建筑类高校电气专业电力系统虚拟仿真实验平台建设

郭喜峰，宁一，郑迪，刘美菊，张锐

摘要：由于电力系统实验设备资金投入巨大，电压等级高，场地要求苛刻，并且极具危险性，不便于开展学生动手实验，作为电气工程及其自动化专业的特色实验，如电力系统基础、电力系统分析、发电厂电气等专业课程实验受到了限制，开发电力系统综合虚拟仿真实验教学系统，不但可提高学生的实践认知能力，理解电力系统数据分析与调控，实现实验教学目的，同时能够很好的解决上述电力系统实验的实际问题。

关键词：电气工程；电力实验；虚拟仿真平台

一、基于B/S结构的虚拟仿真实验平台构建

（一）虚拟仿真实验平台建设思路

电力系统实验涉及研究工具大致分两类，即数学模拟和物理模拟。国内有数值仿真软件如：PSS、BPA、PSASP等；国外有 EMTP、PSCAD/EMTDC等软件[10][11]。数字模拟具有灵活性好、容易搭建复杂网络等优点，但在直观性方面略显不足[12]，除数学模拟外还有物理模拟。电力系统动态模拟是一种不完全的物理模拟，这种模拟可以看作是一种具体而微的电力系统。本项目开发的电力系统综合虚拟仿真实验教学系统，是针对电气工程及其自动化专业的电力实验课程开发的可在网上开展的基于B/S结构的实验教学软件。使用三维虚拟仿真技术模拟了电力实验中所需实验设备，对发电机、变压器、电动机等都有相应的实物模拟，将它们按给定的接线方式组成模拟系统后，就可以运用表计直接观测其出现的各种物理现象，可模拟实验操作工程，参数变化过程及不同情况下的各种数据分析，提供了电力系统稳态和动态全过程的实验环境，学生可拖拽观看细节，更加便于学生理解现实电力系统，领先于国内相关实验系统。

[（]二）虚拟仿真实验平台的功能

1. 人机交互功能

人机交互（Human-Computer Interaction）指的是人和计算机之间能够实现信息传递[14]，即用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作，在虚拟仿真实验中被广泛使用。学生通过电脑进入虚拟仿真实验平台，利用鼠标、键盘等设备操作，学生可按教师指导操作也可自主操作，拖动鼠标对设备实现一对一、一对多的操作，通过对虚拟场景中的对象进行交互操作，可将理论知识应用于实践。

[2]. 演示功能

电力系统虚拟仿真实验平台可演示各实验项目正常操作流程、操作方法，也可演示故障状态和现象，对错误操作还有专门的演示，以此加深学生对错误操作所引起事故的印象。且学生可对复杂实验可进行反复观看有助于学生更好理解电力系统的工作流程，为解决复杂工程问题打下基础。

3. 考核功能

电力系统虚拟仿真实验平台网站提供练习题库与考试题库，可自动评分。每一步通过API接口访问实时仿真引擎[15]，动态获取学生的操作数据，根据当前模型的系统状态和评定逻辑，动态智能测评，分别评测出每个步骤的分数，最后给出学生的正确步骤获得的分数和总成绩。

[二]、实验平台在教学中的应用

（一）总体操作步骤及内容描述

首先登录《电力系统综合虚拟仿真实验》网站，进入虚拟教学，阅读实验目的，了解本实验的目标与要求；学习软件中实验预习部分，了解电力系统综合实验的背景知识：然后观看电力系统综合实验的视频，学生若对相关操作步骤不熟练，可以选择练习模式，根据提示进行操作练习，熟悉整个实验流程，领料、接线、通电调试。然后再进入考核模式，考核模式下提示较少，且关键步骤有相应的知识点考核题目，学生需回答正确才能进行下一步骤，利于学生对知识的掌握；学生的每一操作步骤都会进行记录，且会自动记录步骤的得分；练习管理中设置有选择题、填空题、简答题及开放性思考题等，学生可以进行练习；在师生互动环节中，学生如对知识点有疑惑，可以实时留言给老师进行解答。

平台提供了与电力系统综合实验现场一致的实验场景，提供了设备的真实模型。学生可以随时随地自主选择电力系统综合实验的实验项目，能够进行设计性实验，电力系统综合实验操作与真实实验操作流程、内容一致，使学生具有身临其境的体验。电力系统综合实验基本覆盖了高电压实验的基本内容，使学生能够将理论知识与实际应用相结合。且通过规范式流程引导，学生能够掌握电力系统综合实验的标准流程、规范操作及安全事项等，逐步建立起电力系统综合实验操作的理念，提升解决复杂工程问题的实践动手能力。答疑模式可以让学生与指导教师及时沟通，同时让指导教师了解学生学习状况及存在的问题，有助于及时帮助学生答疑解惑。

（二）各项环节具体内容

整个实验平台操作流程是根据学生的学习认知规律设计的，按照“预习-讲解-操作-讨论-总结-考核”这样循序渐进的模式，将线上教学与课堂讲授相结合，建立一个全面系统的虚拟仿真平台系统[16][17]。

[1]. 预习

学生利用虚拟仿真平台对实验过程进行预习，结合书本观看实验讲义与讲解动画，进行预习和自测。实验管理系统会记录学生预习和自测的结果，授课教师可以登录系统了解学生的预习情况，并对预习结果进行统计和分析。

2. 讲解

授课教师通过投影系统、显示器等不同方式对实验原理、实验规范、实验设备及部件工作原理进行教学讲解，并进行演示操作。此环节要穿插现场施工人员安全操作规范和关键技术讲解，并设计相应思考题供学生交流讨论。

3. 操作

学生在虚拟仿真平台中进行实验操作的练习。操作练习与预习结果相关联，学生只有经过预习后才能进入操作部分。操作部分有练习模式及考核模式，练习模式容错度高，学生在操作不正确时可了解错误发生原因，观察错误操作的后果，并且可修正操作。考核模式中，步骤提示缩减，关键步骤会有相应的知识点考核，学生答错实验分数会进行扣减，操作有学生的每一操作步骤都会进行记录，且会自动记录步骤的得分，系统记录练习结果的供授课老师分析和指导。

4. 讨论

实验操作结束后，进入讨论环节。教师设计题目由学生回答，或是学生提问教师回答。采用线上线下交互的方式，对开放性讨论题、方案设计题等进行探讨研究，让学生与指导教师及时沟通，有助于指导教师了解学生学习状况及存在的问题及时帮助学生答疑解惑。

5. 总结

学生利用虚拟仿真平台进行学习总结，通过课堂操作表现或实验报告反馈给教师。学生可以自行调取自己的预习、练习、实验操作以及考试结果，分析错误原因并加以改正。

6. 考核

考核是对实验操作、实验报告、预习成绩、教师评价进行综合考核评价。考核环节注重实验教学过程管理，系统每一步操作按照用时及完成情况分别赋予相应分值合计作为操作部分分数。试验完成后需要完成实验报告，根据报告情况赋分。实验要求学生预习相关专业知识和实验内容通过系统评估以及报告情况赋分。根据学生实验的态度及完成情况进行教师评价考核部分赋分。

结语

电力系统综合虚拟仿真实验平台是培养电力人才的必然要求，是信息技术与实验教学的深度融合产物，极大地拓展了学生的学习资源和空间，适应了现代的发展，丰富了学生学习模式，可以虚拟仿真危险实验，弥补了现实问题的不足。实验过程中，学生可以根据对电力系统综合实验课程的相关内容，通过虚拟仿真实验深入理解电力系统的原理，对专业复杂知识点进行掌握。这样的实验教学方法，开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化的实验教学新模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，强烈激发了学生的实验兴趣，极大提高了学生的实验操作的技能。希望能够对其他行业特色类院校的虚拟仿真实验教学改革提供一些借鉴，同时也希望能够引起实验教学工作者对虚拟仿真实验建设的足够重视。

参考文献：

[1] 林伟明.电力系统控制实验室建设方案的探索[J].中国设备工程,2021，（6）：146-148.

[2] 庄严.基于B/S结构的软件开发技术分析[J].电子制作,2016(24): 44.

中国建设教育协会教育教学科研课题项目（2021138），工程认证背景下建筑电气类人才培养模式研究与实践

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