电力电子虚拟仿真解决方案


基于NI平台的电力电子

虚拟仿真远程实验实验系统解决方案

一 国家虚拟仿真建设背景

       为贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作会议精神,根据《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》和《2018年教育信息化工作要点》等相关要求,深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合,不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用,着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平,经研究,决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上,于2017-2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。

  1.1、建设目标

      紧紧围绕立德树人根本任务,适应经济社会快速发展对人才培养的新要求、现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律,以提高学生实践能力和创新精神为核心,以现代信息技术为依托,以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向,以完整的实验教学项目为基础,建设示范性虚拟仿真实验教学项目,推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式,形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系,支撑高等教育教学质量全面提高。

  1.2、建设内容

  实验教学项目作为高校开展实验教学的基本单元,其建设水平直接决定实验教学的整体质量。开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设,是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。示范性虚拟仿真实验教学项目应具有:

  (一)以学生为中心的实验教学理念

  坚持一切从学生的需求出发,注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养,注重知识传授、能力培养、素质提高的协同实施,调动学生参与实验教学的积极性和主动性,激发学生的学习兴趣和潜能,增强学生创新创造能力。

  (二)准确适宜的实验教学内容

  坚持问题导向,重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难,涉及高危或极端环境,高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题,能实不需,坚持需求导向,紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求,紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果,紧密结合学校定位和人才培养特点,采用现代信息技术,研发原理准确、内容紧凑、时长合理、难度适宜的虚拟仿真实验教学项目。

  (三)创新多样的教学方式方法

  始终关注信息化时代背景下学生需求,重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学,倡导自主式、合作式、探究式学习。创新实验教学项目资源呈现方式,注重通过文字、图片、视频等各种媒介促进教学准备、线上讨论、线下交流。加强网络化条件下实验教学规律研究,探索提升实验教学效果的方式方法。

  (四)先进可靠的实验研发技术

  虚拟仿真实验教学项目的研发要以完成教学要求和内容为目标,综合应用多媒体、虚实结合、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段,提高实验教学项目的吸引力和教学有效度。加强相关技术可靠性研究,注重对学生使用虚拟仿真实验教学项目的全方位、多层次防护,切实保障学生健康。

  (五)稳定安全的开放运行模式

  充分考虑不同区域、不同层次、不同类型学生接入实验教学项目的运行需求,搭建具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性的虚拟仿真实验教学项目运行平台。注重对相关实验教学项目自有或共有知识产权的保护,注重对学生个人信息等的保护,严格遵守我国教育、知识产权、互联网等相关法律法规,按照“谁开发、谁负责,谁使用、谁负责”的原则确定基本安全责任。积极探索在线虚拟仿真实验教学项目可持续运行的有效模式。

  (六)敬业专业的实验教学队伍

  重视实验教学队伍建设,围绕虚拟仿真实验教学项目建设运行,建设师德高尚、热爱教学、知识丰富、能力过硬、结构合理的虚拟仿真实验教学团队。健全完善实验教学队伍考核、奖励、监督机制,鼓励和支持教师参与虚拟仿真实验教学项目研发和教学实践。

  (七)持续改进的实验评价体系

  将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业培养方案和教学课程,制订相关教学效果评价办法。根据学生和教师反馈,持续改进相关教学评价机制。鼓励高校探索有利于虚拟仿真实验教学项目开放共享的教学绩效激励机制,建立高校间相关实验教学项目成绩互认、学分转换机制。

  (八)显著示范的实验教学效果

  虚拟仿真实验教学效果显著,受益面大,学生实验兴趣浓厚,自主学习能力明显增强,实践创新能力明显提高。通过开展在线教学服务或技术支持等,积极发挥对专业类内实验教学信息化建设的示范引领作用。

1.3具体申报注意事项

  1.申报的虚拟仿真实验教学项目应为高校开展实验教学的基本单元,符合国家虚拟仿真实验教学项目的要求。

  2.申报的虚拟仿真实验教学项目应坚持“能实不虚”,支撑学生综合能力培养,至少满足2个课时的实验教学需求,学生实际参与的交互性实际实验操作步骤须不少于10步。

  3.申报的虚拟仿真实验教学项目应确保符合相关知识产权法律法规,可以完全对外公开服务。

  4.申报的虚拟仿真实验教学项目有效链接网址应直接指向实验项目,且保持链接畅通;应确保所承诺的并发数以内网络实验请求及时响应和对超过并发数的实验请求提供排队提示服务。

2. 虚拟仿真实验室建设规划

电气虚拟仿真教学中心建立的目的在于更好地服务学院在自动化、电子信息工程、测控技术与仪器、电气工程、电子信息科学与技术等专业的基础学科的教学,科研创新及产业化服务的方面的工作,促进产、学、研一体的学科体系建设。因此,仿真实验室需具备下述的功能:

1)构建管理方便、功能强大的网络信息平台,帮助教师进行教学实验的课程安排与管理,优化实验室资源分配,打破学生进行课程实验时时间和空间上的限制。

2)采用先进的软硬件技术,应用通用的平台以方便实验室后期更具经济性地升级与更新,应用使用方便、拓展性强的软件技术,方便老师构建创新应用与设计,拓展实验和教学的灵活性;也为实验学生创造安全易用、方便操作的实验环境,提高实验教学的趣味性与教学效果。

3)密切支持学院课程体系的建设,包括基本的电路与电子技术、电机与拖动基础、电力电子系统控制系统,等在能源与电力行业中普遍应用的成熟技术,覆盖学生从知识点到知识面的需求。同时,也为老师进行学科知识融合、开展课程设计提供资源。

4)便于教学与研究应用的扩展,紧密结合教学与科研,将科研理念、文化、成果以及方法融入实验教学,提高学生的科学研究和科技创新能力,同时实现专业实验与科学研究、工程实际、社会应用相结合的目标。

4.1 实验室整体架构

电气虚拟仿真实验室使用客户端和服务端相结合的结构,学生可以从内网访问实验室,也可以从外网终端进行访问,完成实验内容;授课教师通过教师终端进行实验课程的发布、收集学生实验报告、集中答疑等; 实验室管理员通过管理终端对实验设备和学生预约情况进行管理,维护整个实验系统运行。与实验室仿真设备相连接的内网通过云互联技术与外网进行数据交互,系统的硬件架构如下图所示:


虚拟仿真教学实验室由如下功能部分组成:

实验室网站管理:为实验室管理员、教师和学生提供实验室器材管理、学生信息管理、远程控制、课程预约发布等功能;

预约管理系统:使用预约的方式来协调实验室器材、仿真实验仪器设备的使用,并由实验室管理员统一进行管理;

远程登录实验功能:通过把远程登录实验室内仿真实验仪器的功能集成到web端,用户可以在系统的帮助下在预约的时间段通过网站页面远程登录、控制实时仿真实验仪器,进行实验并获取实验数据

实时仿真实验仪器:仪器由数字DSP控制器与FPGA实时仿真器组成,DSP控制器实现控制算法,仿真器模拟被控对象的响应。学生可以在控制端和对象端进行自主操作和实验设计,实时性强,适合综合型、创新型实验的开展。该实验方式的内容和组成会在下一节详细介绍。




4.2 实验室网络管理功能简介

实验室网站作为虚拟仿真实验中心的门户,主要有实验室信息管理、用户信息管理、实验室器材预约管理、虚拟仿真实验管理四大功能模块。

4.2.1 实验室信息管理

实验中心介绍、设备展示、实验介绍、实验室课程发布、信息数据的管理功能,管理员可后台自主更新(添加、删除、修改等)。实验室信息、实验器材信息、实验课程信息可在后台进行管理和发布,也可以推荐到指定页面。

4.2.2 用户信息管理

如果需要通过实验室网站进行仪器设备的预约使用、虚拟仿真实验在线预约以及登录实验,需要通过注册功能成为实验用户才能进行申请。同时,管理员能够在后台进行用户信息、账户密码、查询删除、发送站内信等信息管理的功能。


4.2.3 实验预约管理

管理员将实验室拥有的实验仪器设备资源进行整合、分类和编号,并通过网站信息管理的功能发布到实验室网页上。注册用户可以浏览实验室仪器设备情况,并可以提交预约使用申请。管理员可以审核、处理预约请求并完成实验器材的使用分配,并通过实验设备管理系统将使用和预约情况反馈给申请的用户。


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