摘要: 根據(jù)電氣工程中高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)實驗課程具有高危險和無法重復(fù)性等特點，構(gòu)建高電壓與絕緣技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)項目，設(shè)計虛擬仿真實驗課程結(jié)構(gòu)．給出了虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容方法，包括交流高壓、直流高壓、局部放電測量等實驗?zāi)K，探討了虛擬實驗在線智慧教學(xué)方式．通過實際應(yīng)用，加深了學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解，有效提高了學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力．
基金： 黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目（SJGY20180198） ,
關(guān)鍵詞: 高電壓與絕緣技術(shù),虛擬仿真,智慧教學(xué)方式,
電氣工程專業(yè)方向中高電壓與絕緣技術(shù)方向?qū)嶒灲虒W(xué)內(nèi)容具有非常明顯的特征，即電氣測試設(shè)備復(fù)雜程度較高，高電壓實驗室建設(shè)技術(shù)要求高，實驗過程中常常需加高壓測試，這些課程實驗危險性高，且部分實驗數(shù)據(jù)無法重復(fù)．因此，高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)課程實驗教學(xué)中急需新的教學(xué)方法來解決這些問題．隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷地發(fā)展，虛擬實驗在教學(xué)中的輔助地位逐漸增強(qiáng)[1-3]．目前，很多高校已經(jīng)構(gòu)建了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺[4-6]，但是針對工程性較強(qiáng)的高電壓虛擬仿真實驗教學(xué)項目仍舊不多，虛擬實驗教學(xué)中智慧指導(dǎo)管理方法需進(jìn)一步探索[7-10]．由于高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)實驗往往更注重工程能力的培養(yǎng)，其虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)在高校新型信息化教學(xué)和企業(yè)員工遠(yuǎn)程培訓(xùn)過程中都將發(fā)揮重要的作用．
電力能源是國家發(fā)展的大動脈，特高電壓技術(shù)是我國智能電網(wǎng)建設(shè)的核心技術(shù)之一．為防止電氣設(shè)備在投入運行時或運行中發(fā)生事故，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備中潛在的缺陷，需要對電力設(shè)備進(jìn)行高電壓實驗．
由于高電壓實驗危險性大，所需設(shè)備價格較為昂貴、操作復(fù)雜、占地面積大等因素存在，限制了對學(xué)生的培養(yǎng)．該方向相關(guān)虛擬仿真實驗建設(shè)，增加了學(xué)生培訓(xùn)的機(jī)會，增多了操作相關(guān)設(shè)備的實際訓(xùn)練，有效地擴(kuò)大了學(xué)生能力的培養(yǎng)范圍．
在高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)實驗中，學(xué)生培訓(xùn)很多采用大型設(shè)備和儀器進(jìn)行，由于大型實驗設(shè)備數(shù)量的限制，無法允許學(xué)生獨立操作學(xué)習(xí)．這一因素導(dǎo)致學(xué)生實踐能力訓(xùn)練有部分缺失，學(xué)生工作后無法快速進(jìn)入工作狀態(tài)．因此，建立該專業(yè)虛擬仿真實驗，為學(xué)生增加了因各種原因無法開展的實驗項目，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力．
由于高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)中部分實驗的實驗結(jié)果具有不可重復(fù)性的特點，實驗受外界干擾影響較大，測試環(huán)境要求高，難以保證每個學(xué)生都能體驗全部實驗過程．導(dǎo)致學(xué)生動手能力普遍較差，創(chuàng)新能力得不到很好地培養(yǎng)和挖掘，對學(xué)生和企業(yè)培訓(xùn)人員的相應(yīng)測試技術(shù)無法有充足的實驗條件進(jìn)行培訓(xùn)．設(shè)計高電壓與絕緣技術(shù)虛擬仿真實驗在線教學(xué)平臺，可以在保證安全的前提下，增加學(xué)生操作次數(shù)，有效地提高教學(xué)效率．
高電壓與絕緣技術(shù)虛擬仿真實驗項目教學(xué)實施過程中，首先需建立虛擬仿真實驗教學(xué)課程結(jié)構(gòu)，然后針對相關(guān)知識點設(shè)計對應(yīng)的虛擬實驗項目內(nèi)容，最后還需制定合理的教學(xué)計劃和教學(xué)方法，最終形成多元、立體、有效的高電壓與絕緣技術(shù)虛擬實驗教學(xué)課程．
根據(jù)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)實際情況，新型的高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)課程結(jié)構(gòu)見圖1．高電壓虛擬仿真實驗項目涵蓋多門高電壓專業(yè)課程，涉及到的實驗?zāi)K內(nèi)容有沿面放電實驗、局部放電實驗、不同電介質(zhì)的擊穿實驗、高壓直流擊穿實驗、紋波系數(shù)測量、標(biāo)準(zhǔn)雷電波形調(diào)節(jié)與測量等內(nèi)容．
每個專業(yè)課程中實際操作實驗和虛擬仿真實驗學(xué)時比例應(yīng)適當(dāng)，虛擬仿真實驗在整體的實驗課程中所占比例可設(shè)為25%以上，同時虛擬仿真實驗不應(yīng)完全獨立，可采取同一實驗項目虛實同時存在的方式，利用多種智能教學(xué)手段來構(gòu)建新型虛擬實驗教學(xué)體系．
根據(jù)高電壓與絕緣技術(shù)教學(xué)大綱的要求，設(shè)計的虛擬仿真實驗教學(xué)項目較全面地介紹了高電壓產(chǎn)生機(jī)理及測量方法，且選擇的虛擬仿真實驗教學(xué)模塊包含高電壓專業(yè)多門課程中的必備知識點，具體實驗?zāi)K內(nèi)容包括：
該模塊包括通過在工頻電壓形式下，對不同電極結(jié)構(gòu)，如板板電極、針板電極在空氣中的放電實驗，指導(dǎo)學(xué)生對不同電場下的放電規(guī)律有直觀的認(rèn)識；高壓實驗變壓器、調(diào)壓器及其附屬設(shè)備的接線與操作；正確使用測量球隙和測量線圈電壓表測量工頻高電壓．在局部放電測量虛擬仿真實驗中要求學(xué)生了解局部放電測量的干擾源和抗干擾技術(shù)，局部放電脈沖電流法所用設(shè)備及其實驗方法原理，局部放電測試系統(tǒng)的分度校準(zhǔn)方法，絕緣內(nèi)部局部放電的表征參數(shù)測量方法，觀察基本的絕緣內(nèi)部局部放電波形等．
模塊中涉及到的知識點有直流高電壓串級發(fā)生器的工作原理、接線與操作使用方法，測量直流高電壓和電壓脈動幅值的方法，測量泄漏電流的方法．
該模塊選擇雙邊充電高效率回路沖擊電壓發(fā)生器作為虛擬實驗設(shè)備，包含沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與操作方法，沖擊電壓的測量方法，沖擊電壓全波、截波波形的調(diào)節(jié)方法，沖擊電壓發(fā)生器使用效率的測量方法．虛擬設(shè)備見圖2.
高電壓虛擬仿真實驗教學(xué)過程中，教師需先設(shè)計虛擬實驗教學(xué)計劃，展開線下教學(xué)內(nèi)容．在線上學(xué)習(xí)進(jìn)程中，教師和學(xué)生通過在線交流對話框或者網(wǎng)絡(luò)交友軟件完成答疑教學(xué)過程，同時，學(xué)生也可采用分組討論等方式相互溝通．當(dāng)學(xué)生完成實驗提交學(xué)習(xí)信息后，由教師根據(jù)項目平臺獲取的學(xué)生學(xué)習(xí)信息給出學(xué)生的報告成績，最終完成高電壓與絕緣技術(shù)虛擬實驗教學(xué)．
指導(dǎo)方式包括實時操作智能指導(dǎo)和智能考核．在實時操作智能指導(dǎo)中，設(shè)置成多進(jìn)程并發(fā)指導(dǎo)方式，即操作步驟根據(jù)學(xué)生思維提供正確操作提示，而不是要求學(xué)生按照單一步驟流程學(xué)習(xí)．智能考核中，考核內(nèi)容不僅包括獨立完成實驗操作，還包括多重知識點掌握情況考核，形成多元考核機(jī)制．
高電壓與絕緣技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)在線智慧教學(xué)方式包含4個方面，即學(xué)生身份認(rèn)證、教學(xué)過程管控、學(xué)習(xí)興趣激勵方式和考核方式的實現(xiàn)（見圖3).
在線教學(xué)由于采用遠(yuǎn)程教學(xué)方式，首先教師需認(rèn)證學(xué)生的真實身份，學(xué)生身份認(rèn)證采用2種方式，一是學(xué)生學(xué)習(xí)之前采用已登記錄入的學(xué)號進(jìn)入平臺，二是要通過人臉識別技術(shù)認(rèn)證在線實驗及實驗學(xué)習(xí)過程是否由學(xué)生本人操作．通過2種方式確保在線教學(xué)過程中學(xué)生身份．
在線虛擬實驗教學(xué)過程中，要掌握學(xué)生操作過程中的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)成效，包括學(xué)習(xí)時間、實驗操作掌握情況和實驗數(shù)據(jù)獲取分析情況．因此，需采集學(xué)生各實驗子項目操作的開始時間和結(jié)束時間，獲取學(xué)生完成每項教學(xué)任務(wù)的時間；采集操作過程中每一步正確完成的次數(shù)；采集學(xué)生實驗數(shù)據(jù)，獲取最終實驗數(shù)據(jù)的時間．利用獲取的這些信息，通過智能在線管控方式掌握學(xué)生虛擬實驗過程任務(wù)的完成情況．
在線虛擬仿真實驗教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生操作過程管控信息設(shè)定學(xué)生考核加分機(jī)制．利用學(xué)生完成各項實驗內(nèi)容的準(zhǔn)確性設(shè)定加分基礎(chǔ)分?jǐn)?shù)線，根據(jù)比例給出加分激勵；設(shè)定實驗完成時間加分基礎(chǔ)時間和學(xué)生虛擬實驗具體步驟完成時間，據(jù)此給出加分激勵．通過加分激勵，加強(qiáng)學(xué)生完成虛擬實驗的認(rèn)真程度，增加學(xué)生觀察能力、動手能力的訓(xùn)練．
在線虛擬仿真實驗完成后，需給出學(xué)生的虛擬仿真實驗成績，考核最終結(jié)果通過設(shè)定模塊占比給出．考核模塊包含4個主要模塊：預(yù)習(xí)成績、操作成績、實驗結(jié)果成績和實驗報告成績．4個模塊根據(jù)課程任務(wù)需要設(shè)定不同的占比，通過占比自動計算，獲得學(xué)生虛擬仿真實驗最終成績．
另外，可利用目前計算機(jī)和控制技術(shù)，設(shè)置在線教學(xué)智慧指導(dǎo)教師合成人．由任課教師提供實驗過程中相關(guān)知識點形成數(shù)據(jù)庫；通過語音或文字等信息進(jìn)行學(xué)生疑問信息獲取；形成多模式的交互方式，如自動提示問題答案，自動顯示操作流程等．智能指導(dǎo)教師合成人的加入，將有助于學(xué)生虛擬仿真實驗自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，降低教師勞動強(qiáng)度．
根據(jù)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)的特點，為其專業(yè)學(xué)生和行業(yè)培訓(xùn)人員建設(shè)了高電壓虛擬仿真實驗教學(xué)項目．給出了虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容方法，包括交流高壓、直流高壓、局部放電測量等實驗?zāi)K．探討了高電壓與絕緣技術(shù)在線虛擬智慧教學(xué)方式．通過實際應(yīng)用，從基礎(chǔ)性操作、綜合性操作、復(fù)雜性操作等方面，提高學(xué)生分析實際復(fù)雜工程問題的能力，使學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)管理能力，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．同時，項目也為建立具有共享特點的信息化智能教育平臺提供基礎(chǔ)．
