虛擬仿真實踐課程思政教學設計與實踐*

于鑫 朱金洋 戴佺民 陳惠榮 劉艷霞 劉丹陽 郭凱鑫

（北京聯合大學 城市軌道交通與物流學院）

一、引言

虛擬仿真技術是以高性能計算機系統作為后臺運算支撐建立系統的數字化模型并進行仿真展示與分析；通常以二維或三維圖形方式顯示該系統在真實狀態與特性，便于我們優化系統設計方案，廣泛應用于智能制造、醫療、航空、交通等領域。近年來，信息技術的快速發展使虛擬仿真技術也廣泛應用于學校的教學過程?；谔摂M仿真技術教學過程可以真實地展示系統的結構和工作過程，使學生獲得生動直觀的感性認識，增強對抽象工作原理的理解；同時，利用虛擬仿真的人機交互過程，使學生獲得高度逼真的訓練環境和操作過程。此外，與傳統沙盤模型等教學資源相比，虛擬仿真訓練系統可以大大減少實驗成本、縮短搭建環境和獲取訓練環境的時間?；ヂ摼W技術的發展拓展了虛擬仿真實驗教學內容的廣度和深度，學生可以在線上就能夠完成實驗過程，提升學生自主學習和碎片化時間管理的能力，并解決線下實驗中難以實現的問題[1]。

地鐵供電系統涉及升壓、并網、傳輸、牽引變壓、換流等多個環節，如何設定電壓等參數是保證輸電系統的安全穩定運行基礎。高壓交流電纜充電功率、變壓器的電感等對城市電網造成功率因數低、無功功率反送等不利影響，所以通過無功補償等措施控制地鐵供電系統對城市供電網的影響至關重要，合理的無功補償措施不僅能避免造成浪費,還能防止電壓波動等因素帶來的安全隱患，本文將利用虛擬仿真技術實現上述相關技術的實踐教學過程。

二、虛擬仿真實驗線上教學的構建

（一）實驗項目建設背景

2017 年教育部辦公廳提出在普通高等學校開展示范性“虛擬仿真實驗教學項目”建設工作[2]。高校虛擬仿真實驗教學已初具規模并形成一定影響力，構建科學、系統的虛擬仿真實驗教學體系有利于避免重復建設和資源浪費，促進虛擬仿真實驗教學的可持續發展，推進工作開始進入“共建共享、聯合推動”的發展階段[3]。此外，新冠疫情客觀上進一步加快了高校虛擬仿真實踐教學的建設速度。

《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，高等院校積極探索將課程思政教育融入課程教學改革全過程，使思想政治教育潤物無聲。

本文以地鐵供電系統安全輸送及無功補償實驗為案例，通過在仿真平臺互動使學生了解地鐵供電系統基本知識，并能根據仿真結果選擇合理的工程方案。在教學過程中，深入挖掘課程思政元素，注重知行合一，融合發展。

（二）實驗內容教學設計

首先通過仿真操作搭建地鐵供電系統原型，讓學生了解從電能產生、升壓、傳輸、主變電站到牽引變電站、直流牽引系統、低壓變電站整個供電過程，通過給定的條件讓學生設定、計算系統關鍵節點參數，完成并網、多電壓等級電壓設計等環節，保證供電系統安全輸送，培養學生工程化思想。

搭建供電系統基礎上進一步學習無功補償相關知識，并通過給定測量的參數完成無功計算和補償容量設計，使供電系統達到既定要求，保證供電系統的穩定運行和可靠性，使系統經濟效益達到最優。

最后通過倒閘操作，使學生理解無功補償操作過程中的設備安裝、檢修等環節的過程，提升學生對相關知識理解，使學生能夠在確定故障范圍和故障原因后，及時隔離故障設備的能力，確保電力系統的安全可靠運行。

圖1 無功功率補償方案設計

圖2 倒閘操作錯誤產生電弧

（三）實驗原理

1.并網

電力系統中的并網是指發電機組或發電廠的輸電線路與輸電網接通，并與電網調度系統建立調度關系，主要包括光伏并網方式和風電并網方式。

（1）光伏并網方式

光伏發電屬于太陽能發電，是利用太陽能組件產生直流電經過并網逆變器轉換成符合電網要求的交流電之后直接接入公共電網，具有維護簡單、功率可大可小、低排放等特點，對環保與社會經濟發展起著重要作用。

光伏并網系統主要分為有逆流并網光伏發電系統和無逆流并網光伏發電系統：當光伏系統提供的電力不足時，二者都可由公共電網向負載供電；當光伏系統發出的電能充裕時，有逆流并網光伏發電系統可將多余電能饋入公共電網，而無逆流并網光伏發電系統則不向公共電網供電。

（2）風電并網方式

風力發電有兩種不同的類型：能獨立運行、規模較小的離網型和以風電場形式的大規模集中接入電力系統的并網型。風電并網的方式主要分為同步發電機、異步發電機和雙饋發電機三種形式。

2.電力系統電壓的選擇

（1）電網（線路）、發電機的額定電壓

主要根據需要、水平、技術、經濟分析后確定。發電機的額定電壓比同級電網電壓高百分之五。

（2）用電設備的額定電壓

用電設備的額定電壓等于電網額定電壓。變壓器一次繞組的額定電壓根據其連接對象不同而有差別。當與發電機相連時，其額定電壓與發電機的額定電壓相同；當與電網相連時，其額定電壓等于同級電網額定電壓。變壓器二次繞組的額定電壓則根據二次側供電線路長短不同，比其相聯電網額定電壓高百分之十或百分之五。當距離較短時，僅考慮補償變壓器滿負荷運行時繞組內部5%的電壓降，而不用補償5%的線路上的電壓損耗。

3.電力系統無功補償

交流電源供給負載的電功率有兩種：一是電設備正常運行（即電能轉換為機械能、光能、熱能等其他形式能量的電功率）所需有功功率，二是用來建立磁場，交換能量所需的無功功率。當輸電線的無功功率不能滿足需要，為了保證電設備在額定電壓下工作，在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，這就是電力系統的無功補償，如并聯電容器與供電設備，可以補償負荷所消耗的感性無功。

4.電力設備的倒閘操作

電氣設備由一種工作狀態或運行方式變換到另一種狀態或工作方式所進行的一系列操作稱作倒閘操作。

（四）實施過程

課前采用引導式教學：通過項目目標引導學生進行課前預習，提升學習效果。

教學過程采用互動式教學：在操作環節，老師與學生能夠通過線上進行交流，學生可以通過人機交互的學習方式，在學習中隨時提出問題，老師可以及時給出解決方法，提高學習效率。

教學課后的反饋與互動：利用信息系統的優勢記錄學生的操作步驟和教師的評價，強調學生課后的反饋，增加學生的自我提升能力。

（五）課程思政元素設計

為貫徹落實全國高校思想政治工作會議和新時代全國高等學校本科教育工作會議精神，牢記社會主義核心價值觀，把立德樹人作為教學過程的根本。在教授科學文化知識的同時，高度重視學生思想政治的發展。秉承立德授業的宗旨，將思想政治教育融入到專業知識課程里面，潛移默化中提高學生政治素養，實現思政教育和知識教授的結合，更好地將學生培養成德智全面發展的優秀人才。

1.引入我國相關的技術標準，培養工匠精神與職業道德

在并網原理教授過程中，引入國家電網公司《光伏電站接入電網技術規定》以及國家標準GB/Z19963—2005 等，培養學生工程能力以及在實施工程項目過程中的團隊精神及工匠精神。

近幾年，風電事業在快速的發展，由于其電壓高，規模大，距離比較遠，并且是集中接入，因此對于電網的滲透率不斷攀升，為了讓風電成為方便使用的優質電源，需要對舊標準進行升級改造，喚起學生對于新技術、新標準的求知欲。

2.引入中國特高壓輸電技術，提升民族自豪感

如今特高壓輸電技術分為兩種，一種是特高壓直流輸電，標準是不小于800 千伏，第二種是特高壓交流輸電，標準是不小于1000 千伏。截止2019 年6月，中國的特高壓輸電線路已經投入運營的特高壓線路累計達到27570 公里，中國成為世界上第一個也是唯一一個全面掌握特高壓輸電技術的國家，也是第一個將其投入商業運營的國家。

3.引入清潔能源概念，讓學生深入理解環境保護和可持續生產對人類的重要性，培養學生社會責任和擔當

在供電系統引入清潔能源，讓學生理解“雙碳”目標的提出和落實，有利于全社會加快推進社會高質量的產業結構、生產方式和生活方式。我國作為最大的發展中國家，有義務承擔國際社會責任，一直以來重視可持續發展，多次提出綠水青山就是金山銀山，重視生態環境保護。中國的舉動，也為世界環境保護事業貢獻出了中國理念和中國方案。

三、仿真實驗平臺部署

開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺是基于計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術而設計的一種教學平臺，目的是服務于教學。該平臺集多功能于一體，包括實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理等，具有良好的性能。

項目運行需要五層平臺架構，相鄰兩層架構之間聯系密切，下層為上層提供服務，最終五層相互配合來構建虛擬實驗教學環境。

（一）數據層

數據層是模擬仿真實驗的開端，清潔能源安全輸送與地鐵供電應用虛擬仿真實驗都需要大量的數據，通過建立基礎元件庫、典型實驗庫，標準答案庫等對相關的數據進行存放及管理。

（二）支撐層

支持層作為核心層級，是保證虛擬實驗順利運行的基礎。其子模塊包括安全管理、數據管理等。整個平臺的運行、管理和維護都屬于該層的管理范疇。

（三）通用服務層

通用服務層用來提供通用支持組件，保證虛擬仿真實驗的順利進行。該層包括實驗教務管理、實驗教學管理、實驗資源管理等多個子模塊，同時具有相應的集成接口工具，方便平臺和第三方虛擬軟件集成管理使用。

（四）仿真層

仿真層是對實驗中的實物進行仿真建模，包括實驗器材，實驗場景。通過仿真來形成可以通用的仿真器。

（五）應用層

應用層作為最后一層，能夠將實驗仿真教學進行開放共享。由于該層所搭建的拓展性良好，亦適用于其他實驗實例進行模擬仿真，根據具體的教學需要開展合適的實驗教學應用。

四、效果評估

（一）降低教學成本

電力系統對于工業、交通等多領域都很重要，電力系統的運行、維護、檢修都需要專業的工作人員來進行操作。本實驗項目構建了基于清潔能源供電城市軌道交通的仿真模型，解決了現實實驗室中無法進行的實驗操作，大大節省了實驗設備的購置費用和維護成本。

（二）共享教學資源，服務社會效果明顯

通過虛擬模擬仿真資源，可以模擬仿真不同情境下的真實情況，從而完成不同要求的教學任務。從多方面對電力系統的不同功能以及故障處理進行模擬，能夠真切地讓學生感受整個過程，也能順利完成綜合設計性實驗，畢業設計等，實現校內資源的共享。

該實驗項目可通過互聯網訪問使用，方便地開展大范圍實驗，向社會開放。虛擬仿真教學資源不僅可以面向本校學生，也支持其他高校學生學習和企業員工培訓，是深化校企合作、人才合作培養的有效平臺。

（三）減少傳染病等突發事件對教學的響應

操作者可以利用互聯網完成實驗，這種B/S 模式的教學方式在本次疫情期間得到了各高校的重視，尤其對于中外合作辦學專業的實踐類課程，更是發揮了重要作用。

（四）開拓了課程思政教育的新路徑

仿真平臺引入我國特高壓輸電技術等內容，這些技術中國從無到有，從自主研發到領先世界，匯集了無數尖端人才的心血與汗水，并取得了世人矚目的成績，虛擬仿真實驗平臺成為展示我國電力系統成果的新載體，提升了學生民族自豪感，通過仿真實驗平臺，向學生展示了我國“碳達峰”“碳中和”戰略目標，彰顯中國綠色發展偉力。

五、結論

利用虛擬實驗平臺實現了以教為主向以學為主、以課內為主向課內外結合、以知識能力培養向以工程實踐能力培養的轉變。教學過程中融入思政教育元素，完善虛擬仿真實驗教學平臺和教學模式頂層設計，讓學生能夠在掌握專業知識的同時，潛移默化地提升思想品德素養，對于學生理論知識學習和精神品格的提高有著重要的影響，也更能培養出有知識，懂技術，擁有愛國情懷的新時代學生，促進教育全面均衡發展。