摘 要：文章分析了能源與動力工程專業(yè)課程及傳統(tǒng)實驗體系的特點及弊端，指出傳統(tǒng)能動類實驗實踐課程種類少、綜合性差、可拓展性不強。結合虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢，以“開放共享性、自主創(chuàng)新性、綜合設計性”的理念為主導，提出了能動類虛擬綜合實驗實踐平臺的構建框架，平臺橫向覆蓋工程熱力學、傳熱學、流體力學三大基礎課程模塊及新能源模塊，縱向采用通關式、層層遞進的操作模式，使學生通過“基礎實驗—拓展實踐—項目設計”各個實踐環(huán)節(jié)的操作，由淺入深地實現(xiàn)基本實驗能力的加強、自主實踐創(chuàng)新能力的提升以及將多課程知識交叉運用的綜合設計能力的培養(yǎng)。
關鍵詞：虛擬仿真實驗;能源動力;實踐教學改革;創(chuàng)新實踐
為了提高高等教育的質量，培養(yǎng)具有寬厚、復合、開放、創(chuàng)新特征的高水平、高素質人才，我國做出了“雙一流”建設的戰(zhàn)略決策，同時出臺了一系列相關的重要文件[1]。《國家中長期教育改革和發(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)觀念，注重啟發(fā)式、探究式教學，這無疑對高等教育的實踐教學環(huán)節(jié)提出了更高的要求[2-3]。根據《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》等相關要求，教育部辦公廳頒布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，指出將現(xiàn)代信息技術與實驗教學深度融合，要不斷加強高等教育實驗教學優(yōu)質資源建設與應用，在高等學校開展示范性虛擬仿真實驗(以下簡稱“虛擬實驗”)教學項目建設工作，提高高等教育的實驗教學質量與水平。自2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學的相關工作以來，已先后批準建設了300多所國家級虛擬仿真實驗教學中心[4-6]。
一、虛擬綜合實踐平臺建設必要性
1.能源與動力工程專業(yè)實驗特點
能源與動力工程專業(yè)(簡稱“能動專業(yè)”)涵蓋熱能工程、動力工程、制冷技術及熱工控制等多個專業(yè)方向，既包括與傳統(tǒng)能源利用相關的技術、設備及系統(tǒng)，又包括與現(xiàn)代能源利用相關的新能源技術、智慧能源技術，知識面廣、綜合性強、基礎課程理論性強。
專業(yè)特點決定了能動類實驗課程數量大、種類多，在實際操作過程中存在以下特點及弊端[7-8]：①操作工質多樣，包括氮氣、氧氣、空氣、水蒸氣、燃氣及多種氣體的混合氣體，有的有毒，有的易燃易爆;工質參數范圍較廣，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，實際實驗中很難達到這些參數，即使能夠實現(xiàn)，操作過程中也存在人身及設備安全隱患。上述特點決定了能動類實物實驗只能局限于采用某些介質在某些特定參數下進行，學生很少有機會接觸到與實際工業(yè)應用相關的高溫、高壓、高轉速、易燃易爆等工況。②能動類實驗多為多設備組成的系統(tǒng)性實驗，且一般設備體積比較大、價格昂貴，前期投入大，后期維護費用高，經費和場地限制了實驗內容的拓展。③學生課程數量多，其時間和精力使實驗時間的安排成為難題。受時空限制，實驗教師很難在有限的時間內細致地指導大批學生進行實驗，且?guī)熒硬粔虺浞郑碚撜n程與實驗課程脫節(jié)的現(xiàn)象時有發(fā)生。④目前能動類實驗大多局限在基礎實驗，實驗設備、實驗系統(tǒng)及實驗步驟相對固定，學生不能實現(xiàn)實驗的自主設計與搭建，實驗過程比較被動;同時實驗內容往往是驗證性的，各個學科之間相互獨立，缺乏交叉性和綜合性。
2.虛擬實驗教學的優(yōu)點
虛擬仿真實驗教學是當前各大高校產學結合的新形式，旨在利用虛擬現(xiàn)實技術模擬真實的操作環(huán)境，使學生可以在高度逼真的仿真環(huán)境下模擬實驗操作，以獲得與真實操作環(huán)境接近的實驗體驗。從某種意義上來說，虛擬仿真實驗可以代替部分真實實驗。
利用該方式開展實驗教學有以上優(yōu)點[9-11]：①突破時空限制。學生不僅可以根據自身情況隨時隨地進行實驗，還可以多次反復實驗，靈活的實驗方式可以最大限度地滿足學生的各種需求。②豐富實驗種類。虛擬現(xiàn)實可以實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗因為空間有限、經費緊張、危險性高所不能實現(xiàn)的實驗。③增加高溫、高壓等高危實驗的安全系數及可操作性。傳統(tǒng)教學中，高危實驗多以視頻、講解等方式呈現(xiàn)，學生可操作性低，虛擬實驗可以提供安全的實驗手段，反復實驗之余以直觀的方式呈現(xiàn)錯誤操作造成的后果，有助于加強學生實驗操作的正確性，培養(yǎng)其嚴謹的科學態(tài)度。④增加實驗的開放共享性。借助于互聯(lián)網技術，虛擬實驗有利于實現(xiàn)各實驗資源的開放、共享，減少各校實驗項目的重復建設。⑤有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。傳統(tǒng)實驗教學多以教師為主，由教師講解相對固定的實驗步驟，然后學生根據講解進行實驗，靈活性差。虛擬實驗可以將實驗內容、實驗設備模塊化，學生不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的實驗操作，同時還可以對實驗模塊進行各種組合，實現(xiàn)實驗的自主設計、分析，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。
3.能動類虛擬實驗開發(fā)現(xiàn)狀
在國家政策的推動下，各大院校近年來都做了大量虛擬實驗開發(fā)的相關工作，綜合來看，能動類虛擬實驗的開發(fā)主要有兩大類，多數為仿真操作演示型，主要針對一些大型系統(tǒng)的仿真操作及大型設備的結構認知拆裝，如發(fā)電廠、風力發(fā)電系統(tǒng)、制冷壓縮機拆裝等仿真教學;少數為理論驗證型，如氣體燃燒本生燈實驗、CO2臨界狀態(tài)及PVT關系測定、噴管特性等。但是，所有的實踐創(chuàng)新均來源于扎實的理論基礎，除了仿真操作類實驗，理論型實驗建設更應該加強，這樣學生在實踐操作中才能不流于表面，做到對所學知識知其然知其所以然，才能進行更高層次的開拓創(chuàng)新。
總體來說，我國虛擬實驗尤其是能動專業(yè)的虛擬實驗開發(fā)研究工作目前還處于初步階段，知識覆蓋面還不夠廣，某些已經開發(fā)的虛擬仿真實驗各自獨立，無法共享，且訪問量不高，因此在一定程度上存在重復性的開發(fā)及資源浪費的問題[12]。
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