摘要：鍋爐原理是能源動力類專業(yè)主要專業(yè)課之一，但鍋爐因系統龐大復雜與安全原因，很難設置實驗讓學生在學習過程中得到身臨其境的手操機會，約束了專業(yè)教學課堂效果。鍋爐原理專業(yè)課虛擬實驗考核系統開發(fā)了鍋爐實際運行中的設備啟停、正常參數調節(jié)及系統事故判斷處理等環(huán)節(jié)，使學生體會到鍋爐原理理論知識在設備運行中的具體實現過程，對新工科教學中的能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)有重要的教學實際意義，同時對能源動力專業(yè)課教學有著很好的教學示范作用。

關鍵詞：鍋爐原理；虛擬實驗；專業(yè)課教學

中圖分類號：G434文獻標識碼：A

工科專業(yè)涉及面很廣，其中許多專業(yè)工業(yè)系統復雜（例如火力發(fā)電過程）、危險系數大（核發(fā)電過程）等，專業(yè)教學中無法開設實驗課程。同時生產實習環(huán)節(jié)也因生產單位顧忌安全問題，不給學生接近生產設備，導致一方面專業(yè)教學效果與生產實踐需求偏差較大，而另一方面科技發(fā)展對工科學生專業(yè)知識要求卻越來越高，使得目前純課堂的理論教學效果離實際較遠，這是許多專業(yè)課教學的痛點之一。

目前國家對專業(yè)課教學非常重視，其中對虛擬仿真實驗教學項目進行了國家層面教育頂層設計。教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知（教高函〔2018〕5號）中指出，“國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措”［1］。教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》認為，“以教育信息化帶動教育現代化，破解制約我國教育發(fā)展的難題，促進教育的創(chuàng)新與變革，是加快從教育大國向教育強國邁進的重大戰(zhàn)略抉擇”［2］。

在很多領域，可通過虛擬技術來模擬真實情況，來加深學生的理解，提高教學效果，虛擬仿真技術正越來越多地運用于教學與考核領域。李末等［3］、蔣春朗等［4］結合數據庫管理、虛擬仿真等技術研究開發(fā)了起重機仿真操作、理論知識訓練和考核于一體的汽車起重機操作訓練考核系統，提高了操作訓練安全性，提高了培訓效率和質量。闞澤文等［5］研發(fā)了基于醫(yī)學影像虛擬仿真平臺系統，建立了影像斷層解剖學題庫，顯著提高了學生課程學習效率與滿意度。張桂臣［6］和李錦偉等［7］分別將虛擬仿真技術用于船舶電站和虛擬儀器的實操等領域，建立了技能測評、智能化與網絡考試相結合系統。

本文研發(fā)的鍋爐原理專業(yè)課虛擬實驗考核系統鍋爐通過對實際鍋爐系統的設備啟停、正常參數調節(jié)及系統事故判斷處理等環(huán)節(jié)虛擬操作，把鍋爐原理的眾多知識點加入虛擬實驗環(huán)節(jié)，通過系統與人的交互學習方式，不但讓學生對于鍋爐系統的認識更加真實感性，也學生加深了對于鍋爐原理知識的理解與鞏固。

1 技術手段

本系統的開發(fā)運用計算機技術、互聯網技術、流媒體技術和虛擬仿真技術，具體技術手段如下：

（1）采用互聯網數據交換技術，實現教務管理、在線考試一條“流水線”的工作在統一的系統平臺運行；

（2）采用Java技術架構；

（3）采用專業(yè)數據庫及服務中間件設計，使系統具有很強的可移植性，可在多種主機、網絡和操作系統環(huán)境下工作，并具有很強的開放性，便于后期維護；

（4）采用基于WEB瀏覽器的B/S（Browse/Server，瀏覽器/服務器）模式，采用京信公司基于JAVA語言在SSH架構基礎上進行二次封裝提升后的jtframework框架，提高系統的擴展性和安全性。數據庫則采用目前廣泛使用的免費數據庫工具：Mysql5.5。系統部署方便，維護簡單。

為基于J2EE標準開發(fā)的Java Web項目，具備較好的安全性、跨平臺性、可移植性、易擴展性、易維護性。為了充分滿足本平臺軟件在安全性、跨平臺性、可移植性、易擴展性、易維護性等方面的要求，軟件系統采用基于J2EE 5.0標準規(guī)范技術體系的大型分布式應用，并嚴格遵從開發(fā)標準。

本項目的平臺軟件構建于B/S三層應用體系結構之上，采用Struts2、Hibernate3、和Spring2等國際流行和成熟的技術框架，使用JSP、Servlet、EJB、XML等編程技術和面向對象程序設計方法，將復雜的業(yè)務邏輯、流程控制邏輯和數據存取邏輯通過在不同的技術層面上實現，在應用服務器之上，實現業(yè)務邏輯的快速部署和靈活調整，充分保證數據庫系統的安全可靠訪問。在B/S三層應用體系結構之上，采用了高重用、低耦合的MVC設計模式，通過前后端分離的模式進行開發(fā)，極大降低了前后端的耦合度，使復用性、可拓展性、開發(fā)效率都得到了極大的提升。前端使用簡潔、易上手的Vue框架，開發(fā)效率高、訪問速度快，極大提升用戶的體驗。后端則是使用成熟的SSH框架（Struts、Hibernate和Spring框架），具備了較強的可拓展性、可移植性，開發(fā)效率高。服務器選用免費、體積小、部署方便的Tomcat服務器，完全滿足使用場景需求。數據庫則是采用了體積小、速度快、成本低、維護成本小、開放源碼的小型關系型數據庫MySQL。技術架構圖如圖1所示。

系統同時支持ORACLE、SQLSERVER、SYBASE、DB2等各種大型的主流關系型數據庫，同時支持Windows、國產Linux及Unix等各種操作系統。

2 系統功能架構

鍋爐原理專業(yè)課虛擬實驗考核系統功能架構如圖2所示，主要分為管理子系統和考核子系統兩個大塊。管理子系統主要負責用戶數據及權限、數據庫的管理，而考核子系統則主要負責鍋爐原理虛擬實驗的模塊庫、模塊組合、考試的管理以及學生的考核和練習。

系統根據權限將用戶劃分為超級管理員、教師以及普通學生。通過管理子系統，超級管理員可以對教師以及學生進行管理，同時對系統的數據庫進行備份、還原等操作。為保證用戶數據不造成不可逆影響，數據庫操作均以日志形式作記錄，并使用停用功能代替簡單的刪除。管理子系統主要對監(jiān)考教師開放班級管理、學生管理等功能，對學生權限則不開放。通過考核子系統，超級管理員可以對題庫進行管理、考核進行安排。教師則可以進行一些考核相關的工作，也可以對自己班級的學生布置一些練習題進行模擬練習。學生用戶則通過登錄考核子系統進行規(guī)定時間的考核和平時的練習，并可進行考核成績的查詢、自身信息的一部分修改。考試時序圖如圖3所示。虛擬實驗系統的考試程序做了如下關鍵設計：

（1）系統前端關鍵處理邏輯文件全部進行了高級加密處理，此算法不可逆；

（2）如考試途中出現意外情況導致考試無法進行，考生重新進入系統后，監(jiān)考員可通過監(jiān)考員首頁菜單，將相應的考試狀態(tài)設置為“重新考試”，考生可進行重新考試；

（3）項目中的考核模塊，嚴格按照教師給出的題目模型，按教學需要并貼合實際。

3 虛擬實驗模塊庫

虛擬實驗題庫使用Web前端技術（如Vue框架等）進行鍋爐系統與設備運行情況的模擬，通過與鍋爐技術方面專家交流后進行設計，最終開發(fā)而成。鍋爐原理考核實操題庫模擬真實的實操環(huán)境，滿足鍋爐原理學生的不同知識點，可根據實際需求指定各選擇模塊以及設定分值規(guī)則來生成考核要求。系統針對目前的電站鍋爐的發(fā)展情況，分別開發(fā)了汽包鍋爐和直流鍋爐模塊，同時依據鍋爐運行的場景設置了系統啟動、系統停運以及正常參數調整等模塊。

以鍋爐正常停爐操作模塊為例，虛擬實驗首先設置為具體某一個類型鍋爐，例如300MW自然循環(huán)鍋爐，然后按鍋爐設置具體的包括燃燒調節(jié)系統、鍋爐汽水系統和制粉系統等，進而設置不同工況的系統運行參數，這些系統與參數都通過流程圖來顯示。流程圖除了展現各系統及其流程與參數之外，還提供了眾多的閥門、電機等設備的操作按鈕，整個操作的過程通過鍋爐原理的科學模型完成計算，并在流程圖的相關設備位置正確顯示運行參數，讓學生在操作過程中理解并掌握鍋爐設備工作的原理。本操作模塊中，學生可以完成鍋爐停爐前準備、鍋爐減負荷至停爐的實驗操作。停爐是通過減少燃料的投入，投入能源的不斷減少使得蒸汽參數汽溫、汽壓不斷降低，而實際由于金屬材料安全的要求必須嚴格控制蒸汽下降的速率，實驗操作過程中繪制了一條鍋爐標準的停爐參數曲線，學生實驗操作過程的參數也會通過自動記錄繪制出一條實際曲線，學生理想的操作會使實際曲線與標準曲線盡量重合，但學生誤操作或者操作調整幅度過大或過小，都會使實際曲線與標準曲線產生較大的偏離。每個實驗模塊中都有一個評分子模塊，來評價學生的操作水平，標準子模塊自動依據學生在虛擬實驗操作中的操作步驟、運行參數（如汽溫、汽壓、水位、氧量等）以及實際操作曲線與標準曲線誤差來判定效果，并給出一個評分來反饋實驗的過程。

虛擬實驗中還設置了鍋爐事故模塊，與正常操作不同，虛擬實驗的事故模塊首先要求學生根據事故現象判斷事故類型，在通過事故現象判斷的理論測試之后，才可以進入事故處理操作環(huán)節(jié)，操作過程中后臺會同時記錄學生的理論測試和操作步驟，并通過評分子模塊對其進行相應的評判，在操作結束后統計總得分，并將得分和扣分項目顯示出來。

結語

目前對于鍋爐原理的教學一般是通過書本授課與參觀實習方式學習，對實際的鍋爐以及電廠運行知之甚少，學生對所學的知識會感到抽象，有關鍋爐原理的知識學習效果不佳。本文研究開發(fā)的鍋爐原理專業(yè)課虛擬實驗系統采用數值虛擬仿真方法，改變了教室為主的授課教學方式，取而代之的是以學生為主體、人機互動的學習方式，充分發(fā)揮學生的學習積極性和能動性，激發(fā)了學生的學習熱情和參與度，達到了較好的教學效果。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》［EB/OL］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t201806 07_338713.html（2018-6-5）.

［2］中華人民共和國教育部.《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》［EB/OL］，https：//laws.ict.edu.cn/laws/new/n20120404_4727.shtml（2012-4-4）.

［3］李末，蔣春朗，梁友國.汽車起重機操作訓練考核系統［J］.起重運輸機械，2021（24）：43-48.

［4］蔣春朗，鄭亞輝，李末，等.起重機吊裝考核系統的設計與應用［J］.工業(yè)控制計算機，2021，34（12）：29-31.

［5］闞澤文，孫羽，王巧麗.虛擬仿真考核系統在影像斷層解剖學考核中的應用研究［J］.現代醫(yī)藥衛(wèi)生，2022，38（9）：1598-1600.

［6］張桂臣.船舶電站實操考試自動評分系統的設計與實現［J］.中國航海，2010，33（3）：27-30.

［7］李錦偉，戎成.在線實操過程化智能網絡考試系統研究與開發(fā)［J］.浙江交通職業(yè)技術學院學報，2010，11（4）：44-46.

作者簡介：樓波（1965—），男，浙江義烏人，工學博士，副教授，從事鍋爐原理教學與研究。