摘 要：文章分析了能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課程及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系的特點(diǎn)及弊端，指出傳統(tǒng)能動(dòng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程種類(lèi)少、綜合性差、可拓展性不強(qiáng)。結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，以“開(kāi)放共享性、自主創(chuàng)新性、綜合設(shè)計(jì)性”的理念為主導(dǎo)，提出了能動(dòng)類(lèi)虛擬綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)的構(gòu)建框架，平臺(tái)橫向覆蓋工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)三大基礎(chǔ)課程模塊及新能源模塊，縱向采用通關(guān)式、層層遞進(jìn)的操作模式，使學(xué)生通過(guò)“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—拓展實(shí)踐—項(xiàng)目設(shè)計(jì)”各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的操作，由淺入深地實(shí)現(xiàn)基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ募訌?qiáng)、自主實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升以及將多課程知識(shí)交叉運(yùn)用的綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

　　關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn);能源動(dòng)力;實(shí)踐教學(xué)改革;創(chuàng)新實(shí)踐

　　為了提高高等教育的質(zhì)量，培養(yǎng)具有寬厚、復(fù)合、開(kāi)放、創(chuàng)新特征的高水平、高素質(zhì)人才，我國(guó)做出了“雙一流”建設(shè)的倡議決策，同時(shí)出臺(tái)了一系列相關(guān)的重要文件[1]。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》指出，要深化教育體制改革，更新人才培養(yǎng)觀(guān)念，注重啟發(fā)式、探究式教學(xué)，這無(wú)疑對(duì)高等教育的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提出了更高的要求[2-3]。根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》等相關(guān)要求，教育部辦公廳頒布了《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，指出將現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，要不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，在高等學(xué)校開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“虛擬實(shí)驗(yàn)”)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，提高高等教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與水平。自2013年教育部啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)工作以來(lái)，已先后批準(zhǔn)建設(shè)了300多所國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[4-6]。

　　一、虛擬綜合實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)必要性

　　1.能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

　　能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)(簡(jiǎn)稱(chēng)“能動(dòng)專(zhuān)業(yè)”)涵蓋熱能工程、動(dòng)力工程、制冷技術(shù)及熱工控制等多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向，既包括與傳統(tǒng)能源利用相關(guān)的技術(shù)、設(shè)備及系統(tǒng)，又包括與現(xiàn)代能源利用相關(guān)的新能源技術(shù)、智慧能源技術(shù)，知識(shí)面廣、綜合性強(qiáng)、基礎(chǔ)課程理論性強(qiáng)。

　　專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)決定了能動(dòng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程數(shù)量大、種類(lèi)多，在實(shí)際操作過(guò)程中存在以下特點(diǎn)及弊端[7-8]：①操作工質(zhì)多樣，包括氮?dú)狻⒀鯕狻⒖諝狻⑺魵狻⑷細(xì)饧岸喾N氣體的混合氣體，有的有毒，有的易燃易爆;工質(zhì)參數(shù)范圍較廣，壓力范圍低至幾千帕，高至幾十兆帕，溫度范圍亦從零下幾十甚至幾百度高至零上幾百度，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中很難達(dá)到這些參數(shù)，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，操作過(guò)程中也存在人身及設(shè)備安全隱患。上述特點(diǎn)決定了能動(dòng)類(lèi)實(shí)物實(shí)驗(yàn)只能局限于采用某些介質(zhì)在某些特定參數(shù)下進(jìn)行，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)接觸到與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用相關(guān)的高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、易燃易爆等工況。②能動(dòng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)多為多設(shè)備組成的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，且一般設(shè)備體積比較大、價(jià)格昂貴，前期投入大，后期維護(hù)費(fèi)用高，經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地限制了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展。③學(xué)生課程數(shù)量多，其時(shí)間和精力使實(shí)驗(yàn)時(shí)間的安排成為難題。受時(shí)空限制，實(shí)驗(yàn)教師很難在有限的時(shí)間內(nèi)細(xì)致地指導(dǎo)大批學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且?guī)熒?dòng)不夠充分，理論課程與實(shí)驗(yàn)課程脫節(jié)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。④目前能動(dòng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)大多局限在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)步驟相對(duì)固定，學(xué)生不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)與搭建，實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較被動(dòng);同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往是驗(yàn)證性的，各個(gè)學(xué)科之間相互獨(dú)立，缺乏交叉性和綜合性。

　　2.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

　　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)前各大高校產(chǎn)學(xué)結(jié)合的新形式，旨在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)的操作環(huán)境，使學(xué)生可以在高度逼真的仿真環(huán)境下模擬實(shí)驗(yàn)操作，以獲得與真實(shí)操作環(huán)境接近的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以代替部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

　　利用該方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)有以上優(yōu)點(diǎn)[9-11]：①突破時(shí)空限制。學(xué)生不僅可以根據(jù)自身情況隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還可以多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，靈活的實(shí)驗(yàn)方式可以最大限度地滿(mǎn)足學(xué)生的各種需求。②豐富實(shí)驗(yàn)種類(lèi)。虛擬現(xiàn)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因?yàn)榭臻g有限、經(jīng)費(fèi)緊張、危險(xiǎn)性高所不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。③增加高溫、高壓等高危實(shí)驗(yàn)的安全系數(shù)及可操作性。傳統(tǒng)教學(xué)中，高危實(shí)驗(yàn)多以視頻、講解等方式呈現(xiàn)，學(xué)生可操作性低，虛擬實(shí)驗(yàn)可以提供安全的實(shí)驗(yàn)手段，反復(fù)實(shí)驗(yàn)之余以直觀(guān)的方式呈現(xiàn)錯(cuò)誤操作造成的后果，有助于加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的正確性，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。④增加實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放共享性。借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)有利于實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)放、共享，減少各校實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重復(fù)建設(shè)。⑤有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以教師為主，由教師講解相對(duì)固定的實(shí)驗(yàn)步驟，然后學(xué)生根據(jù)講解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，靈活性差。虛擬實(shí)驗(yàn)可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊化，學(xué)生不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行各種組合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)、分析，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

　　3.能動(dòng)類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

　　在國(guó)家政策的推動(dòng)下，各大院校近年來(lái)都做了大量虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的相關(guān)工作，綜合來(lái)看，能動(dòng)類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)主要有兩大類(lèi)，多數(shù)為仿真操作演示型，主要針對(duì)一些大型系統(tǒng)的仿真操作及大型設(shè)備的結(jié)構(gòu)認(rèn)知拆裝，如發(fā)電廠(chǎng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、制冷壓縮機(jī)拆裝等仿真教學(xué);少數(shù)為理論驗(yàn)證型，如氣體燃燒本生燈實(shí)驗(yàn)、CO2臨界狀態(tài)及PVT關(guān)系測(cè)定、噴管特性等。但是，所有的實(shí)踐創(chuàng)新均來(lái)源于扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，除了仿真操作類(lèi)實(shí)驗(yàn)，理論型實(shí)驗(yàn)建設(shè)更應(yīng)該加強(qiáng)，這樣學(xué)生在實(shí)踐操作中才能不流于表面，做到對(duì)所學(xué)知識(shí)知其然知其所以然，才能進(jìn)行更高層次的開(kāi)拓創(chuàng)新。

　　總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)尤其是能動(dòng)專(zhuān)業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)研究工作目前還處于初步階段，知識(shí)覆蓋面還不夠廣，某些已經(jīng)開(kāi)發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各自獨(dú)立，無(wú)法共享，且訪(fǎng)問(wèn)量不高，因此在一定程度上存在重復(fù)性的開(kāi)發(fā)及資源浪費(fèi)的問(wèn)題[12]。

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