甄 琦，塔 娜，杨 轩，孙云峰，韩巧丽，李 明

（内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

中国提出在2030 年实现“碳达峰”、2060 年实现“碳中和”目标后，很快发布了许多配套措施[1-3]，新能源行业迎来了新一轮的发展[4-5]，但这也促使了新能源行业人才缺口进一步加大[6]。由于新能源行业设备往往占地面积较大、设备成本高且存在一定的危险性，因此很多高校存在着机组教学拆装器材不足的问题。

目前，诸多高校往往采用小型设备实地操作结合讲解的方式来解决这个问题，但这种方式存在着不够直观[7]、学生认知效率不够高、教学也需要持续较长时间等等问题。

虚拟仿真技术的兴起，为这种情况提供了一种新的解决方案。当前虚拟仿真技术与教学相结合已经有较多成功案例，例如：王晨皓等[8]制作了地铁候车空间环境设计虚拟仿真实验系统，其系统拓宽了实验教学的授课范围，一定程度上培养了学生独立自主学习与思考的能力；宋培[9]制作了数控车虚拟仿真实验辅助教学系统，此系统拓展了实验教学的深度和广度，提高了教学成效；ZHANG 等[10]基于虚拟仿真技术建立了对混合医疗设备的装配训练应用，其中，对交互系统建立了较为完善的评分和反馈机制，并且就培训效果与传统培训方法进行了较为完善的对比。

虽然虚拟仿真技术已有许多成功案例，但虚拟仿真在风电领域仍未能得到充分应用。周琪琪等[11]制作了基于虚拟现实技术的风电仿真培训系统，利用三维建模技术、摄像机分层距离剔除技术等实现了风电机组部分部件的拆装与整体场景的建模，但其仅展现了风力发电机组装完成后的全貌以及风力发电机的运作方式，对风力发电机的组装过程缺乏介绍。与此相似，吴士华等[12]建立了风力发电机组的三维交互式虚拟仿真，并且在此基础上建立了可以人机交互操作以及巡视的三维设备模型，以便对运维人员进行理论、检修方面的可视化培训，其系统亦不能展现风力发电机的组装过程，并且其设计侧重对人员检修能力的培养，而对风力发电机整体结构的认知强调程度不够。

在此之外，也有许多人制作了风力发电机部分部件的虚拟仿真设计。例如：刘宇[13]面向风电行业从业者，以某风电厂商生产的3 MW 风力发电机组为例，借助SolidWorks 软件，设计了风机齿轮箱的传动系统，完成了风机传动链的建模、装配及仿真，但部分部件的虚拟仿真设计无法体现多个部件之间的配合，存在一定的局限性。

针对以上的问题，本文设计了一种包括小型风力发电机虚拟仿真整机拆装软件，用以辅助学生进行整机拆装实验，其先对学生进行登记，而后选择实验，由一个简单的模型风机开始，引导学生熟悉本软件，之后利用本软件对学生进行教学，最终测试学生的教学成果，进行评分并导出登记信息和评分结果。该成果将完善新能源专业的培养方式，提升新能源专业的人才培养质量，最终助力“双碳”目标完成。

1 设计思路

1.1 整体设计思路

整体设计中强调以学生为中心，以提升学生的认知水平为导向，注重学生主观能动性的培养，通过新能源专业课程、实物和虚拟仿真技术相结合的方式进行深入教学[14]。其具体设计如图1 所示，实验以设计目的为中心展开设计，从实验阶段、设计目的、设计模块、设计内容多层次展开设计。其设计层层递进，使学生先熟悉软件，再进行实验教学，最终进行熟练度测试。

图1 设计思路框架图

在学生完成本次实验后，会加深对风力发电机各个部件的理解，熟悉风力发电机的运转以及装配方式。并且该实验与“风力发电机组构造与设计”“风力发电机组拆装实习”等课程相结合，以理论指导实验，以实验验证理论，结合实物演示和虚拟仿真实验，两者互为补充[15]，在实践中加深学生的印象，提升学生对知识的掌握程度。

1.2 实验教学设计

实验教学就设计内容、教学方法、设计方法这3方面进行了针对风力发电机组的虚拟仿真设计。

1.2.1 设计内容

在本次设计中，坚持以学生为中心展开设计，通过结合新能源科学与工程专业的特色课程以及社会对人才培养的需求展开[16]。使学生掌握本实验中的风力发电机组基本构成，能够分辨出各个零部件，并且掌握风力发电机中的各个零部件安装顺序以及安装方法。除此以外，还要使学生掌握各个部件的安装位置并认识它们在运行中扮演的角色，提升学生综合处理风力发电机相关问题的能力。

1.2.2 教学方法

本次设计中，将结合虚拟仿真技术，采用情景浸入式、任务驱动式、自主探究式、设计式等教学方法，努力使学生充分掌握知识点。采用二维图片和三维模型相结合的方式，结合实物，使学生充分掌握风力发电机的构成，促进师生互动，加强师生、学生间线上线下沟通交流。设计教学流程为学生先在软件内自主探索，在学生自主探索受挫或者主动求助时，教师或其他同学再介入，与学生一同探索，提供适度指导，并结合实物，讲解该部分在风力发电机组的结构起到的作用，并讲解为何如此装配。学生之间也可结为学习小组，共同探索。由于设计的开放性，学生们可以讨论与对比各个装配顺序的优缺点，进一步加深理解。并且教师引导学生与实际结合，特别要考虑装配时的时间与难度，逐步讨论出一个最佳装配方案。

1.2.3 设计方法

本次设计主要采用观察法、比较法和设计法等设计方法，全面促进学生掌握风力发电机各个部件之间相互配合装配的流程，促使学生在学习的过程中结合所学知识，认识到大型风力发电机组和小型风力发电机组的异同点，提升学生对风力发电机组的认知。由于理论讲解和实际组装中存在部分零部件无法在装配完成的情况下被观察到的问题，因此在实验中要求学生注意观察某些零部件的位置及其起到的作用，加强其对风力发电机组的认知。由于本设计需要和“风力发电机组拆装实习”以及“风力发电机组构造与设计”等课程相结合，因此学生需要先进行相关课程的学习，在掌握风力发电机组的构成以及大型风力发电机组的装配原理后再进行本次课程的学习，以促进大型风力发电机组和小型风力发电机组、理论和实际的对比，以便学生系统性掌握风力发电机组装配的知识点。设计法在本次实验中存在于装配阶段，而本次实验中，存在部分的自主探究设计，即由学生自由选择装配顺序，成绩判定时只判定该装配顺序能否满足正常安装的条件，因此，学生需要进行自主进行装配顺序设计，并且在此后给出设计依据。

2 实验模块实现

本次设计中通过建模技术，将小型风力发电机进行拆解组合，并在虚拟仿真软件制作平台中制作软件并导入模型[17]，在虚拟场景中还原真实装配场景，使学生身临其境地进行装配仿真实验，并且通过交互设计增强学生的参与感[18]，其对小型风力发电机组进行了全面展示和零部件装配，并且其与多种课程、实验相结合，帮助学生巩固相关知识，提升学生的学习成果，增强学生的探究精神和解决问题的能力。

2.1 交互模块

本模块以识别学生身份并与学生交互为主要目的，通过与学生的交互，帮助学生登记身份信息，学生可以借助此模块选择实验并对本实验的模型产生基本的了解。该环节通过设计各个界面以及其辅助系统得以实现。学生在交互系统内可以登记班级、姓名、学号等信息，以便在完成实验后系统自动对实验成绩登记时对学生进行认证。在设计中对不同屏幕大小进行了适配设计，以便本软件在不同的屏幕上都可以正常运行。在交互模块中还进行了平台化的设计，在实验选择时，准备了给其他实验的接口，在其他实验制作完成时，可以通过本次设计的接口进行跳转，如图2所示。

图2 登录界面

2.2 新手教学模块

在新手教学模块的设计中，以软件操作教学为中心，展开软件设计。为了使学生充分理解软件操作，设计了文字和实操2 种说明方式，由于文字和实操2种说明方式各有优点，因此设计中结合两者的优点，分别说明不同的问题，通过文字说明方式对学生进行软件的基本操作教学，而在实操说明方式中通过结合一个简易模型，对学生进行软件基本执行逻辑、得分逻辑教学，并且结合实际情况对学生进行说明，如图3所示。

2.3 教学模块

教学模块设计目标是让学生理解如何装配小型风力发电机，并且让学生在教学模块中按自己的想法设计装配顺序来加强对小型风力发电机组装配的掌握程度。因此，在设计教学模块时，采用与测试模块相同的贴近真实的虚拟仿真模型，而非在新手教学模块中使用的简单模型。在学生进行训练时，出现错误装配便会给出提示，以便学生纠正自己的错误，如图4 所示。

图4 教学模块操作页面

但由于贴近真实的模型中存在大量的零件会对学生造成装配设计上的困扰，并且部分零件在实际装配时确实存在独立组装后再总装的情况，因此在模块中设计了独立于主要装配场景中的子场景，将部分组合体的组装移入子场景进行装配，以便学生形成清晰的装配思路。在得分计算中，由于存在子场景，得分项变得更多，因此得分计算变得复杂，故在学生完成教学模块后，成绩中会显示出各个得分项的正确项目个数，以便学生寻找错误之处并改正。在学生学习模型装配时，难免会出错，因此设计了重置按钮，在点击重置时会重置到装配开始之前的样子。除此以外，还在场景中设计了场景漫游功能，以便学生在各个角度观察、了解小型风力发电机模型，加深对其的了解，如图5 所示。

图5 各个子场景操作页面

2.4 测试模块

测试模块场景设计的目的是测试学生对于装配模型的掌握情况，学生在教学模块中掌握小型风力发电机组装配后，可以退出教学模块进入测试模块，测试其对于小型风力发电机组的掌握程度。在学生完成测试后，会即时反馈出学生的成绩，以便学生确认自己的掌握情况，针对问题进行查缺补漏。

2.5 成绩模块

成绩模块是本次虚拟仿真实验最重要的内容之一，本次设计的成绩模块结合各个零部件重要性，综合计算分数。在分数中会体现学生对整机装配实验的掌握程度，也会体现出学生装配流程设计的合理程度、装配的规范程度以及结果的正确性，其也是学生对风力发电机组构造与设计、风力发电机组拆装实习等等课程掌握熟悉程度的一次侧面评估。在得分设计时，为了综合体现小型风力发电机组各个部分的重要性，如表1 所示，将零件安装设计为较高分值占比，而组合体装配、场景切换、组装占比相对较低，其得分将是学生掌握程度、操作能力、学习素养的综合评估。

表1 教学及测试模块计分表

除此以外，成绩模块还设计了成绩输出，在成绩导出时，采用数据流输出到文件中，最终文件导出形式为txt 格式，在导出文件中包含年级、班级、姓名、学号、成绩，其中除年级和班级以外其他数据之间均以“，”相间隔，如教师需导出到Excel 中，只需要复制到Excel 即可自动匹配到对应的格式，以便教师对学生得分进行统计。

3 结论

“双碳”背景下，由于新能源行业的发展，新能源行业的人才缺口必然越来越大，而本次设计的小型风力发电机虚拟仿真实验，将有助于加快新能源行业的人才培养速度，提升人才培养质量。本次设计将在理论与实际中建立起联系，使学生了解到理论与工程实际相同之处和不同之处，提高了教学效率，提升了培训效果，节约了教育经费。最重要的是，提升了学生的探索意识，通过引导学生探索的方式，促使学生主动学习，为此后的虚拟仿真实验设计提供了参考。