验系统选取不同系统参数、不同设备的故障及保护操作、不同控制方式，对系统不同控制方案进行探究，从而深刻理解电力系统运行和控制操作的工作原理，培养学生的自主创新能力。③通过教学案例数据支持系统提供不同的典型案例数据，学生选择不同案例，修改案例参数，以满足实验要求，并进行实验测试，观察和分析实验现象，理解继电保护装置的动作。通过上述方法相融合，实现教学的高质量进行。

三、新模式下课程教改成效

2020—2021 年，由于疫情原因，我校部分学生开始试用线上教学，为了提高在线学生学习质量，笔者以继电保护和电机学部分真实实验为基础，开展了视频公众号+MATLAB虚拟实验模式的线上混合实验教学，学生通过微信公众号进行虚拟仿真实验视频学习，进行课前预习；师生上课以腾讯会议为依托，以MATLAB 软件为工具，对继电保护进行建模仿真，老师通过视频进行实时指导；课程最后学生提交电子版实验报告。2020—2021年共有70多名学生提交了电子版实验报告，从线上教学效果看，大部分学生都能够通过预习，上课过程中就完成了虚拟实验的建模仿真，并完成了数据分析，极个别的同学也能够在老师的指导下完成建模。该实例反映了仿真虚拟课程的正确性、先进性和优越性，值得其他高校借鉴学习。

四、思考与展望

实践表明，虚拟仿真实验课程的构建思路具有良好的推广性和示范性，对电气类高校虚拟仿真实验课程建设具有借鉴意义。但虚拟仿真实验只能模拟真实的实验环境和操作过程，并不能完全替代实验的真实性和感性认识。同时，虚拟仿真实验的结果和数据往往只能局限于模拟程序中的数据和结果，与真实实验存在一定的差异。因此，虚拟仿真实验可以作为实验教学之外的补充，通过合理的教学设计，提高二者的互补性，实现实验教学与虚拟仿真的有机结合。随着21 世纪各方面的飞速发展，科学技术也随之日新月异，现代电力作为科学技术重要的一环，也更加智能化，规模化。在这种形势下，电力仿真技术在国家大力扶持下将迎来飞速发展，越来越多的高校也将仿真技术引入教学体系。［3］