由西安交通大学申报的《火电厂热力系统VR认知及瞬态过程能耗特性仿真实验》获得首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程认定。本课程由象新力提供技术支持，该课程基于科研与教学相长的思路，以虚拟现实、仿真的形式再现了火电厂的生产流程、主要设备的工作原理、热力系统建模、瞬态过程能耗特性变化情况，聚焦国民经济主战场，培养适应行业发展的急需人才。


       2021年，西安交通大学推荐该课程参与联盟“双百计划”，因课程设计具有突出特色，被评为“虚拟仿真实验教学创新联盟2021年度实验教学应用示范课程”。

       一、课程内容简介

       1.课程开设背景

       在“30•60”双碳目标背景下，我国的电力生产结构逐步从火力发电为主体转变为以火力发电为基础，风能、太阳能、水能等可再生能源互补的结构。火力发电将更多承担消纳新能源的调峰任务，其运行将呈现大幅度频繁变工况的特征，即长时间处于变负荷瞬态过程中，其瞬态过程的能耗特性将是电力行业实现深层次节能减碳的关键。对于高校而言，培养掌握火电机组瞬态过程能耗特性等适应行业实际需求的人才尤为重要。


      火电机组具有高温高压高速特性，导致其实体实验平台建设成本高、实验安全性保障难。并且，电厂系统繁杂庞大，物理现象复杂，且各过程相互影响，无法进行单影响因素的实体瞬态实验。为解决上述问题，结合高等教育人才培养目标，基于“学生为本、科教融合、能力导向、立德树人”的教学理念，充分利用现代化教育技术，依托西安交通大学核电厂与火电厂系统国家级虚拟仿真实验教学中心建设了本虚拟仿真实验课程。

       2.课程内容

       课程内容包括火电厂热力系统VR认知、瞬态过程能耗特性仿真两部分。VR认知环节包括火电厂场景漫游、生产过程介绍、设备原理学习等内容，使学生熟悉火电厂的生产流程、火电厂主要热力设备如锅炉、汽轮机及热力系统的工作原理等；瞬态过程能耗特性仿真环节包括锅炉、汽轮机、控制系统模型建立、稳态校核、系统耦合、瞬态过程仿真等内容，使学生掌握火电厂热力系统、控制系统仿真建模方法、火电厂热力系统瞬态过程能耗特性等。

图1 实验课程资源在线版本主界面

       二、课程建设特色与创新点

       1.课程内容先进，服务国民经济主战场

       课程依托的西安交通大学动力工程及工程热物理学科是国家一级重点学科、A+学科、双一流建设学科，科研优势显著。针对我国双碳目标节能减碳需求，在两期“973计划”项目、国家自然科学基金重点项目等研究中，率先将热力系统节能由稳态工况发展至瞬态过程，提出了通过热力系统、热工过程与热工控制优化匹配实现瞬态过程节能的方法，实现了发电机组灵活高效的协同。基于科教相长的思路，将最新的科研成果转化为教学资源，且教学内容动态更新，服务国民经济主战场。

图2 火电厂热力系统瞬态过程能耗特性仿真实验界面

       2.教学方法丰富，激发学生兴趣，提升教学效果

       课程为创新性、综合性、开放性课程，教学方式包括课堂理论讲授、VR认知、瞬态过程能耗特性仿真环节，对于不同的教学内容采用针对性的教学方法。在VR认知环节，采用自主式的教学方法，学生根据自己的兴趣与需要，在火电厂三维虚拟现实仿真平台进行场景漫游和学习主要设备工作原理、结构等；在瞬态过程能耗特性仿真环节，在模型建立、稳态校核、系统耦合等步骤中，由学生与指导老师开展互动式、研讨式交流从而完成相关过程；对于自主式教学方法，由学生自主探索仿真机组热力系统在不同运行方式、控制策略下的运行过程，并获得具体的瞬态过程能耗特性。通过多样的教学方式、多元的教学方法，激发学生兴趣并主动参与教学过程，教学效果得到实质性提升。

图3 火电厂全厂场景漫游界面

       3.课程思政融合，坚定学生科技报国的理想信念

       在VR认知环节的课堂教学中，通过梳理电力行业典型技术发展历程，提炼发达国家对我国实施双重标准、技术倾轧、技术封锁等行为，使学生深刻体会到“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”；对比分析目前我国电力行业在世界中的地位，提高学生“四个自信”，衷心感受到我国社会主义制度的优越性；在瞬态过程能耗特性仿真环节，着重介绍瞬态过程节能对于我国双碳目标的重要性，引导学生意识到自己所学知识对于国家重大战略的重要意义，激发学生学习的激情，坚定学生科技报国的理想信念。

       4.评价体系全面，促进虚拟仿真实验可持续发展

       根据虚拟仿真实验教学过程要素，本课程构建了包含虚拟仿真平台建设效果、教师教学效果、学生学习效果等三个一级指标，以及进一步细化的平台设计等九个二级指标的评价指标体系，建立了过程性评价与总结性评价相结合、定性评价与定量评价相结合的多样化评价方式的指标权重计算方法，实现了面向虚拟仿真课程的全面、科学、操作性强的考核评价，为课程的可持续发展提供了依据。

       三、课程应用成效

       本课程经过4年多的建设、改进与实践，共开发了三个版本的教学资源，包括WEB版本、PC版本以及VR版本。其中WEB版本在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台等网站免费共享，供校外用户和部分校内用户使用， PC版本和VR版本则用于校内实践教学、开放实验以及参观等活动。具体情况如下：

       1.校内应用情况

       本课程已经全面应用于西安交通大学能源动力类专业课程实验、开放实验、认知实习、专业实习、课程设计、毕业设计等实践教学中，其中《热力发电厂》课程实验10学时、《自动控制原理》课程实验4学时、认知实习4学时、专业实习2周左右，每年覆盖能源与动力工程、新能源科学与工程、核工程与核技术、环境工程等专业的学生500余人，取得了很好的教学效果，达到课程设计的目的。

       2.校外应用情况

       本课程已在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台、核电厂与火电厂系统虚拟仿真实验教学中心官方网站等免费共享，截止到2022年7月，实验浏览量为19700余次，网站浏览量超过41000人次。


       此外，课程还得到了国内同行的大量关注，浙江大学、哈尔滨工业大学、空军工程大学、苏州大学、天津中德应用技术大学、上海工程技术大学、榆林学院、山东京博集团、湖南电科院等单位均来我校开展过调研交流，对虚拟仿真教学内容给予了很高的评价。本实验课程也多次服务于大学生夏令营、校园开放日、实验室开放日等活动。


       综合来看，本课程已经广泛应用于西安交通大学能源动力类专业学生的实践教学中，有效提升了学生的创新实践能力，应用成果辐射效果明显，受到国内外同类高校的认可和借鉴。以本课程作为成果之一的“虚拟仿真在能源动力类创新型人才培养中的探索与实践”项目获得陕西省2021年高等教育教学成果特等奖。


       课程负责人及团队成员：

       课程负责人：严俊杰，西安交通大学能动学院院长、教授，核电厂与火电厂系统国家级虚拟仿真实验教学中心主任，主要研究方向为能源系统优化与控制、汽液两相流等。

       课程团队主要成员：王进仕 种道彤 陈伟雄 刘明 刘继平 韩小渠 赵全斌 徐彤彤 陈娜娜 王桂芳

       来源：虚拟仿真实验教学创新联盟