虚实结合的能源与动力工程专业实践教学模式探讨

吴懋亮 宋明 李汝润

摘  要：本文针对能源与动力工程专业学生现场实践“只能看不能动”的困难，讨论了构建虚实结合的实践教学模式的方法。通过现场实习，增强学生对电力生产过程的感性认识，了解电力生产的基本原理、方法与过程。通过实物模型参观，建立学生发电系统全过程的概念。虚拟仿真平台提供了主要电力系统的漫游场景，使学生可自由穿梭于各系统和设备内部，在操作过程中感受系统的运行和状态变化。实践教学结果表明，虚实结合的实践教学模式有助于提高学生对专业学习的兴趣，提升能源与动力工程专业学生的实践能力培养效果。

关键词：虚实结合;能源与动力工程;实践教学

中图分类号：TK0    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2020）44-0084-03

上海电力大学能源与动力工程专业依托电力行业，主要培养具有较强的工程实践能力和创新意识的从事发电方面的设计、制造、运行工作的高水平应用技术人才。本专业的实践教学要求学生掌握发电设备的运行原理、结构特征和基本操作技能。实践教学将现场实习、实物模型参观和虚拟仿真实验相结合，构建虚实结合的实践教学模式，能够激发学生独立思考和解决问题的潜能，培养学生的团队协作能力和实际动手能力 [1]。

一、开展虚实结合实践教学模式的必要性

能源动力工程专业实践教学围绕火电厂发电过程展开，存在设备成本高、更新换代难，且多为传统机型或分散设备的困难，不能反映行业发展的最新趋势。同时，传统的专业实验项目多为演示型、验证型实验，缺少设计型、综合型和研究型实验 [2]。学生实践存在“只能看不能动”的弊端，这为学校的实践教学带来了很大的困难。虚拟仿真技术通过数字化3D技术构建与真实环境相似的虚拟环境，使学生在实践过程中拥有身临其境的体验式感受，虚拟仿真技术对现场的实践教学具有良好的补充作用 [3]。但是虚拟仿真实践教学对实际生产过程的操作步骤、规范等要求较高，对该系统涉及的原理、在工程中的地位与作用以及有无学科交叉等方面涉及较少，容易使学生的思维局限于狭小的专业空间，无法从系统观角度思考问题 [4]。因此构建虚实结合的实践教学模式成了解决电力行业现场教学难的有效办法。

本专业的实践教学将虚拟仿真操作、模型参观和实物认知、现场实习实践相结合，形成“虚—半虚—实”相互融合的虚实结合实践教学模式，以培养学生创新精神和实践能力为目的，按照虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，提供可靠、安全和经济的实践教学，利用螺旋式学习理论，从感知、认知、练习、实训四层次逐层递进设计实践教学体系，提高实践教学效果。

二、虚实结合实践教学模式的实施

虚实结合实践教学模式主要包括电力企业现场的实习实践、实物模型和发电设备实体的参观和实验以及依托虚拟仿真系统的虚拟操作。考虑能源与动力工程专业实践学习的特殊要求，本专业的实践教学分为三个阶段。

（一）现场实习感知企业运行氛围

现代电力企业要求学生具有良好的实践能力，但是目前课程体系以理论讲解为主，学生普遍对未来就业的行业缺乏了解，对于将来的工作内容缺乏必要的实践实训过程，因此大学学习期间的认识实习、毕业实习等实践内容是本专业学习的重要环节。学生进入电力企业开展实践，可以真正了解电力企业的运行状态，通过让学生参加1-2周的电力行业跟班运行实习，学生可以在较短的时间内完成从学生向企业员工的角色转换，学生在电力企业通过专家授课和现场参观的形式，将学校学习的专业知识和企业的技术标准、过程管理和生产现场的要求相结合，对发电厂的管理、生产工艺及流程进行全面的了解，并引导学生利用专业理论分析和解释现场设备及系统运行过程和其主要特性。

企业实习的主要目的是使学生对电力生产过程形成感性认识，了解火电厂生产的基本原理、方法，主要热力设备的结构及设计规范，主要设备和系统的控制保护报警逻辑及定值，设备的软手操、硬手操、就地控制屏操作、现场就地操作，主、辅机系统的启停、运行调整、试验的运行规程等。

（二）模型参观与实物实验相结合认知电厂运行全过程

在学生了解了企业基本工作状态和生产流程的基础上，为了建立学生对发电系统全过程的概念，实践教学以目前常见的1000MW 超超临界机组为原型，按照相应比例制作了超超临界燃煤发电机组仿真模型，系统模型包括锅炉、汽轮机、灰场及烟气脱硫、脱硝装置等仿真实物模型，声、光、电多种形式的演示，使学生直观地观察厂内设备的外观和各系统间的连接关系，为学生动态演示和讲解火电厂的生产过程。同时为了增强学生对于实物模型和生产实际设备之间联系的认识，学校将企业退役的火力发电机组的转子等关键部件作为学生实习实践的主要装置，学生可以近距离地接触发电机组的主要组成部分，实实在在地感知发电机组的结构和特征，并将设备的实体结构和仿真模型的结构相对照，形成对于电力生产过程全局性的认识。同时学生在了解发电设备基本结构和特性的基础上，还可结合理论教学的基本内容，设计综合性的实验项目，如进行汽轮机转子叶片的振动测试，了解汽轮机在工作状态下的力学特征，为后续的结构设计奠定基础。

实物模型生动地再现了火力发电厂的全貌，使学生从全局了解火力发电厂的基本情况，对火力发电厂的生产过程、设备、系统等有较深刻的认识，对火力发电厂有整体的认知。

（三）虛拟仿真系统提供练习和实训平台

学生经过现场实习实践、模型参观和实物实验，对于生产过程建立了基本的认识。为了进一步加强学生对电力生产的设备运行细节和实际操作环境的了解，本专业建设了1000MW超超临界单元火电机组虚拟仿真系统，系统按照实际工厂设备尺寸进行1∶1比例设计，场景的组织以实际装置为标准，包含重要设备、管线、仪器、仪表、阀门、开关等。虚拟仿真系统运行于VR头盔环境，其中的漫游场景提供主蒸汽系统、锅炉汽水系统、脱硫脱硝系统等主要系统的管道布局、设备连接关系、各系统结构、工作原理等，满足火力发电厂认识实习和结构与系统实习的要求。系统中的全场景虚拟漫游由学生操作VR手柄在整个场景中进行漫游，可自由穿梭于各系统和设备内部，如进入炉膛内部查看燃烧类型，进入SCR反应器查看脱硝原理，进入汽轮机查看高、中、低不同缸的工作情况，进入脱硫塔查看脱硫反应等。系统中所包含的设备皆含有对应的噪音，高度还原火电厂现场的音响特征，每种设备都有其对应的噪音效果，还原设备就地声响特征，使学生在操作的过程中可感受到声音随距离和种类的变化而变化。

虚拟仿真系统帮助学生了解电厂各系统运行流程、主要设备的运行方式及有关的技术经济指标，熟悉热力设备的结构和性能，了解火电机组热力系统的运行监督方法和基本操作方法。虚拟仿真系统可以引导学生将课堂学习的理论知识、现场实习实践的感受以及对于实物模型的经验进行相互印证，巩固和拓展学生的专业知识。

三、实践教学的评价及成效

为全面考核学生的实践学习情况，学生的实践考核由平时成绩、学习报告、操作考核成绩组成。平时成绩主要根据学生的學习态度和合作表现而定;学习报告是学生对现场实习、实物模型观察、运行过程的虚拟操作内容、注意事项等的总结;操作考核内容主要包括通过虚拟仿真平台进行的状态检查、个人操作、合作操作三部分。状态检查要求学生在限定时间内对预置的一个冻结工况进行独立检查，找出其中错误的或不合理的地方。个人操作以机组冷态启动开始阶段的设备启停为重点，主要是启动风烟系统、凝结水—除氧器系统、向锅炉上水、汽机和电气做准备等一系列的操作。合作操作由两人完成，通常要求完成有较大操作量的过程，合作对象和操作内容均由抽签决定，借此考查学生间合作的协调性。

现场实习、实物模型参观以及虚拟仿真平台操作三个阶段的虚实结合实践教学，使学生熟悉热力发电厂的设备、系统组成及其生产过程，熟练掌握单元机组在各种工况下的启停操作步骤与正常运行的调节、监控技术，了解单元机组常见故障的现象、产生原因及处理原则，培养学生理论联系实际的能力，有效提高教学质量和学生的工程素质。

四、结语

能源与动力工程实践教学是保障人才培养质量的重要教学环节，上海电力大学通过设计“现场实习—模型参观—虚拟操作”为一体的虚实结合实践教学体系，构建了感知、认知、练习、实训四层次逐层递进的学生实践能力培养过程，为能源与动力工程专业提供可靠、安全和经济的实践教学。虚实结合的实践教学模式满足了对学生的培养要求，特别是虚拟拆装平台打破了设备和场地的制约，实现了电力生产的全过程仿真，学生通过此平台可获悉火电厂的操作规程并实现操作运行等训练，取得了良好的实践教学效果。

参考文献：

[1] 靳红玲，陈雨，张军昌，等. 虚实结合技术在汽车变速箱拆装实践中的应用研究[J]. 教育教学论坛，2019（09）：143-144.

[2] 王进仕，赵媛媛，种道彤，严俊杰. 火电机组虚拟仿真实验教学的建设与实践[J]. 高等工程教育研究，2019（S1）：201-203+210.

[3] 高波，刘志明，霍凯，等. 基于虚拟仿真的高速动车组检修工艺实验教学系统开发[J]. 实验技术与管理，2020，37（03）：139-142.

[4] 赵建立，程菲，李英杰，等. 能源与动力工程专业虚拟仿真型生产实习教学模式研究[J]. 教育教学论坛，2020（12）：41-42.

（责任编辑：胡甜甜）