電氣工程虛擬仿真課程建設的研究與實踐

方洋洋　張立

摘要：文章針對傳統電氣工程實驗存在資源、場地和經費受限，信息化不足等現狀，以漢江師范學院電氣工程虛擬仿真類實驗建設為例，通過調研師范院校電氣工程專業辦學現狀和實習就業現狀，給出虛擬仿真實驗課程建設方案。方案實踐表明：通過建設與本專業就業發展相匹配的虛擬仿真類實驗體系，可有效彌補傳統電氣工程實驗平臺的缺點，提高師范院校電氣工程專業相關人員的素質，并達到更好地服務于地區和社會的目的。

關鍵詞：電氣工程；虛擬仿真；師范院校；實驗建設

中圖分類號：TP75文獻標志碼：A0引言蘇勛文等［1］結合虛擬仿真實驗系統的實驗教學改革，針對硬件實驗平臺存在的弊端，提出有關建設虛擬仿真實驗系統的思路，設計了學生培養方案。因此，相對于傳統實驗，虛擬仿真實驗更好地解決了硬件數量不足的問題。東南大學通過虛擬實驗平臺，成立了國家級的機電綜合虛擬教學中心，啟動200多項綜合實踐項目和40多門仿真教學實驗課程，通過加深學生對科研成果的接觸與理解，提高學校資源的利用率［2］。這也說明虛擬仿真實驗能夠拓展實驗教學的深度，加深學生對實驗內容的了解與應用，降低實驗損失與風險，使所得的實驗數據更加精準，數據分析更加直觀。目前，PSCAD/EMTDC是世界上針對電力系統電磁暫態仿真分析運用最廣泛的一種軟件，它可以用來研究電力系統時域計算仿真、電力系統頻域計算仿真、高電壓等問題［3］。

本文結合漢江師范學院電氣工程專業的實際狀況，建設虛擬仿真實驗課程，改善學科建設現狀，提高教學效果，對虛擬仿真實驗建設進行目標規劃，分析建設虛擬仿真實驗的目的，探究虛擬仿真實驗建設的條件，分析并決定使用的仿真軟件及相關實驗的課時安排，達到師范院校電氣工程專業更好地服務于地區和社會的目的。

1電氣工程專業辦學情況及實驗室建設現狀1.1電氣工程專業辦學情況十堰市地處鄂豫陜渝交界處的貧窮山區——秦巴地區，該地區及周邊地區電力企業較多。其中，湖北省電力工程企業540多家，陜西省電力供應企業570多家，河南省電力供應企業1 000多家，電氣工程專業技術人員需求較大。

根據《2017年安康、漢中、十堰、襄陽等地區高等院校開設電氣工程及其自動化專業情況及電站情況年報匯總》信息可知，2017年，安康、漢中、南陽、十堰、襄陽等地區共有700多家水力發電企業，但僅有陜西理工大學、南陽理工學院、湖北汽車工業學院3所大學開設電氣工程及其自動化專業，每年招生規模不足400人。漢江師范學院物理與電子工程學院于1993年開設應用電子技術專業，歷史悠久，現已建設一個省級實訓基地。2005年，學院開辦機電一體化技術專業，建有機械與自動化實訓中心。2016年，學校升格為本科院?！獫h江師范學院后，在原來的機電一體化、汽車電子技術、應用電子技術專業發展的基礎上，申辦電氣工程及其自動化本科專業。電氣工程及其自動化專業是漢江師范學院第三批開設的本科專業之一，于2018年9月開始面向全國招生，目前有2018級學生93人，2019級學生83人，2020級學生85人，2021級89人，在校生共計350人。

1.2實驗室建設和實驗教學現狀目前，漢江師范學院電氣工程專業有5個專業實驗室，占地使用面積約1 250 m2。同時，本專業還開設電子電工類實驗，在電子電工實驗中心相關的實驗室進行。目前，本專業教學科研儀器設備共計1 643臺（套），資產總值達439.36萬元。

傳統的實驗通常存在實驗周期長、成本高、過程操作復雜、危險系數大、環境要求過于嚴苛等缺點。相對于傳統實驗而言，虛擬仿真實驗具有較高的直觀性、創新性、經濟性、簡易性、精準性、安全性。因此，以漢江師范學院電氣工程專業建設虛擬仿真實驗平臺為例，在人才培養的過程中不斷地探究實踐育人的新模式，深化實驗教學改革，加快虛擬仿真教學項目的建設步伐，促進實驗教學與科學技術高度融合。從信息管理平臺、實驗教學隊伍和管理運行機制等方面加強實驗仿真教學中心建設，共享虛擬仿真優質的實驗教學資源，進一步提高學校實驗教學的水平，有效改善教育教學現狀。

2虛擬仿真實驗課程建設方案2.1虛擬仿真實驗課程建設的目的目前，在高等學校的教學研究和科研發展中，虛擬仿真技術所帶來的影響也變得越來越重要。在虛擬仿真實驗教學過程中，通過構造接近真實的實驗環境，從而實現實驗目標［4-5］。隨著科學技術的發展，為滿足漢江師范學院的教學和科研發展需要，本文以漢江師范學院電氣工程專業虛擬仿真建設實驗為例進行教學實踐探索。

2.2虛擬仿真實驗課程的建設規劃虛擬仿真實驗的建設要有目的、有方向、有層次地進行。漢江師范學院利用“互聯網+”和“虛擬仿真”技術對教學活動中的環節和內容進行了全面的設計，使虛擬仿真實驗教學系統更加科學且可持續拓展。虛擬仿真實驗課程建設規劃主要包括仿真教學資源、平臺軟件、管理系統的確定以及相關費用需求。

本研究引用虛擬仿真技術提升傳統實驗效果，將虛擬仿真與傳統實驗合二為一，加深學生的動手體驗，讓學生在設計、實驗、計算、控制等各個實驗環節理解實驗的目的與內涵。通過改進學校相關制度，設計專業培養方案和系統教學方案，讓學生分層遞進地做到對虛擬仿真實驗的融會貫通。此外，對學生、教師、實驗室負責人員做出相應要求，聯合企業創立比賽，并設立相關獎項，激發學生對虛擬仿真的學習熱情，使學生更好地理解與運用相關虛擬仿真實驗知識［6］。

2.3虛擬仿真實驗建設流程虛擬仿真實驗建設流程如圖1所示。

如圖1所示，在虛擬仿真實驗課程中，首先，進行虛擬仿真基礎課，使學生了解仿真實驗的結構與相關軟件的功能；其次，對學生進行有針對性的虛擬仿真概述課；最后，完成虛擬仿真實驗課。有了基礎課與專業課的知識技術積累，學生在進行實驗時會更加高效。同時通過實驗，學生對基礎理論與相關軟件的理解與運用進一步加深。3個實驗課程形成良性循環，能夠有效提高學生的學習效率。

3電氣工程虛擬仿真實驗課程建設實踐3.1電氣工程虛擬仿真實驗課程建設實踐3.1.1基礎課程仿真實驗第一階段主要開設基礎課程仿真實驗，使學生初步了解基礎知識，同時為后續專業課程實驗的學習打好基礎。其課程實驗安排如表1所示。

3.1.2專業課程仿真實驗專業課程仿真實驗位于第二階段，基于基礎課的

知識儲備，開設專業核心仿真課程實驗，加深學生對本專業實驗課程的理解并熟練操作，主要的專業核心課程仿真實驗的安排如表2所示。

3.1.3課程設計類仿真實驗最后階段是開設課程設計類仿真實驗。學生在深入了解專業實驗知識之后，可以針對自己的興趣愛好進行方向化的選擇，延伸拓展學習。這一階段的課程實驗安排如表3所示。

除基礎課程仿真實驗、專業課程仿真實驗和設計類課程仿真實驗外，漢江師范學院電氣工程專業安排了相關的虛擬仿真專業集中實踐環節，以檢測學生的學習情況，提高學生設計應用能力，主要包括C語言課程設計、電氣控制與PLC課程設計、電力電子技術課程設計、單片機技術課程設計、電力系統綜合課程設計。每門虛擬仿真專業集中實踐環節都安排教師進行指導，在1周時間內完成相應實驗任務，課時分配為30學時。

3.2虛擬仿真實驗實施進展及改進方向3.2.1實施進展漢江師范學院電氣工程專業虛擬仿真實踐教育資源與網絡平臺的進一步建立已經在分階段進行。2019年，學院購置包含Matlab，ANSYS等內容的大型專業仿真與設計軟件系統，將通過學院云平臺實現專業軟件共享和管理。同時，學校會進一步規范和加強實驗中心課程資源建設，根據專業課程理論和實踐教學要求，2020年支持兩個虛擬仿真實驗項目建設，支持信息化、網絡管理和軟硬件平臺建設，2022年進一步實現虛擬仿真教育與實驗資源的整合、優化、虛擬仿真教育實踐活動。

相對傳統實驗，虛擬仿真實驗具有較高的直觀性、經濟性、精準性、安全性。虛擬仿真實驗加深了學生對科研成果的了解，提高了學校資源利用率。同時，虛擬仿真實驗加大了實驗教學的深度，加深了學生對實驗內容的了解，使所得的實驗數據更加精準，進行的數據分析更加直觀。仿真軟件的準確度高，人機交流界面簡明，直觀效果好。對于高危險性、操作困難或者成本消耗較大的實驗教學，虛擬仿真實驗可以有效降低儀器設備的成本，解除了安全限制。

漢江師范學院在倡導的電工虛擬仿真實驗課程實踐教學模式下，不斷進步，逐步提升了人才培養質量。電氣工程及其自動化專業2018屆畢業生93人，參加省級以上學科競賽獲獎比例達到40%以上。學生競賽的獲獎者人數達到了45人。學生在挑戰杯、數學建模競賽等比賽中獲得國家獎5項，省級獎100多項。研究生入學率為13%，英語四六級合格率為71%。畢業生將主要從事國家電網和中小型電站的建設、生產、運行、調度以及中小型企業電氣設備的運行和維護工作。

目前，僅十堰市就有十堰電網公司、黃龍灘水力發電廠、京能熱電十堰有限公司、漢江集團水利水電有限責任公司等電力企業以及十堰榮華東風汽車專營有限公司和東風商用車有限公司等知名汽車企業，對電力運維、汽車電氣設計和設備維護等崗位存在應用型專業人才需求缺口較大的問題。實習單位包括：武漢華大電力自動技術有限責任公司工程技術部，上海電氣集團（張家港）變壓器有限公司設計部，江蘇沙鋼集團有限公司工廠供配電電氣相關崗位，江蘇愛康科技股份有限公司工程技術部，諾博汽車系統有限公司工程技術部，信義光伏（蘇州）有限公司設備技術、品質檢測、生產管理，浙江求是科教設備有限公司技術保障、銷售、研發。漢江師范學院電氣工程專業學生社會責任感強，崗位實踐和創新能力突出，受到了用人單位好評。

3.2.2改進方向首先，通過建設實驗教學平臺構建虛擬仿真實驗室，開發和合理利用有關虛擬仿真實驗的教學資源。其次，虛擬仿真實驗室需要得到進一步的融合、推廣和應用。（1）開發云平臺教學資源?；陔姎夤こ虒I知識理論，使用虛擬仿真軟件，突現實驗不受場地時間限制和多樣化擴展的目標。（2）開發硬件教學資源。以網絡化控制器為中間橋梁，將實驗平臺連接到實驗服務器，實現云連接，學生使用網絡就可以達到軟件和硬件相結合的實驗效果。（3）運用虛實結合，對教學體系進行優化。充分利用更加有利于學生發展的教學資源，體現“以人為本”的教學思想，采用“虛實結合”的模式，以此提升學生的創新思維和實驗操作能力。最后，要結合學院實際情況整合教學資源，提供適應學生的課堂教學，不僅可以降低成本和風險，還可以使教學內容與教學形式多樣化，完善傳統課堂實驗中不具備或難以完成的教學功能。

4結語目前，加大對實驗室的資金投入，購買虛擬仿真軟件，適當增加實驗基礎課課時，同時優化實驗室負責人員的知識儲備，在面對實驗室發生相關問題與事故的時候可以快速合理地解決，避免不必要的損失。

首先，學校針對虛擬仿真實驗進行基礎性、系統性的授課，加強學生對虛擬仿真實驗的接受能力，保證學校虛擬仿真實驗室的順利建立。其次，完善學校的教學實驗管理平臺，公開共享虛擬仿真教學資源。最后，要讓學校教學實驗管理平臺面向未來，打造一個現代化、先進化、創新化的教育平臺。此外，建設虛擬仿真實驗室有如下好處：

（1）虛擬仿真的應用能縮短實驗周期，增強實驗數據的準確性，多變的實驗內容可以促進學生思考，避免套用抄襲，提高學生的自主創新能力。

（2）虛擬仿真軟件的應用能提高教學效率。利用虛擬仿真實驗室進行實驗的周期短，教師可以加大對學生實驗過程的考核，便于老師了解學生實驗操作的實際情況。

（3）虛擬仿真實驗能提高實驗的安全系數，對于一些實驗危險系數較高的實驗學生可以自己動手嘗試，拓寬了學生的知識面。

（4）仿真實驗可以加深學生對實驗原理的理解，這樣既提高了學生的動手操作能力，又為學生以后使用該類軟件打下基礎，使學生以后能更好地應用于社會實踐。

參考文獻

［1］蘇勛文，王篤亭，朱顯輝.基于虛擬仿真實驗系統的電氣工程專業教學改革與實踐［J］.江蘇理工學院學報，2016（4）：90-93.

［2］吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規劃思路與進展［J］.實驗技術與管理，2014（10）：5-9.

［3］敖章洪，李建英，楊民生.MATLAB/SIMULINK在《電氣工程基礎》教學中的應用［J］.電腦與電信，2018（7）：21-23.

［4］謝啟，徐本連，戴梅，等.先進測控技術聯合實訓中心建設探索與實踐［J］.實驗科學與技術，2014（1）：128-132.

［5］王彬，方健，李聰，等.電氣工程及其自動化專業“一主兩輔四融合”人才培養模式探索與實踐［J］.吉林工程技術師范學院學報，2019（8）：92-94.

［6］王立國，劉麗，郭犇.以康奈爾大學ECE4950課程為參考的人工智能課程體系建設［J］.實驗科學與技術，2021（4）：38-43.

（編輯 王雪芬）

Research and practice on virtual simulation course construction of electrical engineeringFang? Yangyang Zhang? Li

（1.School of Physics and Electronic Engineering，Hanjiang Normal University， Shiyan 442000， China;

2.Center for Research on the Preparation and Properties of New Functional Materials，

Hanjiang Normal University， Shiyan 442000，China）Abstract： In view of the current situation of traditional electrical engineering experiment， such as limited resources， space and funds， and insufficient information， taking the construction of virtual simulation experiment of electrical engineering in Hanjiang Normal University as an example， the construction scheme of virtual simulation experiment course is given by investigating the current situation of school running and internship employment of electrical engineering major in normal universities. The practice shows that by building a virtual simulation experiment system that matches the employment development of this major， it can effectively make up for the shortcomings of the traditional electrical engineering experiment platform， improve the quality of engineering related personnel in electrical engineering in normal colleges， and better serve the region and society.

Key words： electrical engineering; virtual simulation; normal colleges; experimental construction