电气工程虚拟仿真课程建设的研究与实践

方洋洋　张立

摘要：文章针对传统电气工程实验存在资源、场地和经费受限，信息化不足等现状，以汉江师范学院电气工程虚拟仿真类实验建设为例，通过调研师范院校电气工程专业办学现状和实习就业现状，给出虚拟仿真实验课程建设方案。方案实践表明：通过建设与本专业就业发展相匹配的虚拟仿真类实验体系，可有效弥补传统电气工程实验平台的缺点，提高师范院校电气工程专业相关人员的素质，并达到更好地服务于地区和社会的目的。

关键词：电气工程；虚拟仿真；师范院校；实验建设

中图分类号：TP75文献标志码：A0引言苏勋文等［1］结合虚拟仿真实验系统的实验教学改革，针对硬件实验平台存在的弊端，提出有关建设虚拟仿真实验系统的思路，设计了学生培养方案。因此，相对于传统实验，虚拟仿真实验更好地解决了硬件数量不足的问题。东南大学通过虚拟实验平台，成立了国家级的机电综合虚拟教学中心，启动200多项综合实践项目和40多门仿真教学实验课程，通过加深学生对科研成果的接触与理解，提高学校资源的利用率［2］。这也说明虚拟仿真实验能够拓展实验教学的深度，加深学生对实验内容的了解与应用，降低实验损失与风险，使所得的实验数据更加精准，数据分析更加直观。目前，PSCAD/EMTDC是世界上针对电力系统电磁暂态仿真分析运用最广泛的一种软件，它可以用来研究电力系统时域计算仿真、电力系统频域计算仿真、高电压等问题［3］。

本文结合汉江师范学院电气工程专业的实际状况，建设虚拟仿真实验课程，改善学科建设现状，提高教学效果，对虚拟仿真实验建设进行目标规划，分析建设虚拟仿真实验的目的，探究虚拟仿真实验建设的条件，分析并决定使用的仿真软件及相关实验的课时安排，达到师范院校电气工程专业更好地服务于地区和社会的目的。

1电气工程专业办学情况及实验室建设现状1.1电气工程专业办学情况十堰市地处鄂豫陕渝交界处的贫穷山区——秦巴地区，该地区及周边地区电力企业较多。其中，湖北省电力工程企业540多家，陕西省电力供应企业570多家，河南省电力供应企业1 000多家，电气工程专业技术人员需求较大。

根据《2017年安康、汉中、十堰、襄阳等地区高等院校开设电气工程及其自动化专业情况及电站情况年报汇总》信息可知，2017年，安康、漢中、南阳、十堰、襄阳等地区共有700多家水力发电企业，但仅有陕西理工大学、南阳理工学院、湖北汽车工业学院3所大学开设电气工程及其自动化专业，每年招生规模不足400人。汉江师范学院物理与电子工程学院于1993年开设应用电子技术专业，历史悠久，现已建设一个省级实训基地。2005年，学院开办机电一体化技术专业，建有机械与自动化实训中心。2016年，学校升格为本科院校——汉江师范学院后，在原来的机电一体化、汽车电子技术、应用电子技术专业发展的基础上，申办电气工程及其自动化本科专业。电气工程及其自动化专业是汉江师范学院第三批开设的本科专业之一，于2018年9月开始面向全国招生，目前有2018级学生93人，2019级学生83人，2020级学生85人，2021级89人，在校生共计350人。

1.2实验室建设和实验教学现状目前，汉江师范学院电气工程专业有5个专业实验室，占地使用面积约1 250 m2。同时，本专业还开设电子电工类实验，在电子电工实验中心相关的实验室进行。目前，本专业教学科研仪器设备共计1 643台（套），资产总值达439.36万元。

传统的实验通常存在实验周期长、成本高、过程操作复杂、危险系数大、环境要求过于严苛等缺点。相对于传统实验而言，虚拟仿真实验具有较高的直观性、创新性、经济性、简易性、精准性、安全性。因此，以汉江师范学院电气工程专业建设虚拟仿真实验平台为例，在人才培养的过程中不断地探究实践育人的新模式，深化实验教学改革，加快虚拟仿真教学项目的建设步伐，促进实验教学与科学技术高度融合。从信息管理平台、实验教学队伍和管理运行机制等方面加强实验仿真教学中心建设，共享虚拟仿真优质的实验教学资源，进一步提高学校实验教学的水平，有效改善教育教学现状。

2虚拟仿真实验课程建设方案2.1虚拟仿真实验课程建设的目的目前，在高等学校的教学研究和科研发展中，虚拟仿真技术所带来的影响也变得越来越重要。在虚拟仿真实验教学过程中，通过构造接近真实的实验环境，从而实现实验目标［4-5］。随着科学技术的发展，为满足汉江师范学院的教学和科研发展需要，本文以汉江师范学院电气工程专业虚拟仿真建设实验为例进行教学实践探索。

2.2虚拟仿真实验课程的建设规划虚拟仿真实验的建设要有目的、有方向、有层次地进行。汉江师范学院利用“互联网+”和“虚拟仿真”技术对教学活动中的环节和内容进行了全面的设计，使虚拟仿真实验教学系统更加科学且可持续拓展。虚拟仿真实验课程建设规划主要包括仿真教学资源、平台软件、管理系统的确定以及相关费用需求。

本研究引用虚拟仿真技术提升传统实验效果，将虚拟仿真与传统实验合二为一，加深学生的动手体验，让学生在设计、实验、计算、控制等各个实验环节理解实验的目的与内涵。通过改进学校相关制度，设计专业培养方案和系统教学方案，让学生分层递进地做到对虚拟仿真实验的融会贯通。此外，对学生、教师、实验室负责人员做出相应要求，联合企业创立比赛，并设立相关奖项，激发学生对虚拟仿真的学习热情，使学生更好地理解与运用相关虚拟仿真实验知识［6］。

2.3虚拟仿真实验建设流程虚拟仿真实验建设流程如图1所示。

如图1所示，在虚拟仿真实验课程中，首先，进行虚拟仿真基础课，使学生了解仿真实验的结构与相关软件的功能；其次，对学生进行有针对性的虚拟仿真概述课；最后，完成虚拟仿真实验课。有了基础课与专业课的知识技术积累，学生在进行实验时会更加高效。同时通过实验，学生对基础理论与相关软件的理解与运用进一步加深。3个实验课程形成良性循环，能够有效提高学生的学习效率。

3电气工程虚拟仿真实验课程建设实践3.1电气工程虚拟仿真实验课程建设实践3.1.1基础课程仿真实验第一阶段主要开设基础课程仿真实验，使学生初步了解基础知识，同时为后续专业课程实验的学习打好基础。其课程实验安排如表1所示。

3.1.2专业课程仿真实验专业课程仿真实验位于第二阶段，基于基础课的

知识储备，开设专业核心仿真课程实验，加深学生对本专业实验课程的理解并熟练操作，主要的专业核心课程仿真实验的安排如表2所示。

3.1.3课程设计类仿真实验最后阶段是开设课程设计类仿真实验。学生在深入了解专业实验知识之后，可以针对自己的兴趣爱好进行方向化的选择，延伸拓展学习。这一阶段的课程实验安排如表3所示。

除基础课程仿真实验、专业课程仿真实验和设计类课程仿真实验外，汉江师范学院电气工程专业安排了相关的虚拟仿真专业集中实践环节，以检测学生的学习情况，提高学生设计应用能力，主要包括C语言课程设计、电气控制与PLC课程设计、电力电子技术课程设计、单片机技术课程设计、电力系统综合课程设计。每门虚拟仿真专业集中实践环节都安排教师进行指导，在1周时间内完成相应实验任务，课时分配为30学时。

3.2虚拟仿真实验实施进展及改进方向3.2.1实施进展汉江师范学院电气工程专业虚拟仿真实践教育资源与网络平台的进一步建立已经在分阶段进行。2019年，学院购置包含Matlab，ANSYS等内容的大型专业仿真与设计软件系统，将通过学院云平台实现专业软件共享和管理。同时，学校会进一步规范和加强实验中心课程资源建设，根据专业课程理论和实践教学要求，2020年支持两个虚拟仿真实验项目建设，支持信息化、网络管理和软硬件平台建设，2022年进一步实现虚拟仿真教育与实验资源的整合、优化、虚拟仿真教育实践活动。

相对传统实验，虚拟仿真实验具有较高的直观性、经济性、精准性、安全性。虚拟仿真实验加深了学生对科研成果的了解，提高了学校资源利用率。同时，虚拟仿真实验加大了实验教学的深度，加深了学生对实验内容的了解，使所得的实验数据更加精准，进行的数据分析更加直观。仿真软件的准确度高，人机交流界面简明，直观效果好。对于高危险性、操作困难或者成本消耗较大的实验教学，虚拟仿真实验可以有效降低仪器设备的成本，解除了安全限制。

汉江师范学院在倡导的电工虚拟仿真实验课程实践教学模式下，不断进步，逐步提升了人才培养质量。电气工程及其自动化专业2018届毕业生93人，参加省级以上学科竞赛获奖比例达到40%以上。学生竞赛的获奖者人数达到了45人。学生在挑战杯、数学建模竞赛等比赛中获得国家奖5项，省级奖100多项。研究生入学率为13%，英语四六级合格率为71%。毕业生将主要从事国家电网和中小型电站的建设、生产、运行、调度以及中小型企业电气设备的运行和维护工作。

目前，仅十堰市就有十堰电网公司、黄龙滩水力发电厂、京能热电十堰有限公司、汉江集团水利水电有限责任公司等电力企业以及十堰荣华东风汽车专营有限公司和东风商用车有限公司等知名汽车企业，对电力运维、汽车电气设计和设备维护等岗位存在应用型专业人才需求缺口较大的问题。实习单位包括：武汉华大电力自动技术有限责任公司工程技术部，上海电气集团（张家港）变压器有限公司设计部，江苏沙钢集团有限公司工厂供配电电气相关岗位，江苏爱康科技股份有限公司工程技术部，诺博汽車系统有限公司工程技术部，信义光伏（苏州）有限公司设备技术、品质检测、生产管理，浙江求是科教设备有限公司技术保障、销售、研发。汉江师范学院电气工程专业学生社会责任感强，岗位实践和创新能力突出，受到了用人单位好评。

3.2.2改进方向首先，通过建设实验教学平台构建虚拟仿真实验室，开发和合理利用有关虚拟仿真实验的教学资源。其次，虚拟仿真实验室需要得到进一步的融合、推广和应用。（1）开发云平台教学资源。基于电气工程专业知识理论，使用虚拟仿真软件，突现实验不受场地时间限制和多样化扩展的目标。（2）开发硬件教学资源。以网络化控制器为中间桥梁，将实验平台连接到实验服务器，实现云连接，学生使用网络就可以达到软件和硬件相结合的实验效果。（3）运用虚实结合，对教学体系进行优化。充分利用更加有利于学生发展的教学资源，体现“以人为本”的教学思想，采用“虚实结合”的模式，以此提升学生的创新思维和实验操作能力。最后，要结合学院实际情况整合教学资源，提供适应学生的课堂教学，不仅可以降低成本和风险，还可以使教学内容与教学形式多样化，完善传统课堂实验中不具备或难以完成的教学功能。

4结语目前，加大对实验室的资金投入，购买虚拟仿真软件，适当增加实验基础课课时，同时优化实验室负责人员的知识储备，在面对实验室发生相关问题与事故的时候可以快速合理地解决，避免不必要的损失。

首先，学校针对虚拟仿真实验进行基础性、系统性的授课，加强学生对虚拟仿真实验的接受能力，保证学校虚拟仿真实验室的顺利建立。其次，完善学校的教学实验管理平台，公开共享虚拟仿真教学资源。最后，要让学校教学实验管理平台面向未来，打造一个现代化、先进化、创新化的教育平台。此外，建设虚拟仿真实验室有如下好处：

（1）虚拟仿真的应用能缩短实验周期，增强实验数据的准确性，多变的实验内容可以促进学生思考，避免套用抄袭，提高学生的自主创新能力。

（2）虚拟仿真软件的应用能提高教学效率。利用虚拟仿真实验室进行实验的周期短，教师可以加大对学生实验过程的考核，便于老师了解学生实验操作的实际情况。

（3）虚拟仿真实验能提高实验的安全系数，对于一些实验危险系数较高的实验学生可以自己动手尝试，拓宽了学生的知识面。

（4）仿真实验可以加深学生对实验原理的理解，这样既提高了学生的动手操作能力，又为学生以后使用该类软件打下基础，使学生以后能更好地应用于社会实践。

参考文献

［1］苏勋文，王笃亭，朱显辉.基于虚拟仿真实验系统的电气工程专业教学改革与实践［J］.江苏理工学院学报，2016（4）：90-93.

［2］吴涓，孙岳民，雷威，等.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展［J］.实验技术与管理，2014（10）：5-9.

［3］敖章洪，李建英，杨民生.MATLAB/SIMULINK在《电气工程基础》教学中的应用［J］.电脑与电信，2018（7）：21-23.

［4］謝启，徐本连，戴梅，等.先进测控技术联合实训中心建设探索与实践［J］.实验科学与技术，2014（1）：128-132.

［5］王彬，方健，李聪，等.电气工程及其自动化专业“一主两辅四融合”人才培养模式探索与实践［J］.吉林工程技术师范学院学报，2019（8）：92-94.

［6］王立国，刘丽，郭犇.以康奈尔大学ECE4950课程为参考的人工智能课程体系建设［J］.实验科学与技术，2021（4）：38-43.

（编辑 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