虚拟仿真实验助力高校能源与动力工程专业人才培养的探索

［摘 要］能源与动力工程专业旨在为能源应用及环境保护领域培养基础实、能力强、素质高的具有创新创业精神的应用型高级复合专门人才，设置制冷、热电、能环等方向。实验的多样性及复杂性使培养方案的制订及实践面临一定的挑战。虚拟仿真技术的应用重点为解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难的问题，如涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。文章揭示了虚拟仿真实验的内涵和意义，强调其在实现能源与动力工程专业教学目标过程中的作用，提出将虚拟仿真技术融入课程实验、融入实验周的实验、助力专业实践等夯实人才培养质量的环节。在部分高校实验条件有待提高和完善的背景下，虚拟仿真实验可提高学生的学习兴趣，完成专业教学任务。

［关键词］虚拟仿真实验；能源与动力工程专业；人才培养；交互操作；三维

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）15-0126-05

随着科技的不断进步，虚拟仿真实验在教育领域的应用日益广泛。搭建一个有效的虚拟仿真实验教学体系，对于提升学生的实践能力、创新思维和解决实际问题的能力具有重要意义。

为进一步满足实际教育的需求，培养更多创新型人才，国内高校掀起了积极探索线上线下教学相结合的虚拟实验教学新模式——虚拟仿真教学项目的热潮。近年来，虚拟仿真教学已经在多所高校多学科领域的教学及实践中得到应用，以实现课程与实践教学目标。河海大学虚拟仿真教学实验室的建设，可在学生进行抽象力学实验时辅以大量的背景学资源，不仅增强学生对实验项目和相关知识的理解，而且提高学生的学习兴趣和创新思维[1]。三维虚拟仿真教学系统3Dbody在系统解剖学实验教学中，数字化虚拟人体以计算机数字化操作平台为基础，将大量真实人体断面数据信息在计算机里整合重建成人体的三维立体结构图像，使解剖操作延伸到课堂之外，丰富了教学资源，提高了教学效率[2]。南京工业职业技术学院以工业机器人实训课程教学方法为研究对象，提出基于虚拟仿真技术的工业机器人实训课程的教学方案[3]。实践证明，虚拟仿真实验有效解决了学生数量多而实训设备不足的矛盾，大大提高了实训教学效率。为了解决医学影像设备在教学中存在的原理抽象、教学成本高等问题，齐现英等人提出了开发医学影像设备虚拟仿真教学系统的方案。该系统通过形象生动的操作画面，真实地模拟了程控 X 线机的工作原理和操作过程，使理论授课和实验教学完美融合[4]。江苏大学车辆工程虚拟仿真实验教学中心的平台建设，实现了大量并行用户快速下载及构建渲染动态场景，确保学生与场景互动的即时性，具有直观立体、真实互动的效果，为车辆工程专业的实践教学和创新型人才培养提供新的模式和理念[5]。哈尔滨工程大学利用虚拟仿真实验教学的优势，结合国家级虚拟仿真实验教学中心建设，解决了制约能源动力类专业实验教学发展的一些难题，有利于提高学生的创新意识和自主实验能力[6]。

本文将围绕虚拟仿真技术融入专业课程实验、融入实验周实验和助力专业实践，研究虚拟仿真实验在能源与动力工程专业人才培养的实验实践环节所起的作用，分析虚拟环境中的交互式操作，使学生更深入地理解实验原理，从而培养学生的操作技能，使学生能够在虚拟环境中获得与传统实验相近的体验感。

一、虚拟仿真实验的内涵及意义

虚拟仿真实验指在计算机系统中，采用虚拟现实技术营造的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

能源与动力工程专业主要研究能源的高效转换、清洁利用和环境保护，包括传统能源利用和新能源开发，以及相关系统与设备的设计、研发、生产和运维。该专业具有范围广、方向多的特点，可为能源应用及环境保护领域培养基础实、能力强、素质高的具有创新创业精神的应用型高级复合专门人才，更好地为地方经济建设与行业产业发展服务。教学设计的部分实验不具备实际条件或实际运行困难，涉及高危或极端环境，面临高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。通过虚拟环境中的交互式操作，学生能够更深入地理解实验原理，培养实际动手操作的技能，能够在虚拟环境中获得与传统实验相近的体验感。该教学方式旨在克服传统实验教学中的一些限制，如设备受限、安全隐患等，给学生提供真实的实验体验。虚拟仿真实验重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习；注重通过文字、图片、视频等媒介，促进教学准备、线上讨论、线下交流；加强网络化条件下实验教学规律的研究，探索提升实验教学效果的方式和方法。

虚拟仿真实验在功能上主要有漫游实验和操作实验，用户可以在三维场景中漫游和交互操作，观察设备的外观和工艺过程连接关系。仿真实验可通过三维仿真建模，以1∶1比例还原真实场景的场景布置、主要设备放置、系统连接形式、设备连接形式、管道连接方式等。仿真平台的功能以场景漫游、系统原理学习、设备原理学习、原理动画、曲线实验为主，将系统和部分设备的工艺及结构原理等知识点融入该软件中。

二、将虚拟仿真技术融入课程实验

能源与动力工程专业的专业课实验有汽轮机实验、锅炉综合实验、制冷压缩机综合性实验、冷库制冷技术综合性实验、能源环境综合实验、地埋管换热与土壤热物性测量综合实验等。实验内容多，且部分实验缺乏实际操作的条件，不利于人才培养目标的实现。针对课程实验内容，围绕实验的教学目标，通过计算机技术和虚拟现实技术将实验室中的实验过程模拟出来，让学生在虚拟环境中进行实验操作，实现教学目的。

（一）将虚拟仿真技术融入课程实验的作用

将虚拟仿真技术融入课程实验有四个方面的作用。一是消除实验中的危险因素和实验条件的限制，降低实验成本和节约实验时间。二是通过建立虚拟仿真实验平台，实现教学资源共享，学生可更加便捷地获得资源。三是可以克服实验条件的不足，丰富实验内容，提高学生的实验技能和实验操作能力。四是助力课程实验的开展，提高学生的实验兴趣和学习效果。

（二）以汽轮机喷嘴和级组变工况特性实验为例，将虚拟仿真技术融入课程实验

以汽轮机喷嘴和级组变工况特性实验为例，若采用实际操作，难以掌握蒸汽在不同喷嘴中的流动特性，完成实验的难度较大。实验对机组的质量和操作要求较高，实际条件难以满足。因此，可通过虚拟仿真平台完成实验过程。实验内容包括蒸汽在缩放喷嘴、渐缩喷嘴中的流动特性实验和凝汽式级组、背压式级组的变工况特性实验。实验操作包括：

1. 蒸汽在不同喷嘴中流动特性实验

在实验界面中点击按钮“原理动画”，可播放动画视频“气流参数与通道截面关系”。绘制不同喷嘴压力与流量变工况曲线，做出定性解释。

2. 凝汽式级组变工况特性实验

在实验界面中点击按钮“级的原理”和“三维结构”，可播放相关动画视频，验证变工况下凝汽式级组压力和流量的关系、中间各级压比、焓降的变化规律。

3. 背压式级组变工况特性实验

在实验界面中点击按钮“级的原理”和“三维结构”，可播放相关动画视频，验证背压式级组弗留格尔公式、背压式级组变工况下各级焓降的变化规律。实验操作与曲线绘制如图1所示。

与传统结构实验不同，汽轮机虚拟实验在上课方式和理论知识掌握程度上对学生都具有更高的要求，要求学生在掌握汽轮机相关理论知识的基础上独自上机操作完成相关实验。学生的课程实验记录表和实验报告如图2所示。

（三）虚拟仿真技术融入课程实验的效果

当虚拟仿真技术融入课程实验后，学生可以借助虚拟仿真实训平台在虚拟环境中进行实训操作，加深对理论知识的理解和掌握，这提高了学生的学习效果，尤其是专业课的学习效果提高得特别明显。真实实验平台的搭建需要一定额度的投资，且传统的教学需要大量的设备和场地，而虚拟仿真实验在发挥实验教学作用的同时，降低了教学成本，提高了教学效率。虚拟仿真技术为学生提供了较多的实训机会和创新空间，提高了学生的实训学习能力和创新能力。经过调查统计可知，借助虚拟仿真实验平台，教师可以及时了解学生的学习情况和需求，从而及时调整教学策略和方法，提高教学质量和效率。更重要的是，虚拟仿真技术的应用减少了部分学校因实训设备缺少导致学生培养效果参差不齐的问题，同时促进了教育的公平。

三、将虚拟仿真技术融入实验周的实验

以山东建筑大学能源与动力工程专业的实验周为例，该实验周设置在大学四年级的上学期，时间段为7天（一周），设置若干个核心课程的专业实验。实验周是围绕专业的培养目标，针对中冷器工作过程、不同供液流程和融霜过程及高压贮液器工作过程、溴化锂吸收式制冷过程、锅炉供暖流程、汽轮机喷嘴和级组变工况特性、火电厂设备及系统操作等而设置，是能源与动力工程专业学生的综合实验环节。通过综合实验周的操作及学习，使学生系统地掌握设备构成、参数检测、状态监测、运行控制的实际使用和操作，提高学生综合应用专业知识解决实际问题的能力，为学生日后从事专业系统的设计、研发、运行等方面的工作奠定必要的技术基础。

综合实验周的实验内容丰富且复杂，在有限的时间段内完成较多的实验对实验设备、实验室等条件的要求较高。虚拟仿真技术的介入可以帮助使用者迅速掌握实验内容、方便操作，达到具体目标和要求。综合实验周若仅依靠实际实验条件，涉及耗材多、用电量大和安全问题。虚拟实验的应用既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果，改变了传统实验的教学模式，有效地解决了实验条件不足与实验效果差之间的矛盾。

在实验周的实验开展过程中，虚拟仿真实验与实际操作实验交叉进行，部分实验可以由虚拟操作与实际操作共同完成。经过虚拟仿真技术的融入，首先，实验课程推广范围不断扩大。山东建筑大学能源与动力工程专业加入教育部虚拟仿真实验教学创新联盟，多次与业内知名专家汇报交流，并根据专家意见和建议对虚拟仿真平台进行完善升级，在平台建设期内参加联盟论坛会议交流汇报2次，参加虚拟仿真一流课程培训1次。其次，课程内容不断丰富完善。立足能源与动力工程专业特色和理论教学重点与难点，不断挖掘专业课程的虚实结合点，仿真内容不断丰富，使学生能够更加全面、真实、直观地学习设备和系统的结构特征、运行原理。最后，课程建设不断发展完善。自虚拟仿真有效应用于实验周以来，课程内涵建设不断完善，能源与动力工程专业获批虚拟仿真实验教学创新联盟首批实验教学优质创新课程培育项目。

四、虚拟仿真技术助力学生专业实践

针对部分主干课程的实践环节难以进行实际操作、无法提高学生的实践能力的问题，课题组将虚拟仿真平台引入学生专业实践环节，包括系统选择、设备选型、操作流程、图线绘制等环节。通过虚拟实践教学平台，将复杂的理论知识嵌入立体场景，学生可通过鼠标和键盘在设备和管道中穿梭，获得身临其境的学习体验；通过简单操作，将系统变化直观地呈现于显示界面，良好的人机交互体验增强了学习的趣味性，解决了传统教学中实践操作与理论知识讲解分离的问题；通过在三维场景中漫游，帮助学生进一步熟悉专业基础知识、了解设备运行环境、提高实践能力。由此可知，虚拟仿真技术可助力学生专业实践，结合实际操作使学生顺利完成认识实习、生产实习和毕业实习的任务。

（一）虚拟仿真技术助力专业实践的具体做法

第一，在新冠疫情期间，无法保证线下正常教学实践的情况下，虚拟仿真技术可以帮助学生迅速掌握实验研究本身和达到实验研究的具体目标和要求。学生可以通过电脑的虚拟环境操作，实现线上实践，这为专业实践提供了强有力的支持。

第二，构建虚实结合的实践体系，激发学生的内驱力，实现学科专业群之间的交叉融合、教学与科研的有机融合、校企合作的深度融合、虚拟与现实的互补融合。

第三，多层次、多模块、多项目的实践教学，且模块和项目由不同的设备及系统组成。通过虚拟仿真平台的使用，学生可以使用不同模块和项目，既实现了资源共享，突出了专业特色，又增强了实践教学内容与课堂教学的吻合度，匹配了社会需求对人才培养的需求。

（二）虚拟实践的案例介绍

三维中虚拟图形与现实世界的各个事物的相对比例一致，具有真实性、沉浸性、交互性等特点，可以虚拟再现生产场景，帮助学生观察不同工况下系统内工质流动现象，清晰直观地掌握设备的基本结构，了解设备与关联设备的物理逻辑关系，弥补实际实践环节中内容的不足，加深学生对设备工作原理及结构的认知。以电厂的虚拟实践为例，课题组以超临界大型电机组为原型，通过三维虚拟仿真技术，实现对超超临界电站全厂场景的逼真模拟，功能主要包括电厂介绍、电厂漫游、个性化学习、设备拆装、系统原理、电厂巡检、文化课考试和模拟操作，其三维视角可以加深学生对火电厂平面布置、设备结构及工作原理、系统构成及工作流程的理解，满足学生对电厂设备及系统认知、巡检、拆装及机组运行时部分DCS操作的需求，可用于专业课程认识实习及生产实习等实践教学活动。通过电厂的虚拟实践，学生如同进入真实的电厂场景进行漫游、巡视、学习和考试等，从而掌握专业实践的内容，实现实践目标。虚拟仿真实践的相关图片如图3所示。

虚拟仿真应用于专业实践环节，丰富了实践的内容和方式，提供了安全的实践环境。能源与动力工程专业实践现场的环境复杂多变，难以保证实践教学的质量和安全，而虚拟仿真技术可以模拟出各种实践教学场景，如电厂、冷库等，让学生在虚拟环境中进行实践操作和观察，避免了潜在的风险和危险，保护了学生的安全。此外，虚拟仿真技术允许教师结合教学目标、学生的实际水平和需求来设计和控制实践环境，通过调整虚拟环境的参数和场景，让学生在不同的情境中进行实践操作，提高学习的针对性和效果。

五、结论

虚拟仿真具有开放性高、逼真性强、可交互性多样、多维度程度高等特点。依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，模拟真实场景和情境，打破时间和空间的限制，引导学生在虚拟的、安全的环境中开展实验，从而激发学生的学习兴趣，加强对知识的理解，提高教学效果，助力高校能源与动力工程专业人才培养提升质量。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 雷冬，朱飞鹏，殷德顺，等.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨[J].实验技术与管理，2014，31（12）：95-96.

[2] 吴天秀，符华春，蔡洁.三维虚拟仿真教学系统3Dbody在系统解剖学实验教学中的应用体会[J].解剖学杂志，2020，43（1）：77-79.

[3] 郝翠霞，叶晖.工业机器人实训课程的虚拟仿真教学研究[J].实验技术与管理，2018，35（6）：144-146.

[4] 齐现英，鲁雯，韩丰谈， 等.虚拟仿真教学在《医学影像设备学》教学中的研究与应用[J].中国医学物理学杂志，2012，29（1）：3208-3210.

[5] 潘公宇，江浩斌，刘志强，等.车辆工程专业虚拟仿真实验教学平台的设计[J].实验技术与管理，2017，34（4）：1-5.

[6] 费景洲，曹贻鹏，路勇，等.能源动力类专业创新型人才培养的探索与实践[J].实验技术与管理，2016，33（1）：23-27.

［责任编辑：黄紧德］