郭敏，孙浩森

（1.山东建筑大学 热能工程学院，山东济南 250101；2.山东建筑大学 学报编辑部，山东济南 250101）

国内外高等教育一直存在着实践教学体系不完善的问题，相对于丰富新颖的课堂理论知识，实践教学内容相对陈旧，最新工程技术转化为实践教学内容的周期过长[1]，经费紧张导致实践教学基地不足，实验、实习活动质量无法得到充足保障[2]。学生在实践类教学环节“只看不操作”的情况使得实践类教学环节质量不高[3]，严重制约了高校人才培养目标的实现。虚拟仿真教学是数字技术赋能高等教育的重要形式，能够解决线下实践教学中“做不到”“做不上”和“做不好”等问题[4]。

现今信息化技术高速发展，高等教育可借助信息化技术发展带来的有利机遇，改革知识传授方式，进而驱动传统的教学模式革新。在新的发展机遇下，为贯彻党的十九大精神，教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要点》等相关文件的要求，发布了《2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设》的通知，虚拟仿真实验教学以其内容新颖、技术先进、方法灵活、重复性高等显著优势，能够拓展传统实验教学的深度与广度，有助于提高实践教学水平，助力高等教育实践育人工作。现今，虚拟仿真实验教学已成为国家信息化教育战略的重要推广内容，并在全国高校的不同专业领域获得了广泛应用，例如在地理科学[5]、生物学[6]、警务专业[7]、交通运输专业[8]、自动化专业[9]、新能源科学[10]、船舶与海洋工程专业[11]及经管专业[12]都取得了良好的教学效果，为高等教育各学科的发展提供新思路、新方法。

能源动力与工程类专业（以下简称“能动”专业）课程理论教学内容多注重设备运行原理内容的传授，热力系统中设备之间教学环节的关联性较弱[13]；同时，实践教学环节相比于其他专业而言，内容多涉及高温、高压、高速等风险较大的项目[14]。因此，一方面，火电厂等实习单位出于安全生产及人员管理的考虑，实习现场仅进行相关知识内容讲解，学生只许看和听，严禁实操，实习活动变成了现场参观，并且火电厂教培部门收费按实习人数、天数计算，实践费用较高；另一方面，专业实验台制作复杂、造价高，实验操作存在安全隐患及场地需求面积大亦是困扰高校传统实践教学的难题。

1 传统实践教学项目存在的问题

在“能动”专业传统实践教学活动中，部分专业基础课实验内容只覆盖了课程基础知识章节的知识点，比如测量不同燃料相关参数的实验；部分专业课程实验出于实验成本及人身安全保障等客观原因，以认知简单设备实物模型加教师讲授静态流程图作为实验内容。然而，继续延续传统实践教学内容已不能满足当前高校实践教育发展的需要及学生培养目标的要求。

1.1 缺乏对系统及设备的形象认知

“能动”专业基础课如汽轮机、锅炉原理等课程中包含大量设备工作原理及结构的教学内容，课堂上通常采用设备图片、视频片段的形式辅助学生理解相关知识点，但素材有限，特别是有关设备内部三维结构及介质流动过程的专业视频素材稀缺；而专业实习环节在火电厂现场，学生只能观察到设备外形，没有机会了解设备内部结构。在部分专业课程中，系统原则性热力图仅由简单线条和图形组成，系统图中管路被简化成了线条，阀门和设备被简化成了不同的符号和框图，仅仅体现了火力发电厂热力系统设备及管路的原理性连接关系。这种形式虽可以清晰简洁地表明介质在系统设备和管路中的流向，使学生能对整个热力系统有全面的平面认知，但对设备外形、内部结构以及介质在系统内的流动过程难以形成形象立体的感知。同时，学生对整个系统设备管路前后的连接关系仅有概念上的认知，无法对系统整体的布置、设备和管路之间的具体连接形式有深入了解。

1.2 操作沉浸感差

火电厂传统二维仿真机主要包含机组启停及事故处理等功能，不具备设备三维认知及设备拆装功能，其DCS 操作能实现对火电厂中典型生产环节的操作训练，但其操作窗口都是二维画面显示，比如对手动阀门开度的调节，只能简单地调整画面中相应阀门的上下位置，没有相应三维场景的同步显示，而学生由于缺乏火电厂实地场景认知，导致实操过程中沉浸体验感较差。

1.3 实践教学结果评价体系单一

“能动”专业传统实践教学环节的评价体系主要由报告成绩与平时成绩两部分按一定比例组成，而标准的实验、实习内容导致部分学生的报告内容雷同。对于平时成绩的评定，由于参与学生人数较多，且会增加教师的工作量，导致实践教学环节的评定结果比较集中，难以准确区分学生对实践教学环节的掌握程度，易导致学生对实践教学环节缺乏学习主动性，不利于提高学生的实践能力。

2 新型3D虚拟仿真平台开发

火电厂3D 虚拟仿真平台是基于教育部提倡的产教融合政策背景，以培养具有创新实践能力的人才为目的，与企业合作开发的应用于“能动”专业学生实践教学的仿真平台。仿真平台以实际工程中某1 000 MW 超超临界主力火电机组为原型，采用三维虚拟仿真技术，实现对火力发电厂生产过程的虚拟再现，是可人机交互的三维可视化的火电机组实践教学仿真平台。仿真平台功能主要包括电厂漫游、个性化学习、设备拆装、系统原理认知、电厂巡检及主要系统模拟操作等内容，能满足学生对系统组成、电厂巡检、设备拆装及电厂运行虚拟操作等方面的需求，可用于专业课程的理论教学、实验及实习等实践教学活动，其3D 视角可以使学生加深对火电厂平面布置、设备结构及工作原理、系统构成及工作流程的理解，并具备单个功能模块的自动打分及按比例累计实践总成绩功能。火电厂虚拟仿真平台主界面如图1 所示。

图1 火电厂3D 虚拟仿真平台主界面图

3 仿真平台实践教学优势

3.1 提高学生学习兴趣和实践能力

仿真平台使用数字化3D 可视技术实现了电厂漫游功能，漫游界面如图2 所示。仿真平台具备搜索功能，在搜索框中输入内容可快速定位到准确位置，点击即可显示其信息；具备当前位置提示、各系统语音讲解、行进加速减速、构筑物/设备外壳隐藏/显示功能。3D 可视画面可使学生通过鼠标和键盘操作观察设备及建筑的不同立面，该功能使学生在虚拟平台上即可全面了解火电厂整体的建筑布局、设备和管路之间的连接及走向，学生有身临其境的感觉，对火电厂全局及各个设备的前后布置形成感性认识，让学生将课堂学到的理论知识与实际景象对应，其效果直观，可提高学生学习兴趣。

图2 3D 厂区漫游图

仿真平台具备巡检实训模块，巡检模块中的设备严格按照电厂的位置和设备连接来布置，巡检操作使用的工具与电厂生产运行过程相匹配，巡检的执行标准符合电厂设备运行参数标准，该功能模块可提供教学、练习及考试3 种实训功能。其三维场景中的温度、压力等仪表中的参数能正确显示其动态变化过程，并符合电厂设备运行参数标准。学生先通过教学模式学习巡检的具体内容，然后通过练习模式反复练习，加深对内容的理解，最后通过考试模式检验对该模块内容的掌握程度。通过学习、练习和考核3 种模式的反复，可以让学生对初入工作岗位的内容有较深刻的理解，能更加快速地开展今后的工作。该软件还以三维虚拟现实技术作为人机交互方式，学生可对主要系统设备进行交互操作，相比传统二维DCS 系统，它可以提供二维DCS系统与三维场景间的互联互通机制，整个过程以可视化的方式展现，相关设备等参数能实时计算和显示，使学生在仿真机上的实操更接近于现实工况，弥补学生实习期间“只看不做”的不足，提高学生实践能力。

3.2 节省实践教学成本

仿真平台包含系统认知学习模块，通过3D 建模技术对设备结构进行虚拟复现，电厂内所有事物都以三维虚拟体的形式展现在平台上，虚拟与现实世界中各个事物的相对比例一致，位置、形状、颜色一致。学生通过鼠标点击相关设备或系统的相应按钮，在仿真平台可以立体观看相应设备的视频及动画，观察设备及系统内工质流动、粒子特效现象，比如汽轮机认知截图如图3 所示。画面具有真实性、沉浸性、交互性等特点，既可以使学生增强对设备的感官认知、加深对工作原理的理解，又可以减少购置设备模型等费用，从而节省大量教学成本。

图3 汽轮机结构图

3.3 弥补教学条件不足

实验室的数量和质量已成为评价高校科研能力、教学能力和创新能力的重要指标，实验室、实训基地的建设及其安全管理的重要性已获得普遍认同，但部分高校由于办学经费紧张，其实验室及实训场地面积、实验室设备的配备难以满足教学要求。同时，“能动”专业部分实验成本高、消耗大且存在安全隐患，使得实践环节具体实施存在一定困难。三维虚拟现实技术作为人机交互方式，可“以虚补实”，展现火电厂中锅炉及汽轮机本体、磨煤机等重要辅助动力设备的拆装过程，图4 为除氧器拆装图。

图4 除氧器拆装图

设备拆装模块将火电厂中动力设备拆解成数目不等的零部件，虚拟平台窗口左侧为零部件库，右侧为模式选择等操作按钮。模块包含介绍、学习、练习和考试4 种模式，学生在虚拟仿真平台通过介绍和学习模式对设备外观、功能及内部结构先形成感性认知，再通过练习模式可反复拆装设备，此模块除了设备本身的拆装，还可以在设备库中选择设备、拖拽并在窗口中搭建系统，这种模式使学生既可对专业课中单个设备形成清晰认知，又可以加深对专业课程内容间相互联系的理解，对实验室和实训场地面积要求低、操作重复性好、安全性亦有保障，同时DCS 二、三维交互操作功能可培养学生对机组启停过程的实践操作能力，弥补传统教学条件的不足。

3.4 多层次的成绩评价体系

虚拟仿真实践平台包含理论知识、设备及系统认知、巡检及管理制度学习、设备拆装及机组启停操作等内容，平台可以就各自模块内容进行打分，如图5 所示。设备及系统认知模块根据学生观看视频时长评定，拆装、机组启停操作等实操环节依据操作步骤的完整度及正确度评定，巡检及理论知识模块自带考试模式，学生需完成相应内容考试，取得成绩。总成绩由各个模块成绩按一定构成比例累计，成绩评价体系包含对理论学习、实践操作各方面的评价，同时，平台自动记录学生学习时长，无需教师人工进行平时成绩统计，减少了教师的工作量，多层次的评价体系能更客观地反映学生对相关知识的掌握程度，同时提升学生主动学习的兴趣。

图5 仿真平台成绩评价图

4 结束语

综上所述，虚拟仿真技术在缓解目前高校学生实践环节少、教学经费不足及安全保障困难等难题的同时，还能够提高学生创新实践能力，使实践环节紧跟行业发展趋势。随着信息技术的发展，VR 技术可以为学生提供身临其境的体验感，学生可以形象具体地了解职业环境与设备流程，并在VR 环境中反复交互操作，极大地提高了学生的学习积极性，学生的人身安全也可以得到充分保障。当前，“能动”专业的实践和实验内容存在抽象、安全隐患大和实习费用高等问题，3D 虚拟实践仿真平台可以在很大程度上弥补这些不足，从而改善现有的实践教学体系，不断提高实践教学质量，助力新工科创新实践型人才的培养。