吳懋亮 宋明 李汝潤(rùn)

摘? 要：本文針對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐“只能看不能動(dòng)”的困難，討論了構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式的方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電力生產(chǎn)過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)，了解電力生產(chǎn)的基本原理、方法與過(guò)程。通過(guò)實(shí)物模型參觀，建立學(xué)生發(fā)電系統(tǒng)全過(guò)程的概念。虛擬仿真平臺(tái)提供了主要電力系統(tǒng)的漫游場(chǎng)景，使學(xué)生可自由穿梭于各系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)部，在操作過(guò)程中感受系統(tǒng)的運(yùn)行和狀態(tài)變化。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果表明，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式有助于提高學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，提升能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)效果。

關(guān)鍵詞：虛實(shí)結(jié)合;能源與動(dòng)力工程;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TK0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2020）44-0084-03

上海電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)依托電力行業(yè)，主要培養(yǎng)具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的從事發(fā)電方面的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行工作的高水平應(yīng)用技術(shù)人才。本專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)要求學(xué)生掌握發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)特征和基本操作技能。實(shí)踐教學(xué)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、實(shí)物模型參觀和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，能夠激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的潛能，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)際動(dòng)手能力 [1]。

一、開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式的必要性

能源動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)圍繞火電廠發(fā)電過(guò)程展開(kāi)，存在設(shè)備成本高、更新?lián)Q代難，且多為傳統(tǒng)機(jī)型或分散設(shè)備的困難，不能反映行業(yè)發(fā)展的最新趨勢(shì)。同時(shí)，傳統(tǒng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為演示型、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，缺少設(shè)計(jì)型、綜合型和研究型實(shí)驗(yàn) [2]。學(xué)生實(shí)踐存在“只能看不能動(dòng)”的弊端，這為學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了很大的困難。虛擬仿真技術(shù)通過(guò)數(shù)字化3D技術(shù)構(gòu)建與真實(shí)環(huán)境相似的虛擬環(huán)境，使學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中擁有身臨其境的體驗(yàn)式感受，虛擬仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐教學(xué)具有良好的補(bǔ)充作用 [3]。但是虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的操作步驟、規(guī)范等要求較高，對(duì)該系統(tǒng)涉及的原理、在工程中的地位與作用以及有無(wú)學(xué)科交叉等方面涉及較少，容易使學(xué)生的思維局限于狹小的專業(yè)空間，無(wú)法從系統(tǒng)觀角度思考問(wèn)題 [4]。因此構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式成了解決電力行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)難的有效辦法。

本專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)將虛擬仿真操作、模型參觀和實(shí)物認(rèn)知、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)實(shí)踐相結(jié)合，形成“虛—半虛—實(shí)”相互融合的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目的，按照虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐教學(xué)，利用螺旋式學(xué)習(xí)理論，從感知、認(rèn)知、練習(xí)、實(shí)訓(xùn)四層次逐層遞進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)體系，提高實(shí)踐教學(xué)效果。

二、虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)施

虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式主要包括電力企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)習(xí)實(shí)踐、實(shí)物模型和發(fā)電設(shè)備實(shí)體的參觀和實(shí)驗(yàn)以及依托虛擬仿真系統(tǒng)的虛擬操作。考慮能源與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐學(xué)習(xí)的特殊要求，本專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)分為三個(gè)階段。

（一）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)感知企業(yè)運(yùn)行氛圍

現(xiàn)代電力企業(yè)要求學(xué)生具有良好的實(shí)踐能力，但是目前課程體系以理論講解為主，學(xué)生普遍對(duì)未來(lái)就業(yè)的行業(yè)缺乏了解，對(duì)于將來(lái)的工作內(nèi)容缺乏必要的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)過(guò)程，因此大學(xué)學(xué)習(xí)期間的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)踐內(nèi)容是本專業(yè)學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生進(jìn)入電力企業(yè)開(kāi)展實(shí)踐，可以真正了解電力企業(yè)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)讓學(xué)生參加1-2周的電力行業(yè)跟班運(yùn)行實(shí)習(xí)，學(xué)生可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成從學(xué)生向企業(yè)員工的角色轉(zhuǎn)換，學(xué)生在電力企業(yè)通過(guò)專家授課和現(xiàn)場(chǎng)參觀的形式，將學(xué)校學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)和企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、過(guò)程管理和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求相結(jié)合，對(duì)發(fā)電廠的管理、生產(chǎn)工藝及流程進(jìn)行全面的了解，并引導(dǎo)學(xué)生利用專業(yè)理論分析和解釋現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和其主要特性。

企業(yè)實(shí)習(xí)的主要目的是使學(xué)生對(duì)電力生產(chǎn)過(guò)程形成感性認(rèn)識(shí)，了解火電廠生產(chǎn)的基本原理、方法，主要熱力設(shè)備的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)規(guī)范，主要設(shè)備和系統(tǒng)的控制保護(hù)報(bào)警邏輯及定值，設(shè)備的軟手操、硬手操、就地控制屏操作、現(xiàn)場(chǎng)就地操作，主、輔機(jī)系統(tǒng)的啟停、運(yùn)行調(diào)整、試驗(yàn)的運(yùn)行規(guī)程等。

（二）模型參觀與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合認(rèn)知電廠運(yùn)行全過(guò)程

在學(xué)生了解了企業(yè)基本工作狀態(tài)和生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上，為了建立學(xué)生對(duì)發(fā)電系統(tǒng)全過(guò)程的概念，實(shí)踐教學(xué)以目前常見(jiàn)的1000MW 超超臨界機(jī)組為原型，按照相應(yīng)比例制作了超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組仿真模型，系統(tǒng)模型包括鍋爐、汽輪機(jī)、灰場(chǎng)及煙氣脫硫、脫硝裝置等仿真實(shí)物模型，聲、光、電多種形式的演示，使學(xué)生直觀地觀察廠內(nèi)設(shè)備的外觀和各系統(tǒng)間的連接關(guān)系，為學(xué)生動(dòng)態(tài)演示和講解火電廠的生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于實(shí)物模型和生產(chǎn)實(shí)際設(shè)備之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，學(xué)校將企業(yè)退役的火力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵部件作為學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐的主要裝置，學(xué)生可以近距離地接觸發(fā)電機(jī)組的主要組成部分，實(shí)實(shí)在在地感知發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和特征，并將設(shè)備的實(shí)體結(jié)構(gòu)和仿真模型的結(jié)構(gòu)相對(duì)照，形成對(duì)于電力生產(chǎn)過(guò)程全局性的認(rèn)識(shí)。同時(shí)學(xué)生在了解發(fā)電設(shè)備基本結(jié)構(gòu)和特性的基礎(chǔ)上，還可結(jié)合理論教學(xué)的基本內(nèi)容，設(shè)計(jì)綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)測(cè)試，了解汽輪機(jī)在工作狀態(tài)下的力學(xué)特征，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

實(shí)物模型生動(dòng)地再現(xiàn)了火力發(fā)電廠的全貌，使學(xué)生從全局了解火力發(fā)電廠的基本情況，對(duì)火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備、系統(tǒng)等有較深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)火力發(fā)電廠有整體的認(rèn)知。

（三）虛擬仿真系統(tǒng)提供練習(xí)和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

學(xué)生經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)實(shí)踐、模型參觀和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程建立了基本的認(rèn)識(shí)。為了進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電力生產(chǎn)的設(shè)備運(yùn)行細(xì)節(jié)和實(shí)際操作環(huán)境的了解，本專業(yè)建設(shè)了1000MW超超臨界單元火電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)按照實(shí)際工廠設(shè)備尺寸進(jìn)行1∶1比例設(shè)計(jì)，場(chǎng)景的組織以實(shí)際裝置為標(biāo)準(zhǔn)，包含重要設(shè)備、管線、儀器、儀表、閥門、開(kāi)關(guān)等。虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行于VR頭盔環(huán)境，其中的漫游場(chǎng)景提供主蒸汽系統(tǒng)、鍋爐汽水系統(tǒng)、脫硫脫硝系統(tǒng)等主要系統(tǒng)的管道布局、設(shè)備連接關(guān)系、各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理等，滿足火力發(fā)電廠認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)實(shí)習(xí)的要求。系統(tǒng)中的全場(chǎng)景虛擬漫游由學(xué)生操作VR手柄在整個(gè)場(chǎng)景中進(jìn)行漫游，可自由穿梭于各系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)部，如進(jìn)入爐膛內(nèi)部查看燃燒類型，進(jìn)入SCR反應(yīng)器查看脫硝原理，進(jìn)入汽輪機(jī)查看高、中、低不同缸的工作情況，進(jìn)入脫硫塔查看脫硫反應(yīng)等。系統(tǒng)中所包含的設(shè)備皆含有對(duì)應(yīng)的噪音，高度還原火電廠現(xiàn)場(chǎng)的音響特征，每種設(shè)備都有其對(duì)應(yīng)的噪音效果，還原設(shè)備就地聲響特征，使學(xué)生在操作的過(guò)程中可感受到聲音隨距離和種類的變化而變化。

虛擬仿真系統(tǒng)幫助學(xué)生了解電廠各系統(tǒng)運(yùn)行流程、主要設(shè)備的運(yùn)行方式及有關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，熟悉熱力設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能，了解火電機(jī)組熱力系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)督方法和基本操作方法。虛擬仿真系統(tǒng)可以引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)實(shí)踐的感受以及對(duì)于實(shí)物模型的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相互印證，鞏固和拓展學(xué)生的專業(yè)知識(shí)。

三、實(shí)踐教學(xué)的評(píng)價(jià)及成效

為全面考核學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)情況，學(xué)生的實(shí)踐考核由平時(shí)成績(jī)、學(xué)習(xí)報(bào)告、操作考核成績(jī)組成。平時(shí)成績(jī)主要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和合作表現(xiàn)而定;學(xué)習(xí)報(bào)告是學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、實(shí)物模型觀察、運(yùn)行過(guò)程的虛擬操作內(nèi)容、注意事項(xiàng)等的總結(jié);操作考核內(nèi)容主要包括通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行的狀態(tài)檢查、個(gè)人操作、合作操作三部分。狀態(tài)檢查要求學(xué)生在限定時(shí)間內(nèi)對(duì)預(yù)置的一個(gè)凍結(jié)工況進(jìn)行獨(dú)立檢查，找出其中錯(cuò)誤的或不合理的地方。個(gè)人操作以機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)開(kāi)始階段的設(shè)備啟停為重點(diǎn)，主要是啟動(dòng)風(fēng)煙系統(tǒng)、凝結(jié)水—除氧器系統(tǒng)、向鍋爐上水、汽機(jī)和電氣做準(zhǔn)備等一系列的操作。合作操作由兩人完成，通常要求完成有較大操作量的過(guò)程，合作對(duì)象和操作內(nèi)容均由抽簽決定，借此考查學(xué)生間合作的協(xié)調(diào)性。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、實(shí)物模型參觀以及虛擬仿真平臺(tái)操作三個(gè)階段的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生熟悉熱力發(fā)電廠的設(shè)備、系統(tǒng)組成及其生產(chǎn)過(guò)程，熟練掌握單元機(jī)組在各種工況下的啟停操作步驟與正常運(yùn)行的調(diào)節(jié)、監(jiān)控技術(shù)，了解單元機(jī)組常見(jiàn)故障的現(xiàn)象、產(chǎn)生原因及處理原則，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的工程素質(zhì)。

四、結(jié)語(yǔ)

能源與動(dòng)力工程實(shí)踐教學(xué)是保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，上海電力大學(xué)通過(guò)設(shè)計(jì)“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)—模型參觀—虛擬操作”為一體的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)體系，構(gòu)建了感知、認(rèn)知、練習(xí)、實(shí)訓(xùn)四層次逐層遞進(jìn)的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)過(guò)程，為能源與動(dòng)力工程專業(yè)提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐教學(xué)。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式滿足了對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要求，特別是虛擬拆裝平臺(tái)打破了設(shè)備和場(chǎng)地的制約，實(shí)現(xiàn)了電力生產(chǎn)的全過(guò)程仿真，學(xué)生通過(guò)此平臺(tái)可獲悉火電廠的操作規(guī)程并實(shí)現(xiàn)操作運(yùn)行等訓(xùn)練，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

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（責(zé)任編輯：胡甜甜）