新工科背景下虚拟仿真实验研究与实践

王建华 段建东 姬军鹏 李洁

摘   要：新工科专业对人才的实践与创新能力提出了更高的要求。首先，文章针对新工科课程实验的空白、缺乏具有交叉学科背景与主观能动性人才，以及面对突发灾害无硬件实验可做的问题，剖析了新工科背景下虚拟仿真的意义;其次，就目前虚拟仿真实验教学存在的实验内容不深入、实验项目无挑战性、工程场景严重失真等问题进行了总结，并以新工科课程《电力系统综合实践》的虚拟仿真实验为例，从虚拟目标、平台建设与评价体系三个角度进行了探索;最后，阐述了疫情期间虚拟仿真实验教学的实践。

关键词：新工科;交叉学科;虚拟仿真

中图分类号：G642;TM774 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）22-0033-05

一、引言

近年来新工科成为我国本科生教育探索的热点和焦点议题。[1-2]2018年3月15日，教育部办公厅发布《教育部办公厅关于公布首批新工科研究与实践项目的通知》，包含大数据、人工智能、虚拟现实等相关工科专业，需要培养实践与创新能力强、具备国际竞争力的，各类高素质创新型、应用型、复合型的优秀人才。如何培养符合“新工科”要求的大学生成为各大高校教学改革的目标。[3]

随着计算机技术的发展与性能的提升，虚拟技术的应用日渐成熟，成为学校培养学生、企业培训员工的新方式。在国外，美国麻省理工与加州大学已建立了虚拟实验室;[4]泰国已实现并开放VR街景博物馆;2017年，英国宣布将VR技术应用于国家医疗体系计划;苹果、华硕等也推出了一体机和PC头显等高端产品;大众集团最近计划利用VR培训员工。[5]在国内，虚拟仿真技术与高等教育实验教学逐步走向深度融合，通过模拟复杂、抽象、高成本的真实场景来呈现多维度的虚拟环境，已成为实验教学革新的一个新方向。[6]截至2019年，我国教育部认定了401个国家级示范性虚拟仿真实验教学项目，旨在弥补教学资源不足、实现信息技术与高等实验教学的深度融合。[7-10]虚拟仿真不仅可以用于沉浸式、情境式与互动式教学，也可实现跨地域、跨时间的自由授课;因自然灾害与突发事件只能进行远程授课时，虚拟仿真实验是唯一可开展的线上硬件实验教学。

西安理工大学电气工程学院借鉴国内外高校与企业的经验，并结合自身情况，建立了针对《电力系统综合实践》课程的省级虚拟仿真实验——“现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验”，2020年被认定为国家级虚拟仿真项目与国家级精品课程。本文分析了虚拟仿真教学的意义，探讨了国内地方院校在进行虚拟仿真实验教学改革中暴露出的问题，以《电力系统综合实践》课程的虚拟仿真实验为例，就虚拟仿真实验的建设目标、平台开发及评价体系三个方面展开了探索与实践，并分享了虚拟仿真平台在综合实践中与疫情期间试应用的效果。

二、新工科背景下虚拟教学的意义

1.填补新工科本科课程实验教学的空白

为了解决新型、新兴与新生产业发展过程中遇到的人才瓶颈问题，部分传统专业升级改造为以互联网和智能制造为核心的新工科专业。新工科专业培养的人才需具有深厚理论功底的同时，也要具备解决复杂工程问题能力、创新能力及国际竞争力，能够推进行业技术的发展。

事实上，当下新工科专业的理论课程教学体系尚且在探索中，实验课开出量极少。部分新工科专业知识点太抽象，实体实验难以建设，部分实验系统庞大、复杂，存在成本、安全与场地等问题。如智能电网信息工程专业的《电力系统综合实践》这门课程涉及新能源并网，需要进行实验。首先，要搭建传统火电厂、水电厂、升压变压器、传输线路、降压变压器、变电站、光伏电厂、风电场、电动汽车与储能设备等，实验器材昂贵、体积大、故障不可逆，普通地方院校从能力、成本与场地等方面来说都是不允许的。其次，电力系统实验操作涉及高电压、大电流、大功率，学生的安全性没有保障。最后，以风电场并网系统低电压穿越实验为例，电流与电压变化允许持续的时间最长为0.625秒，故障现实中难以捕捉。因此这类新工科课程大都偏向纯理论教学，导致教学内容空心化、书面化，缺乏前瞻性，培养的学生普遍专业基础薄弱、工程实践能力差，且创新意识不强，难以满足新能源企业与新时代对高校高层次人才的需求。[11]

虚拟仿真技术可以通过虚拟实物内部构造与具体运行机制，使实验具有可沉浸性、交互性和构想性，克服新工科专业实验难的问题，可填补新工科课程实验教学的空白。学生能够沉浸在虚拟环境中，提高实践能力，开发创新思维。

2.有助于交叉学科课程高效开展

新生、新兴与新型产业自身系统形态错综复杂，涉及的技术大部分是多门学科之间的高度融合，因此学科交叉性高是新工科专业普遍具有的特点。传统的单学科教学还在改革与探索中，交叉学科的介入对教师和学生来说都是新的挑战。跨学科课程设置得太少，学生只了解了皮毛，不能达到服务本学科的目的，但跨学科课程安排得太多，必然要缩减大量本学科课程，导致本末倒置或者没有了主次之分，与培养理论功底扎实的新工科专业建设初衷背道而驰。

虚拟仿真实验具有教学、观赏与游戏的特征，是年轻人感兴趣的网络操作。这有助于激发学生的好奇心与斗志，学生可以不受时间与地点的限制，实现自由学习，从内心深处行动起来，有助于学生在学习的过程中发挥自己的主观能动性，改善学生被动学习、教师被动教学的现状。

虚擬仿真实验有助于师生对跨学科课程迅速、直观与高效地理解。虚拟仿真实验可以通过一个工程案例，生动、直观地引导学生弄清楚将来工作需要哪些学科的知识、各门学科是如何协同工作的，以及对各学科知识水平的要求，促进学生的理解与创新，满足课程高综合性和实验系统形态复杂性的需要。

3.完善线上实验教学，应对突发灾害

近年线上、线下混合的教学模式受到高度关注，大部分高校建设虚拟仿真实验平台是为了解决实体实验难以展开的问题。但2020年春季由于新型冠状病毒传播严重导致全国乃至世界范围内的高校采取了线上教学，在该过程中暴露出高校往日忽视线上实验教学的问题，导致线上实验缺乏，上课模式由理论结合工程实践倒退回到了纯理论教学。

虚拟仿真实验不仅可以解决实验室不能开设实验课的问题，且冲破了地域限制，可实现上课时间与地点自由的教学模式。当出现突发状况时，教师可远程指导，学生依旧可以做实验，实现理论与实践双双线上教学，确保“停课不停学”得到彻底落实、线下转线上后教学质量不缩水。

图1为本科虚拟仿真实验教学的开展意义总结，以培养适应社会发展的人才为中心，从内因教学内容与教学效果的需要，及外因应对突发自然灾害三个层面加以凝练，阐述了虚拟仿真实验开展的重要性。

三、虚拟实验教学存在的问题

1.浅尝辄止，流于形式

国家级虚拟仿真实验项目建设的初衷是为了满足教学需求，培育高质量人才，然而国内部分高校却把这当成了一个指标。经过多方调研得知，部分高校不惜重金建设虚拟仿真实验平台，一旦通过了认证，虚拟仿真平台就像“花瓶”一样被搁置在官方门面上，应用率低。

需要展开虚拟仿真实验的课程往往会涉及抽象概念、不常见设备、庞大复杂的过程体系，即使是相关的企业工作人员可能也要花几年的时间才能深入了解内部机理，高校教师大都没有工程经验，做软件的工作人员不一定是专业出身。因此很多设备只有外形，里面是个黑盒子，通过简单地堆积与拼接，构建一个看似庞大、复杂的系统，实际却没有内涵，部分工程场景被简化或删除，保真度严重不达标，难度与实际工程差距太大，无法达到培养学生解决复杂工程问题的能力。

華而不实的虚拟实验，缺乏学生参与参数设计与调试等互动环节，两个小时的课程学生半个小时就可以完成。这样的实验课程，一方面降低了课程的难度，失去了课程该有的挑战性，违背了国家提倡的打造“金课”的理念;另一方面虽然减轻了学生学习的压力，但是助长了学生上“水课”的心态，扭曲了学生对工程应用的认知。

2.虚拟案例与工程工况差距大

虚拟仿真实验是通过虚拟模型将真实工厂“搬”进实验室，最大限度地还原企业工程场景是虚拟实验取得良好效果的前提。由于高校的虚拟仿真实验的工程场景严重失真，看起来“假”，难以让学生相信是真实企业环境的模拟，脱离了工程实际环境。对此，西安理工大学电气学院虚拟建设团队对部分企业的虚拟仿真项目进行了研究。企业的虚拟仿真场景逼真，有身临其境的感觉，但项目偏向漫游与基本认知，可以满足企业的需求，对高校而言，缺乏设计与综合模块。

因此，如果实现高校与企业的合作，企业主要负责虚拟场景设计，高校负责实验项目的设计，两者深度结合，可以改善现状。但目前校企合作仍以科研合作为主，教学方面受到专利所有权、学生安全与经济效益等的影响，合作深度仍不足。

四、虚拟仿真教学平台的设计

1.明确虚拟仿真实验目标

开发与建设具有专业基础、工程项目设计、探索创新三大模块的，综合性、工程性与创新性实验教学平台，并充分发挥学校、企业与学生的主观能动性，是该虚拟实验平台建设的目标。

（1）基础模块满足基本实验教学需求

实验平台要能够提供与电力系统中真实设备的原理、结构与性能一致的虚拟设备。虚拟设备具有立体的展现方式、灵活的操作形式，可根据教学需求分解和组合，遵守操作方式、内容与真实设备一致的原则。

（2）发挥“校-企”主观能动性，凸显工程性

工程项目必须由真实的工程情境、工程问题、工程知识和工程经验等构成，自成系统。形成产学研结合、虚实结合的实验平台。充分利用高校与企业、研究所之间，项目合作所积累的算法、数据及经典案例等资源，将科研成果应用到本科虚拟仿真实验中，辅助教学。虚拟场景模型来源于企业拍摄的工厂环境，通过校、企、所、软件公司四方，反复核对、矫正、改进，确保虚拟环境高保真度。

高校的虚拟实验教学平台通过资源共享的方式向企业、研究所开放与共享，形成正向闭环的强化机制。确保实验平台对高校、研究所、企业的价值与意义，调动三大机构的能动性，相互配合，围绕共同的需求目标，形成创新合力，推动产出，紧跟新时代 “协同育人”的步伐。[12]

（3）发挥学生主观能动性，模块引领行业

调动学生的主观能动性，培养学生的专业素质能力、工程实践能力与创新能力。虚拟实验教学中应融合行业的前沿技术、领域的瓶颈问题，培养学生自主对实验现象和实验结果的思考、质疑与改进的习惯，让学生最大化发挥自身主观能动性。确保以创新能力与应用能力为培养主线，依托行业发展，构建适应现代经济发展的、以企业需求为导向的“零距离”实验教学体系。

2.开发虚拟仿真实验教学平台

分析研究大量同专业、跨专业的国家示范虚拟仿真实验教学项目，如能源动力、生物学、机械、轨道交通、医学等类别的虚拟仿真实验项目。[13-16]通过对优秀示范项目虚拟实验内容的难易程度、实验量、课时量，以及学生的参与度、社会评价与教学效果评价的了解，并结合自身师资情况，以《电力系统综合实践》课程为服务对象进行内容构思、创新设计，开发了如图2所示的“现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验”平台，平台实验模块有风电场并网认知、风功率预测与低电压穿越三个模块。虚拟仿真界面如图2a所示。

坚持实验内容能实不虚的原则。[17]图2b为风电场认知实验，由真实风场、风机的运行视频和实际数据与3D虚拟模型两部分结合而成，通过漫游的方式向学生展示风机的组成、运行和控制的工程场景，让学生真切地认识风机、风电场、控制中心及配电网的运行过程，理解分散式风电场并网工作原理。

坚持实验内容与工程实际一致的原则。如图2c所示，利用仿真计算软件构建模拟风电机组、配电网计算模型，采用7年来的实际分散式风电场的稳态、暂态历史数据，一起构成模拟分散式风电场运行的基础数据。

坚持实验内容专业基础与综合创新并重的原则。该实验项目包含专业基础、综合设计和探索创新实验，所涉及的知识点包括新能源电力系统的工作原理、分散式风电并入配电网的拓扑组成、稳态运行时风电并网功率的预测方法、故障暂态时风电机组低电压穿越的控制策略，如图2d所示。以教师与企业合作的项目为教学案例，实现产学研结合。

3.完善虚拟仿真实验的评价体系

（1）教学评价

对学生评价，采用主观和客观评价相结合的动态考核方式，减少考试所占的比例，增加日常文献阅读量、资料查阅情况、实验项目的参与度、设计水平和完成情况所占的比重，每周动态更新每位学生的各模块成绩，扭转考试决定成绩的传统理念，稳固工程实践在学生心中的地位，进而激励学生自主学习，强化学生实践与创新能力。

加强对教师的评价。传统授课方式以板书与PPT结合的方式为主，比较成熟，新教师容易上手，学生容易接受。而虚拟仿真实验课程的内容、结构与评分标准发生了变化，学生可以在系统上对教师的虚拟仿真实验教学水平进行实时评价，针对授课内容的难易程度、项目的综合性与教师的授课方式等方面进行评价和提出建议。

（2）利用率评价

《电力系统综合实践》课程的虚拟仿真实验平台的建设源于教学，但不止步于教学。增加虚拟仿真实验平台开放的时间，扩大开放范围，加强指导服务，尽量满足全校范围内教学、课设、竞赛、毕设等师生的需求，并与企业、研究所、其他高校形成长期合作的机制，实现资源共享，充分发挥平台的工程实践作用，提高利用率。

通过课程《电力系统综合实践》的虚拟仿真实验平台开发探索，笔者总结出如图3所示的虚拟仿真实验教学平台建设构架。首先，明确建设的目的与必要性，确保以解决实际问题为出发点;其次，产学研结合，保证虚拟仿真实验内容的全面性与高阶性，同时充分利用教师科研项目资源、企业与研究所的工程资源，调动包括学生在内的多方参与，形成互利共赢的闭环回路，为虚拟平台的保真度与可持续性保驾护航;最后，评价机制是平台应用效果的保障、改进方向的依据。

五、虚拟仿真实验平台的实践

1.虚拟仿真的教学实践

西安理工大学电气工程学院针对新工科课程《电力系统综合实践》于2019年建立了省級“现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验”平台，这是学院唯一可利用的线上实验资源。充分利用该平台，上《新能源技术》、《电力系统综合实践》、《电力系统》等相关课程的学生灵活地安排时间，以该虚拟仿真软件为载体，结合自己的课程，选择需要的模块进行学习 ，授课教师上课期间进行集中指导与拔高。由于虚拟仿真实验场景生动逼真、人机交互性强，模块之间局部与整体可任意切换，学生易沉浸在虚拟风电并网系统中，专注于完成每一个虚拟关卡，缓解了学生长时间盯着电脑屏幕易犯困、状态掉线、无法理解知识点等问题。也给教师讲课带来了方便，讲解有对象，知识应用有依托。有虚拟实验的课程学生出勤率更高、上课更活跃、参与度更高，掌握知识点的效果更好。

疫情导致全国高校课程统一转移到线上，疫情是突发的，学生与教师都还没做好线上学习与授课的准备。电气工程学院的很多课程涉及风力发电场、电力调度与故障诊断等内容，系统结构复杂庞大，没有工程实践操作，学生很难将局部与整体联系在一起，进行新型、复杂、抽象的系统讲述，让学生易懂对教师来说也是挑战。

2.虚拟仿真的企业实践

新能源相关的企业在摸索中发展，企业员工的培训环节尤为重要。与我校共建该虚拟仿真系统的陕西某供电局、某省电科院及陕西某县风力发电场均应用该虚拟仿真系统进行了员工培训，确保企业进度与运行正常。针对该虚拟仿真系统的交互性、保真度与高阶性，企业给予了高度评价，用后提出了一些改进建议，并提供了类型更多的真实工程案例数据、图片与视频。

同时此虚拟仿真软件也解决了疫情期间企业无法集中培训员工的难题。针对此虚拟仿系统，校企之间不仅仅是合作开发，更是合作应用与改进，实现了真正意义上的校企互利共赢、共同维护，提高了企业与高校合作的主动性，为其他新工科课程实现校企合作探索出了道路。

六、结语

西安理工大学电气工程学院紧跟时代的步伐，针对新工科专业智能电网信息的《电力系统综合实践》进行了虚拟仿真实验平台建设的探索与实践，开发了“现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验”平台，力求填补新工科专业实验教学的空白。通过产学研结合，整合校企资源，将工厂搬进实验室，让学生在虚拟环境中大胆地尝试设计性实验、综合性实验和创新性实验，开拓学生视野，提高学生的学习兴趣，发挥学生的主观能动性，拓展学生解决复杂工程问题的能力与创新能力。

虚拟仿真实验也是疫情期间在线上授课过程中唯一可以开设的实验类型，确保了理论教学与工程实践同步进行。同时，该虚拟仿真平台在企业得到了真正的应用，实现了校企闭环合作模式，为其他高校的新工科专业在开展虚拟仿真实验平台建设时提供了借鉴。

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（编辑：王天鹏）