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电气虚拟仿真实验室-电气工程及自动化虚拟仿真软件

发布时间:2022-11-11

编辑人:灵图互动

阅读量:447

电气工程及自动化专业是强电与弱电相结合的一门理论性与实践性都很强的学科。要求学生掌握电机学、电力电子技术、电力系统基础、高电压技术、供配电与用电技术等知识领域的核心内容。专业学生动手、创新等综合能力的培养对于场地、设备、师资都有严格的要求。

但由于电力系统庞大、复杂,且具有高电压、大电流,电力设备种类多、价格昂贵等特点,使实验室很难建立和现场完全一样的电力实验系统;工业控制系统复杂且危险性高,学生虽然可以通过专业见习和生产实习了解一些控制系统工作原理,但无法真正接触岗位工作,很难进行实际工程能力的训练和工作经验积累。学院实验室虽然可以实现部分工程项目的模拟训练,但由于电气类项目设备资金投入高、实践场地占地面积大、强电危险性很高、同时需配置丰富实践能力的专业教师,使得学生的实践教学课程学习只能以参观为主,模拟训练很难满足实际需求。最终导致在校学生毕业时所获得的能力与社会需求相差甚远。

虚拟仿真技术因具备沉浸性、交互性和构想性,可以做到高度接近实际效果的实验模拟及项目模拟,虚拟仿真技术在电气工程及自动化专业教学中的应用,为电气专业应用型人才培养提供了新思路、开辟了新方向。

电气工程及自动化虚拟仿真软件通过构建逼真的实验环境,达到甚至超过真实实验的效果。学生通过虚拟设备既可以模拟实际操作,又可以没有危险性地达到理论、实践全方位训练的目的。比如利用虚拟变电站,学生在3D场景中完全可以模拟操作真实变电站的所有项目,如日常巡检中的变压器油位、油温、油色、运行声音,设备操作、检修、故障模拟以及故障处理等。

另外,学生也可以在电气虚拟仿真实验室中自主设计实训项目,在电气控制技术VR交互式教学系统中可实现电气控制原理设计、电器布置、配线、运行、排故等操作,效果极似物理实训。这使学生的动手能力、分析解决问题能力、工程设计能力和创新意识能够得到很好的训练,也能积累一定的实践经验。

电气虚拟仿真实验室建设方案主要由硬件建设、软件建设及管理建设组成,具体内容如下:

1. 硬件建设

硬件建设包括场地建设和设备建设。

设备主要包括显示设备、输入设备、感知设备、支持设备。

1.1 显示设备

显示设备主要用于虚拟仿真实验平台的展示及操作结果显示,最常用的是电脑显示器,现在逐渐普及投影、大尺寸LED屏、多媒体电视、CAVE系统、3D大屏幕、VR头盔、AR头盔等。作为虚拟仿真实验结果的呈现设备,显示装置显现了从二维走向三维,从基于平面三维走向沉浸式三维的新特点,由小屏幕逐渐向大尺寸3D屏幕发展,大大提升了教学的效率和可观性。

电气虚拟仿真实验室显示设备

1.2 输入设备

输入设备最常用的是键盘和鼠标,随着多媒体技术的多样化发展,又出现了3D扫描仪、语音识别技术、数据手套、无线交互手柄、摄像头和各种传感器,可用于物体物理尺寸扫描、声音控制、手部动作输入、自由跟踪、图像识别等,能够适应多种教学内容的需要。

1.3 感知设备

感知设备既可以让参与虚拟仿真实验的人感知实验效果,也可以通过对感知数据的捕捉让虚拟实验内容得以反馈。常用的感知设备包含温度感应、力感应、嗅觉感应、声音感应、视觉感应、定位设备、动作捕获设备等,不仅能让虚拟仿真的表现形式多元化,也能让虚拟仿真结果更加真实。

1.4 支持设备

支持设备是为了维持教学装备的正常运转,负责供电、信息传输、图形图像处理、信息存储、多种设备交叉管理等工作,常用的有UPS不间断电源、图形处理服务器、数据库服务器、数字交换机、路由器、音视频切换矩阵、监视器等。

2. 软件建设

电气工程及自动化虚拟仿真软件包括虚拟仿真实验管理系统、虚拟仿真课程资源、虚拟仿真实训考核系统、计算机系统软件等。

2.1 虚拟仿真实验管理系统

虚拟仿真实验管理系统保证虚拟仿真教学信息网能接入院校综合管理信息网络,实现教育教学资源的分配、师资力量的调配,统一管理不同的虚拟仿真教育资源,记录任课教师和实验学生的教学、学习进度,起到教学目录和教学日志的作用;

2.2 虚拟仿真课程资源

虚拟仿真课程资源为电气虚拟仿真实验室的配置重点,如果没有课程资源,所有的虚拟仿真设备都会形同虚设,它是根据各课程的教学特色和要求,通过虚拟仿真系统让学生直观理解、加深记忆并上手实操的软件;

电气及自动化虚拟仿真课程资源主要包含:实用电路分析、电子实训、PLC及应用、自动化生产线安装与调试、电气制图及CAD、过程控制技术、智能制造技术及应用、工厂变配电技术、液压与气动系统安装与调试等。

电气工程及自动化虚拟仿真实训课程资源的建设考虑不同层次的需求,训练项目的设置是阶梯式推进的,有些是通过学生自学完成的,有些是需要集中训练的。

电气工程及自动化虚拟仿真实验教学根据课程体系可分为基础课程实验、专业课程实验、工程项目实训。

电气虚拟仿真实验室的基础课程实验一般采用大作业形式,学生完全自学,如电子电路实验,要求学生在做真实实验前先自行完成虚拟仿真实验,既可以提高实验教学质量,又可以辅助学生的课程学习;

电气虚拟仿真实验室的专业课程实验相对复杂,涉及算法较多;需要学校开设相关的Matlab课程,以辅助各门课程的学习;

电气虚拟仿真实验室的工程项目实训,采用虚实结合的教学模式,进行现场参观和虚拟仿真实训,如利用虚拟仿真变电站培训系统、电力实训项目虚拟仿真软件,引导工业控制方向学生进行现场实习、工程项目实训、虚拟仿真实训项目训练等。

电气虚拟仿真实验室建课程资源

2.3 虚拟仿真考核系统

虚拟仿真考核系统对学生的实验情况和知识掌握情况进行反馈,能够记录学生具体的知识盲点,同时对操作过程中的不规范行为进行指正,可以大大提高教师考核实验的速度;

电气虚拟仿真实验室虚拟仿真考核系统

2.4 计算机系统软件

计算机系统软件是为了让虚拟仿真教学软件正常运转的软件,如操作

系统Win10、数据库软件、防火墙、图形处理融合软件、动作捕捉软件等。

3. 管理建设

管理建设包括电气虚拟仿真实验室的项目申报建设、教学体系建设、师资团队建设以及评价机制建设。

3.1 项目申报建设

电气虚拟仿真实验室建设由学校职能部门集中管理,以保证后期的持续发展和有限资源的协调共享以及资源的最大化利用,但具体到各门课程的虚拟仿真资源建设和项目设计则由二级学院与专业教研室完成,项目的申报一定要结合本专业的实际应用情况。项目分为专业必修的实训项目和课外大学生创新训练项目。

3.2 教学体系建设

教学体系的建设以应用为目的,以自主学习加集中实训为特色,坚持基础性与应用性相结合,突出解决具有专业背景的实际问题,根据教学内容以及课程之间的内在联系,构建阶梯式的训练体系,训练的难度和能力目标应是递进式的,训练内容要涵盖专业所需的教学知识点,同时兼顾体现这些知识点的工程应用。

3.3 师资团队建设

师资团队建设方面,要求相关人员同时兼备教学水平与科研水平,要建设核心技术队伍,以带动实验教学团队综合素质的整体提高。要有教学梯队,要制定完整的青年教师培养计划。一定要明确教师岗位和实验室管理人员的职责,制定相应的管理制度以及奖惩制度,保证所开设的项目教师都亲自动手实践过,鼓励教师不断研发新项目,结合社会需求不断更新训练计划,共享教学经验,不断推进团队建设。

3.4 评价机制建设

学校、学院层面都要建立虚拟实验项目申报常态机制,设立实验室创新升级专项基金,定期组织实训项目及训练成果评价;要建立第三方评价机制,跟踪调查毕业生岗位工作情况及建立必要的信息反馈机制,要根据调查结果进一步完善虚拟实训教学过程,以更好地满足工程需求。

电气虚拟仿真实验室

电气工程及自动化虚拟仿真软件不受时空限制,组建成本低,维护成本几乎为零,实践中用到的各种仪器仪表、设备、工具几乎都可以集成在一套软件中,学生可以高效、灵活地组建系统,训练各种仪器、仪表及工具的使用方法,同时可对实训数据进行实时存储、分析,并用可视化的方式呈现。另外,虚拟仿真软件灵活组建项目,且不增加任何成本,同时又能达到工程实际应用的逼真效果,这是传统实验项目几乎无法实现的。可以帮助学生全面理解和掌握专业知识,大大激发学生的学习兴趣,增强学生的学习自信心,为学生由被动学习转变为主动学习提供了一条可行的途径。


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