能源动力类虚拟仿真综合实践平台建设

　　摘 要：文章分析了能源与动力工程专业课程及传统实验体系的特点及弊端，指出传统能动类实验实践课程种类少、综合性差、可拓展性不强。结合虚拟仿真实验教学的优势，以“开放共享性、自主创新性、综合设计性”的理念为主导，提出了能动类虚拟综合实验实践平台的构建框架，平台横向覆盖工程热力学、传热学、流体力学三大基础课程模块及新能源模块，纵向采用通关式、层层递进的操作模式，使学生通过“基础实验—拓展实践—项目设计”各个实践环节的操作，由浅入深地实现基本实验能力的加强、自主实践创新能力的提升以及将多课程知识交叉运用的综合设计能力的培养。

　　关键词：虚拟仿真实验;能源动力;实践教学改革;创新实践

　　为了提高高等教育的质量，培养具有宽厚、复合、开放、创新特征的高水平、高素质人才，我国做出了“双一流”建设的战略决策，同时出台了一系列相关的重要文件[1]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》指出，要深化教育体制改革，更新人才培养观念，注重启发式、探究式教学，这无疑对高等教育的实践教学环节提出了更高的要求[2-3]。根据《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》等相关要求，教育部办公厅颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，指出将现代信息技术与实验教学深度融合，要不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，在高等学校开展示范性虚拟仿真实验(以下简称“虚拟实验”)教学项目建设工作，提高高等教育的实验教学质量与水平。自2013年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学的相关工作以来，已先后批准建设了300多所国家级虚拟仿真实验教学中心[4-6]。

　　一、虚拟综合实践平台建设必要性

　　1.能源与动力工程专业实验特点

　　能源与动力工程专业(简称“能动专业”)涵盖热能工程、动力工程、制冷技术及热工控制等多个专业方向，既包括与传统能源利用相关的技术、设备及系统，又包括与现代能源利用相关的新能源技术、智慧能源技术，知识面广、综合性强、基础课程理论性强。

　　专业特点决定了能动类实验课程数量大、种类多，在实际操作过程中存在以下特点及弊端[7-8]：①操作工质多样，包括氮气、氧气、空气、水蒸气、燃气及多种气体的混合气体，有的有毒，有的易燃易爆;工质参数范围较广，压力范围低至几千帕，高至几十兆帕，温度范围亦从零下几十甚至几百度高至零上几百度，实际实验中很难达到這些参数，即使能够实现，操作过程中也存在人身及设备安全隐患。上述特点决定了能动类实物实验只能局限于采用某些介质在某些特定参数下进行，学生很少有机会接触到与实际工业应用相关的高温、高压、高转速、易燃易爆等工况。②能动类实验多为多设备组成的系统性实验，且一般设备体积比较大、价格昂贵，前期投入大，后期维护费用高，经费和场地限制了实验内容的拓展。③学生课程数量多，其时间和精力使实验时间的安排成为难题。受时空限制，实验教师很难在有限的时间内细致地指导大批学生进行实验，且师生互动不够充分，理论课程与实验课程脱节的现象时有发生。④目前能动类实验大多局限在基础实验，实验设备、实验系统及实验步骤相对固定，学生不能实现实验的自主设计与搭建，实验过程比较被动;同时实验内容往往是验证性的，各个学科之间相互独立，缺乏交叉性和综合性。

　　2.虚拟实验教学的优点

　　虚拟仿真实验教学是当前各大高校产学结合的新形式，旨在利用虚拟现实技术模拟真实的操作环境，使学生可以在高度逼真的仿真环境下模拟实验操作，以获得与真实操作环境接近的实验体验。从某种意义上来说，虚拟仿真实验可以代替部分真实实验。

　　利用该方式开展实验教学有以上优点[9-11]：①突破时空限制。学生不仅可以根据自身情况随时随地进行实验，还可以多次反复实验，灵活的实验方式可以最大限度地满足学生的各种需求。②丰富实验种类。虚拟现实可以实现传统实验因为空间有限、经费紧张、危险性高所不能实现的实验。③增加高温、高压等高危实验的安全系数及可操作性。传统教学中，高危实验多以视频、讲解等方式呈现，学生可操作性低，虚拟实验可以提供安全的实验手段，反复实验之余以直观的方式呈现错误操作造成的后果，有助于加强学生实验操作的正确性，培养其严谨的科学态度。④增加实验的开放共享性。借助于互联网技术，虚拟实验有利于实现各实验资源的开放、共享，减少各校实验项目的重复建设。⑤有利于培养学生的创新精神。传统实验教学多以教师为主，由教师讲解相对固定的实验步骤，然后学生根据讲解进行实验，灵活性差。虚拟实验可以将实验内容、实验设备模块化，学生不仅可以实现传统意义上的实验操作，同时还可以对实验模块进行各种组合，实现实验的自主设计、分析，有利于培养学生的创新精神。

　　3.能动类虚拟实验开发现状

　　在国家政策的推动下，各大院校近年来都做了大量虚拟实验开发的相关工作，综合来看，能动类虚拟实验的开发主要有两大类，多数为仿真操作演示型，主要针对一些大型系统的仿真操作及大型设备的结构认知拆装，如发电厂、风力发电系统、制冷压缩机拆装等仿真教学;少数为理论验证型，如气体燃烧本生灯实验、CO2临界状态及PVT关系测定、喷管特性等。但是，所有的实践创新均来源于扎实的理论基础，除了仿真操作类实验，理论型实验建设更应该加强，这样学生在实践操作中才能不流于表面，做到对所学知识知其然知其所以然，才能进行更高层次的开拓创新。

　　总体来说，我国虚拟实验尤其是能动专业的虚拟实验开发研究工作目前还处于初步阶段，知识覆盖面还不够广，某些已经开发的虚拟仿真实验各自独立，无法共享，且访问量不高，因此在一定程度上存在重复性的开发及资源浪费的问题[12]。

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文章名称： 能源动力类虚拟仿真综合实践平台建设

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