能源动力类虚拟仿真综合实践平台建设
曹玮 许亚敏 陆紫生
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
中图分类号：G642.0? ? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2021）04-0071-04
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]。
二、能动类虚拟综合实践平台建设构想
本文以“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平台的建设构想。开放共享性是指在平台规划时，充分考虑平台开发及使用过程中应具有良好的数据拓展功能及数据共享功能。自主创新性是指平台“以学生为主，教师为辅”的实验实践教学新模式，充分鼓励学生进行自主实验，并可自主设计实验内容，规划实验步骤。综合设计性是指平台的实验实践内容不局限在某单一课程的单一实验，而是通过模块化建设及调用的方式实现两种或多种课程实践内容的交叉融合，从而进行多种内容丰富的项目设计式的综合性实践。平台结构如图1所示。
1.平台的横向功能介绍
横向来看，平台包括理论库模块、试题库模块、器材库模块、实验模块、互动模块五大功能模块，由浅入深可以实现理论学习功能、试题考试功能、模块调用功能、实验搭建操作功能、用户在线互动等功能。①理论库模块、试题库模块主要包括课程重要知识点，并涵盖与实验操作安全规范相关的理论体系，学生可以在此完成理论知识的线上学习及学习效果测试;②器材库模块按照类别不仅包括设备类（动力设备、换热设备、容器设备等）、仪表类（温度、压力、流量测量等）、阀门类、管道管件类等传统意义上的器材，同时包括能动专业常见的不同特性的实验介质及数据分析算法工具;③实践模块是该平台的重要部分，学生主要在该模块完成虚拟实验实践的操作。该模块初期主要考虑四个子模块，其中三个模块以能动专业三大传统基础课程工程热力学、传热学、流体力学为理论载体进行实验设计及搭建，一个模块以与现代能源利用相关的新能源、智慧能源技术为载体进行实验设计及搭建;④互动模块可以实现用户一对一或者一对多的在线、离线互动等功能。
上述各模塊功能上相互独立，内容上互相连接，理论库模块、试题库模块、器材库模块中的所有内容均服务于实践模块，可被实践模块调用，同时实践模块所开发的新的实验设备、实验系统、实验理论及数据分析方法亦可共享到理论库、器材库的对应部分。
2.平台的纵向功能介绍
纵向来看，实践模块的总体操作模式按照基础实验—拓展实践—项目设计的“通关式”模式层层递进。每个课程下的实验模块均分为基础实验、拓展实践两个级别，体现平台实践模式的自主创新性，项目设计阶段则是多课程实践内容的交叉融合，体现平台实践模式的综合设计性。
在基础实验阶段，实验系统、实验介质及参数固定，学生亦按照相对固定的实验操作步骤进行最初级、最基本的实验操作，进行基本的实验数据采集及分析，可初步加强学生对理论知识的理解，初步培养其实验操作规范意识，是提高其动手实践能力的第一步。基础实验操作成功后，学生可进入到拓展实践阶段。拓展实践是基础实验的深化，该阶段学生可以在基础实验的基础上对实验规模、实验对象、实验参数、实验环境进行进一步拓展，还可自主搭建新的实验系统、设计实验步骤。
在上述两个阶段，就具体实验项目来说，工程热力学基础实验模块可以建设气体比热实验、气体P-V-T关系实验、水蒸气气化潜热测定等实验，进而在此基础上进行高参数、高危介质类及多过程能量分析类的拓展实践;传热基础实验模块可以建设自然对流换热特性实验、强制对流换热特性、换热设备的换热性能测定实验等，进而在此基础上进行多环境下换热设备换热分析、换热强化类的拓展实践;流体基础实验模块可以建设动力装置（如水泵、风机）的运行特性实验、流体流动阻力实验、能量方程实验等，进而在此基础上进行动力管网系统分析类、动力设备的运行分析与优化类的拓展实践;新能源基础实验模块可以建设太阳能电池特性及太阳能发电实验、风力发电实验、燃料电池特性及发电实验，进而在此基础上进行风光储互补发电系统的搭建分析、太阳能/燃料电池性能优化类的拓展实践。
完成各课程基础实验、拓展实践的操作后，学生已经对各课程的理论体系有了清晰深入的认识，并具备了一定的分析问题、解决问题及自主设计实验的能力，此时可解锁平台的项目设计功能，进入更高级别的项目综合设计阶段。该实践模块充分展现学生对各课程知识体系进行交叉融合、融会贯通的能力，其可以任意调用实践平台的器材库及分析算法库，综合运用上述资源完成热力/动力设备设计类、热力系统/能源利用系统综合设计类的实践项目，初步培养其工程思维、设计能力及创新能力，同时还可以在此平台上完成一些校企合作项目。
3.平台的数据开放功能
实践平台的各模块数据库具备开放、扩展功能，学生在实践过程中可以根据实验实践项目的需要对器材库、算法分析库进行增补，并可有针对性、选择性地将其共享到平台。
三、平台开发难点
能动类虚拟综合实践平台如要全面深入开发主要有以下难点：①《工程热力学》《传热学》《流体力学》三大基础课程理论性强，涉及实验多为理论型实验，因此平台开发需要有着专业知识背景的技术人员，且实验数据定性定量的有效性验证需要有着丰富理论知识体系的课程教师及一定工程经验的技术人员提供支持。但是相关调查问卷显示，教师对开展虚拟仿真教学的积极性选择“非常积极”的仅占3.84%，90%以上选择“积极”或“一般”[13]。②平台的综合性决定了其开发工作量大，需要多方配合实现共建共享，开发周期较长，开发资金投入大。调查问卷显示，近两年用于实验教学信息化建设的经费投入50万以下的高校占15.38%，50—100万的占40.38%，100—200万的占13.46%，其余高校没有该项经费，而且在有限的实验教学信息化经费当中，多数高校虚拟仿真实验教学资源建设经费所占比例都在30%以下[13]。③由于平台模块之间的数据开放共享性，在不同实验、不同模块的开发过程中要统一做好充分的前期规划，考虑到数据的兼容性以避免出现各实践模块互相独立、各自为战的局面，但是就目前来看，我国虚拟实验平台的资源配置仍存在资源配置不平衡、共建共享管理机制不完善的情况。
尽管能动专业虚拟实验的开发工作还处于起步阶段，但是我国各高校已经组织成立了虚拟仿真实验教学创新联盟，并出台制定了一系列鼓励支持虚拟仿真实验教学的政策及举措[14-16]。随着信息技术的高度发展，教育信息化的日益深入，通过有序的规划、组织及逐步推进建设，相信虚拟实践教学将推进信息技术与教育教学的进一步融合，并将先进的教学理念、教学方法及优质的实验教学资源辐射全国，以其无可比拟的优势成为全面提高大学生实践能力及创新能力的主要手段。
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（编辑：鲁利瑞）
