锅炉原理专业课虚拟实验系统

摘要：锅炉原理是能源动力类专业主要专业课之一，但锅炉因系统庞大复杂与安全原因，很难设置实验让学生在学习过程中得到身临其境的手操机会，约束了专业教学课堂效果。锅炉原理专业课虚拟实验考核系统开发了锅炉实际运行中的设备启停、正常参数调节及系统事故判断处理等环节，使学生体会到锅炉原理理论知识在设备运行中的具体实现过程，对新工科教学中的能力培养环节有重要的教学实际意义，同时对能源动力专业课教学有着很好的教学示范作用。

关键词：锅炉原理；虚拟实验；专业课教学

中图分类号：G434文献标识码：A

工科专业涉及面很广，其中许多专业工业系统复杂（例如火力发电过程）、危险系数大（核发电过程）等，专业教学中无法开设实验课程。同时生产实习环节也因生产单位顾忌安全问题，不给学生接近生产设备，导致一方面专业教学效果与生产实践需求偏差较大，而另一方面科技发展对工科学生专业知识要求却越来越高，使得目前纯课堂的理论教学效果离实际较远，这是许多专业课教学的痛点之一。

目前国家对专业课教学非常重视，其中对虚拟仿真实验教学项目进行了国家层面教育顶层设计。教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知（教高函〔2018〕5号）中指出，“国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措”［1］。教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》认为，“以教育信息化带动教育现代化，破解制约我国教育发展的难题，促进教育的创新与变革，是加快从教育大国向教育强国迈进的重大战略抉择”［2］。

在很多领域，可通过虚拟技术来模拟真实情况，来加深学生的理解，提高教学效果，虚拟仿真技术正越来越多地运用于教学与考核领域。李末等［3］、蒋春朗等［4］结合数据库管理、虚拟仿真等技术研究开发了起重机仿真操作、理论知识训练和考核于一体的汽车起重机操作训练考核系统，提高了操作训练安全性，提高了培训效率和质量。阚泽文等［5］研发了基于医学影像虚拟仿真平台系统，建立了影像断层解剖学题库，显著提高了学生课程学习效率与满意度。张桂臣［6］和李锦伟等［7］分别将虚拟仿真技术用于船舶电站和虚拟仪器的实操等领域，建立了技能测评、智能化与网络考试相结合系统。

本文研发的锅炉原理专业课虚拟实验考核系统锅炉通过对实际锅炉系统的设备启停、正常参数调节及系统事故判断处理等环节虚拟操作，把锅炉原理的众多知识点加入虚拟实验环节，通过系统与人的交互学习方式，不但让学生对于锅炉系统的认识更加真实感性，也学生加深了对于锅炉原理知识的理解与巩固。

1 技术手段

本系统的开发运用计算机技术、互联网技术、流媒体技术和虚拟仿真技术，具体技术手段如下：

（1）采用互联网数据交换技术，实现教务管理、在线考试一条“流水线”的工作在统一的系统平台运行；

（2）采用Java技术架构；

（3）采用专业数据库及服务中间件设计，使系统具有很强的可移植性，可在多种主机、网络和操作系统环境下工作，并具有很强的开放性，便于后期维护；

（4）采用基于WEB浏览器的B/S（Browse/Server，浏览器/服务器）模式，采用京信公司基于JAVA语言在SSH架构基础上进行二次封装提升后的jtframework框架，提高系统的扩展性和安全性。数据库则采用目前广泛使用的免费数据库工具：Mysql5.5。系统部署方便，维护简单。

为基于J2EE标准开发的Java Web项目，具备较好的安全性、跨平台性、可移植性、易扩展性、易维护性。为了充分满足本平台软件在安全性、跨平台性、可移植性、易扩展性、易维护性等方面的要求，软件系统采用基于J2EE 5.0标准规范技术体系的大型分布式应用，并严格遵从开发标准。

本项目的平台软件构建于B/S三层应用体系结构之上，采用Struts2、Hibernate3、和Spring2等国际流行和成熟的技术框架，使用JSP、Servlet、EJB、XML等编程技术和面向对象程序设计方法，将复杂的业务逻辑、流程控制逻辑和数据存取逻辑通过在不同的技术层面上实现，在应用服务器之上，实现业务逻辑的快速部署和灵活调整，充分保证数据库系统的安全可靠访问。在B/S三层应用体系结构之上，采用了高重用、低耦合的MVC设计模式，通过前后端分离的模式进行开发，极大降低了前后端的耦合度，使复用性、可拓展性、开发效率都得到了极大的提升。前端使用简洁、易上手的Vue框架，开发效率高、访问速度快，极大提升用户的体验。后端则是使用成熟的SSH框架（Struts、Hibernate和Spring框架），具备了较强的可拓展性、可移植性，开发效率高。服务器选用免费、体积小、部署方便的Tomcat服务器，完全满足使用场景需求。数据库则是采用了体积小、速度快、成本低、维护成本小、开放源码的小型关系型数据库MySQL。技术架构图如图1所示。

系统同时支持ORACLE、SQLSERVER、SYBASE、DB2等各种大型的主流关系型数据库，同时支持Windows、国产Linux及Unix等各种操作系统。

2 系统功能架构

锅炉原理专业课虚拟实验考核系统功能架构如图2所示，主要分为管理子系统和考核子系统两个大块。管理子系统主要负责用户数据及权限、数据库的管理，而考核子系统则主要负责锅炉原理虚拟实验的模块库、模块组合、考试的管理以及学生的考核和练习。

系统根据权限将用户划分为超级管理员、教师以及普通学生。通过管理子系统，超级管理员可以对教师以及学生进行管理，同时对系统的数据库进行备份、还原等操作。为保证用户数据不造成不可逆影响，数据库操作均以日志形式作记录，并使用停用功能代替简单的删除。管理子系统主要对监考教师开放班级管理、学生管理等功能，对学生权限则不开放。通过考核子系统，超级管理员可以对题库进行管理、考核进行安排。教师则可以进行一些考核相关的工作，也可以对自己班级的学生布置一些练习题进行模拟练习。学生用户则通过登录考核子系统进行规定时间的考核和平时的练习，并可进行考核成绩的查询、自身信息的一部分修改。考试时序图如图3所示。虚拟实验系统的考试程序做了如下关键设计：

（1）系统前端关键处理逻辑文件全部进行了高级加密处理，此算法不可逆；

（2）如考试途中出现意外情况导致考试无法进行，考生重新进入系统后，监考员可通过监考员首页菜单，将相应的考试状态设置为“重新考试”，考生可进行重新考试；

（3）项目中的考核模块，严格按照教师给出的题目模型，按教学需要并贴合实际。

3 虚拟实验模块库

虚拟实验题库使用Web前端技术（如Vue框架等）进行锅炉系统与设备运行情况的模拟，通过与锅炉技术方面专家交流后进行设计，最终开发而成。锅炉原理考核实操题库模拟真实的实操环境，满足锅炉原理学生的不同知识点，可根据实际需求指定各选择模块以及设定分值规则来生成考核要求。系统针对目前的电站锅炉的发展情况，分别开发了汽包锅炉和直流锅炉模块，同时依据锅炉运行的场景设置了系统启动、系统停运以及正常参数调整等模块。

以锅炉正常停炉操作模块为例，虚拟实验首先设置为具体某一个类型锅炉，例如300MW自然循环锅炉，然后按锅炉设置具体的包括燃烧调节系统、锅炉汽水系统和制粉系统等，进而设置不同工况的系统运行参数，这些系统与参数都通过流程图来显示。流程图除了展现各系统及其流程与参数之外，还提供了众多的阀门、电机等设备的操作按钮，整个操作的过程通过锅炉原理的科学模型完成计算，并在流程图的相关设备位置正确显示运行参数，让学生在操作过程中理解并掌握锅炉设备工作的原理。本操作模块中，学生可以完成锅炉停炉前准备、锅炉减负荷至停炉的实验操作。停炉是通过减少燃料的投入，投入能源的不断减少使得蒸汽参数汽温、汽压不断降低，而实际由于金属材料安全的要求必须严格控制蒸汽下降的速率，实验操作过程中绘制了一条锅炉标准的停炉参数曲线，学生实验操作过程的参数也会通过自动记录绘制出一条实际曲线，学生理想的操作会使实际曲线与标准曲线尽量重合，但学生误操作或者操作调整幅度过大或过小，都会使实际曲线与标准曲线产生较大的偏离。每个实验模块中都有一个评分子模块，来评价学生的操作水平，标准子模块自动依据学生在虚拟实验操作中的操作步骤、运行参数（如汽温、汽压、水位、氧量等）以及实际操作曲线与标准曲线误差来判定效果，并给出一个评分来反馈实验的过程。

虚拟实验中还设置了锅炉事故模块，与正常操作不同，虚拟实验的事故模块首先要求学生根据事故现象判断事故类型，在通过事故现象判断的理论测试之后，才可以进入事故处理操作环节，操作过程中后台会同时记录学生的理论测试和操作步骤，并通过评分子模块对其进行相应的评判，在操作结束后统计总得分，并将得分和扣分项目显示出来。

结语

目前对于锅炉原理的教学一般是通过书本授课与参观实习方式学习，对实际的锅炉以及电厂运行知之甚少，学生对所学的知识会感到抽象，有关锅炉原理的知识学习效果不佳。本文研究开发的锅炉原理专业课虚拟实验系统采用数值虚拟仿真方法，改变了教室为主的授课教学方式，取而代之的是以学生为主体、人机互动的学习方式，充分发挥学生的学习积极性和能动性，激发了学生的学习热情和参与度，达到了较好的教学效果。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》［EB/OL］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t201806 07_338713.html（2018-6-5）.

［2］中华人民共和国教育部.《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》［EB/OL］，https：//laws.ict.edu.cn/laws/new/n20120404_4727.shtml（2012-4-4）.

［3］李末，蒋春朗，梁友国.汽车起重机操作训练考核系统［J］.起重运输机械，2021（24）：43-48.

［4］蒋春朗，郑亚辉，李末，等.起重机吊装考核系统的设计与应用［J］.工业控制计算机，2021，34（12）：29-31.

［5］阚泽文，孙羽，王巧丽.虚拟仿真考核系统在影像断层解剖学考核中的应用研究［J］.现代医药卫生，2022，38（9）：1598-1600.

［6］张桂臣.船舶电站实操考试自动评分系统的设计与实现［J］.中国航海，2010，33（3）：27-30.

［7］李锦伟，戎成.在线实操过程化智能网络考试系统研究与开发［J］.浙江交通职业技术学院学报，2010，11（4）：44-46.

作者简介：楼波（1965—），男，浙江义乌人，工学博士，副教授，从事锅炉原理教学与研究。