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摘要：随着科学技术的不断发展，为了满足社会对能源方向人才的需求，河海大学能源与动力工程实验室根据专业特点，以培养创新性实践人才为目标，拟建设一个专业性的多功能仿真实验室，并对建设方案的构思及其方法进行了详细阐述。能源与动力工程专业仿真实验室最终将建设成为具有教学、科研和创新型的多功能实验室。
关键词：能源与动力专业；仿真实验室；教学改革
中图分类号：G482 ； ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ； ；文章编号：1007-0079（2014）18-0082-02
河海大学能源与动力工程专业（原热能与动力专业）始建于1986年，经过近二十年的发展，该学科已经形成了电厂热能动力工程、制冷与暖通空调和新能源与可再生能源三个方向的培养体系，同时该专业已建成热工基础、制冷空调节能、强化传热节能、流体力学、太阳能光伏与光热、电厂仿真等多个实验室。但是随着科学技术的发展以及能源结构的不断更新，现有实验室存在的问题制约了专业的发展，实验教学改革势在必行。
一、实验室存在的问题
1.实验设备老化损坏
由于能源设备的不断更新，现有的实验设备明显落后于市场设备，并且设备经常在高温、高压和潮湿的环境下运行，极易老化损坏。日常大量实验室经费用于现有实验设备的维护，实验室新增设备经费不足，设备鲜有更新。
2.实验设备价格昂贵，占地面积大，操作要求高
许多热能设备成本很高，体积庞大，并且属于高温高压工作的压力容器，不适宜现场观察和操作，有碍于专业课程理论学习和运行操作的实践。
3.实验时间过长
由于能源与动力工程专业的实验往往涉及到加热、冷却等一系列的过程，采集数据需要等待比较长的时间，学生往往会不等实验系统稳定就记录实验数据，甚至伪造数据，造成实验教学效果不理想。
4.实验过程很难培养学生的设计创新能力
能源与动力工程专业的实验项目主要是以验证性实验为主，实验教师讲解，学生按部就班的操作，综合性和设计性实验较少，大大限制了学生自主能力和创新设计能力的培养，不利于发挥学生的主观能动性，因此必须转变传统的实验教学思想和教育观念，使学生有充分参与和动手的机会，积极培养学生的实验研究和创新设计能力，强化分析问题和解决问题的能力。
二、仿真技术的概述
仿真技术在工科教育特别是在实验室教学中发挥着至关重要的作用。早在1928年，科学家艾德温·林克就研制出了飞行训练器，用来培训新飞行员，该训练器被认为是最早的仿真器材，并且在二战期间发挥了重要作用。[3]如今，仿真技术已成为人类认识与改造客观世界的重要方法，在关系国家实力和安全的关键领域，如航空航天、生物制药、石油化工、核能等领域，发挥着不可或缺的作用。[4]仿真技术研究的重要性早已被国外的研究机构所重视，据不完全统计，美国、加拿大等十余个发达国家中，有三十余所高校和研究所从事建模与仿真方面的研究，有五所高校专门成立了仿真方面的实验室，并且有六所大学授予建模与仿真学科的学位。[1]近十年来，我国的仿真技术也已取得了长足的进步，培养了一大批仿真科学技术学科的人才。据不完全统计，我国重点大学研究生中有近30%的学生从事与仿真技术相关的工作，这说明仿真技术在国内的发展已日趋成熟。
三、能源与动力工程专业仿真实验室
仿真实验室是虚拟现实技术应用研究中的重要载体，高校教育者很早就发现这种技术对于教学和科研具有极大的吸引力，它不仅具有极好的可移植性，同时也具有利用率高、易维护等诸多优点。河海大学能源与动力工程专业实验室根据专业特点，拟建设一个可容纳25人以上的计算机仿真机房，并从众多商用仿真软件中挑选出适合能源与动力工程专业本科生学习和使用的软件，以供广大学生进行学习和实践。
仿真机房软件的选取主要是从专业课程实物仿真和数值模拟分析两个方面考虑。
1.实物仿真
专业课程实物仿真主要是对仿真实物进行操作、使用及维修，使学生对课堂理论知识有一个直观的认识，巩固课堂内容，增强学生的动手能力，提高学生分析和解决实际问题的能力，为今后的学习和工作打下基础。例如，曾经做过水轮机发电机设备检修三维可视化仿真设计。软件选用Autodesk公司开发的三维动画渲染和制作软件3D Studio Max，该软件建模功能强大，扩展性好，操作简单，容易上手并且和其他相关软件配合流畅，兼容性、软件模型与动画效果都非常好，能够不经处理就投入使用。通过3D Studio Max制作水轮机发电设备的建模及动画，表现整个设备检修和拆卸过程，可以把书本上比较难懂的要点进行直观演示，这对于能源与动力工程专业学生学习水力发电方面的课程是十分重要的。又如，针对绞吸船疏浚作业流程也进行了三维图形仿真模拟，以荷兰IHC公司Beaver 5014C型绞吸式挖泥船为原形，应用Blender 3D软件完成了船体、绞刀臂和绞刀等部件的三维建模，并搭建了包括天空、水面与海底泥沙面等仿真场景。通过该模型的建立可以改善学生疏浚训练的环境，提高训练效率，[2]同时对于培养他们的协调能力，开拓其视野，丰富其知识结构等方面有着极其重要的作用。再如，对东方锅炉生产的260t/h等级的DG260/9.81-1型循环流化床锅炉进行建模仿真。软件选择SIMUCAD仿真平台系统，该系统是上海帕玛公司开发的构建在一定硬件基础上的工程应用与教学软件包，其软件系统主要包括PIE、BAC、CONBAC等功能软件和系统平台；硬件系统主要包括工程师站、教练站、操作员站的工业控制用计算机及外围辅助设备等。锅炉系统模型包括燃烧室、分离器、回料装置和点火室等部件的模型，通过组态模块的开发和流体网络的搭建，构建整个锅炉侧仿真系统。该系统能实时仿真现场各种操作，各工况参数正确平稳，精度能满足现场要求，可以给学生校外生产实习前提供专门培训，培养其实操能力，变被动为主动，大大地改善了专业实习的教学效果。 2.数值模拟
数值模拟主要是针对能源与动力工程专业的流动和传热等物理现象进行仿真，模拟其复杂的物理过程并得到合理的结果。例如，承担了973计划项目“槽式真空吸热管的传热特性及强化换热研究”中的部分课题，这其中需要对槽式太阳能集热管内流动和传热进行数值模拟，研究中选用FLUENT软件。该软件是美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件，现在已被ANSYS公司收购，但它仍然是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。它使用GAMBIT作为前处理软件，可以进行二维和三维流动与传热分析。课题的仿真对象为康达新能源公司制作的CAMDA-PPT型高温集热管，通过对该集热管进行三维建模，考虑热流密度分布不均匀以及热物理性质对流动传热的影响，对管内流体的流动和换热进行仿真模拟，研究集热管在不同工况下的热力性能情况。通过对类似的实际问题进行分析，利用CFD软件建模仿真，可以弥补专业教学中只强化基本原理讲授而学生解决生产实际问题能力不足的缺陷，同时可以对能源方向的一些新设备、新现象进行建模仿真，并且引导学生将CFD技术应用到大学生科技创新项目中，培养学生分析和解决实际问题的能力，从而提高他们的实践与创新能力。
因此，本着以学生为本的教育教学理念，在已有仿真经验基础上，笔者认为能源与动力工程专业仿真实验室应该建成教学、科研和创新型的新型实验室。在教学上，学生可以将课本上学到的知识通过虚拟实物强化认识，并进行实训操作练习，增加视、听效果。通过设计类似水轮机发电机设备检修三维可视化仿真和绞吸船疏浚作业流程三维图形仿真，灵活处理教材内容，强化实践环节，从而提高学生的学习效率。在科研上，实验室可以接纳优秀的学生进行早期科研。为提高学生运用知识的能力和创新能力，实验室向能源与动力工程专业提供了一批设计性实验题目，如“槽式太阳能集热管内流动和传热数值模拟”，由学生自己根据题目设计实验方案，进行模拟仿真，最后写出报告或者论文。同时提供开放式实验室环境，帮助学生发挥聪明才智和发展个性，激发学生的科研兴趣，学习和掌握科学方法，为以后成为科研性人才打下良好基础。在创新上，可以在熟悉开发环境及原始系统设计的基础上进行二次开发，同时对系统的稳定性进行测试和调试。能源与动力工程专业的学生有一定的编程基础，但是探索软件系统开发过程的能力不足，利用一个有着相当基础、体系稳定、源码开放的并且和专业相关的软件进行实践锻炼，对于学生创新能力的培养是非常重要的。如上文提到的SIMUCAD仿真平台，可以将专业课程中所提及的复杂系统分解为较为简单的子系统，如锅炉运行系统可以分解为风烟系统、燃料供应系统、汽水系统等子系统，学生可以针对各子系统进行二次开发，虽然仍有一定的难度，但是对于学生来说，可以提高编程能力，并且能够熟练掌握各个热力系统的整体结构和工作过程，为以后的学习和工作打下良好的基础。
四、结束语
能源与动力工程专业仿真实验室的建设将进一步改进本专业实验室的布局与结构，形成基础实验与仿真实验项目均衡发展的实验教学体系，对提高学生的创新能力和动手能力，实现素质教育的目标将会起到积极的促进作用。
参考文献：
[1]肖田元，范文慧，杨明，等.仿真科学与技术学科的人才培养与社会需求[J].系统仿真学报，2009，（21）：5281-5288.
[2]张安鸿，倪福生.绞吸船三维图形仿真与变速控制研究[J].系统仿真学报，2010，（22）：1520-1523.
[3]Lyle D.Feisel，Albert J.Rosa. The role of the laboratory in undergraduate engineering education[J].Journal of Engineering Education，2005：94，121-131.
[4]J. Baher. Articulate virtual labs in thermodynamics education： A multiple case study[J].Journal of Engineering Education，1999：88，429-434.
（责任编辑：孙晴）
关键词：能源与动力专业；仿真实验室；教学改革
中图分类号：G482 ； ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ； ；文章编号：1007-0079（2014）18-0082-02
河海大学能源与动力工程专业（原热能与动力专业）始建于1986年，经过近二十年的发展，该学科已经形成了电厂热能动力工程、制冷与暖通空调和新能源与可再生能源三个方向的培养体系，同时该专业已建成热工基础、制冷空调节能、强化传热节能、流体力学、太阳能光伏与光热、电厂仿真等多个实验室。但是随着科学技术的发展以及能源结构的不断更新，现有实验室存在的问题制约了专业的发展，实验教学改革势在必行。
一、实验室存在的问题
1.实验设备老化损坏
由于能源设备的不断更新，现有的实验设备明显落后于市场设备，并且设备经常在高温、高压和潮湿的环境下运行，极易老化损坏。日常大量实验室经费用于现有实验设备的维护，实验室新增设备经费不足，设备鲜有更新。
2.实验设备价格昂贵，占地面积大，操作要求高
许多热能设备成本很高，体积庞大，并且属于高温高压工作的压力容器，不适宜现场观察和操作，有碍于专业课程理论学习和运行操作的实践。
3.实验时间过长
由于能源与动力工程专业的实验往往涉及到加热、冷却等一系列的过程，采集数据需要等待比较长的时间，学生往往会不等实验系统稳定就记录实验数据，甚至伪造数据，造成实验教学效果不理想。
4.实验过程很难培养学生的设计创新能力
能源与动力工程专业的实验项目主要是以验证性实验为主，实验教师讲解，学生按部就班的操作，综合性和设计性实验较少，大大限制了学生自主能力和创新设计能力的培养，不利于发挥学生的主观能动性，因此必须转变传统的实验教学思想和教育观念，使学生有充分参与和动手的机会，积极培养学生的实验研究和创新设计能力，强化分析问题和解决问题的能力。
二、仿真技术的概述
仿真技术在工科教育特别是在实验室教学中发挥着至关重要的作用。早在1928年，科学家艾德温·林克就研制出了飞行训练器，用来培训新飞行员，该训练器被认为是最早的仿真器材，并且在二战期间发挥了重要作用。[3]如今，仿真技术已成为人类认识与改造客观世界的重要方法，在关系国家实力和安全的关键领域，如航空航天、生物制药、石油化工、核能等领域，发挥着不可或缺的作用。[4]仿真技术研究的重要性早已被国外的研究机构所重视，据不完全统计，美国、加拿大等十余个发达国家中，有三十余所高校和研究所从事建模与仿真方面的研究，有五所高校专门成立了仿真方面的实验室，并且有六所大学授予建模与仿真学科的学位。[1]近十年来，我国的仿真技术也已取得了长足的进步，培养了一大批仿真科学技术学科的人才。据不完全统计，我国重点大学研究生中有近30%的学生从事与仿真技术相关的工作，这说明仿真技术在国内的发展已日趋成熟。
三、能源与动力工程专业仿真实验室
仿真实验室是虚拟现实技术应用研究中的重要载体，高校教育者很早就发现这种技术对于教学和科研具有极大的吸引力，它不仅具有极好的可移植性，同时也具有利用率高、易维护等诸多优点。河海大学能源与动力工程专业实验室根据专业特点，拟建设一个可容纳25人以上的计算机仿真机房，并从众多商用仿真软件中挑选出适合能源与动力工程专业本科生学习和使用的软件，以供广大学生进行学习和实践。
仿真机房软件的选取主要是从专业课程实物仿真和数值模拟分析两个方面考虑。
1.实物仿真
专业课程实物仿真主要是对仿真实物进行操作、使用及维修，使学生对课堂理论知识有一个直观的认识，巩固课堂内容，增强学生的动手能力，提高学生分析和解决实际问题的能力，为今后的学习和工作打下基础。例如，曾经做过水轮机发电机设备检修三维可视化仿真设计。软件选用Autodesk公司开发的三维动画渲染和制作软件3D Studio Max，该软件建模功能强大，扩展性好，操作简单，容易上手并且和其他相关软件配合流畅，兼容性、软件模型与动画效果都非常好，能够不经处理就投入使用。通过3D Studio Max制作水轮机发电设备的建模及动画，表现整个设备检修和拆卸过程，可以把书本上比较难懂的要点进行直观演示，这对于能源与动力工程专业学生学习水力发电方面的课程是十分重要的。又如，针对绞吸船疏浚作业流程也进行了三维图形仿真模拟，以荷兰IHC公司Beaver 5014C型绞吸式挖泥船为原形，应用Blender 3D软件完成了船体、绞刀臂和绞刀等部件的三维建模，并搭建了包括天空、水面与海底泥沙面等仿真场景。通过该模型的建立可以改善学生疏浚训练的环境，提高训练效率，[2]同时对于培养他们的协调能力，开拓其视野，丰富其知识结构等方面有着极其重要的作用。再如，对东方锅炉生产的260t/h等级的DG260/9.81-1型循环流化床锅炉进行建模仿真。软件选择SIMUCAD仿真平台系统，该系统是上海帕玛公司开发的构建在一定硬件基础上的工程应用与教学软件包，其软件系统主要包括PIE、BAC、CONBAC等功能软件和系统平台；硬件系统主要包括工程师站、教练站、操作员站的工业控制用计算机及外围辅助设备等。锅炉系统模型包括燃烧室、分离器、回料装置和点火室等部件的模型，通过组态模块的开发和流体网络的搭建，构建整个锅炉侧仿真系统。该系统能实时仿真现场各种操作，各工况参数正确平稳，精度能满足现场要求，可以给学生校外生产实习前提供专门培训，培养其实操能力，变被动为主动，大大地改善了专业实习的教学效果。 2.数值模拟
数值模拟主要是针对能源与动力工程专业的流动和传热等物理现象进行仿真，模拟其复杂的物理过程并得到合理的结果。例如，承担了973计划项目“槽式真空吸热管的传热特性及强化换热研究”中的部分课题，这其中需要对槽式太阳能集热管内流动和传热进行数值模拟，研究中选用FLUENT软件。该软件是美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件，现在已被ANSYS公司收购，但它仍然是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。它使用GAMBIT作为前处理软件，可以进行二维和三维流动与传热分析。课题的仿真对象为康达新能源公司制作的CAMDA-PPT型高温集热管，通过对该集热管进行三维建模，考虑热流密度分布不均匀以及热物理性质对流动传热的影响，对管内流体的流动和换热进行仿真模拟，研究集热管在不同工况下的热力性能情况。通过对类似的实际问题进行分析，利用CFD软件建模仿真，可以弥补专业教学中只强化基本原理讲授而学生解决生产实际问题能力不足的缺陷，同时可以对能源方向的一些新设备、新现象进行建模仿真，并且引导学生将CFD技术应用到大学生科技创新项目中，培养学生分析和解决实际问题的能力，从而提高他们的实践与创新能力。
因此，本着以学生为本的教育教学理念，在已有仿真经验基础上，笔者认为能源与动力工程专业仿真实验室应该建成教学、科研和创新型的新型实验室。在教学上，学生可以将课本上学到的知识通过虚拟实物强化认识，并进行实训操作练习，增加视、听效果。通过设计类似水轮机发电机设备检修三维可视化仿真和绞吸船疏浚作业流程三维图形仿真，灵活处理教材内容，强化实践环节，从而提高学生的学习效率。在科研上，实验室可以接纳优秀的学生进行早期科研。为提高学生运用知识的能力和创新能力，实验室向能源与动力工程专业提供了一批设计性实验题目，如“槽式太阳能集热管内流动和传热数值模拟”，由学生自己根据题目设计实验方案，进行模拟仿真，最后写出报告或者论文。同时提供开放式实验室环境，帮助学生发挥聪明才智和发展个性，激发学生的科研兴趣，学习和掌握科学方法，为以后成为科研性人才打下良好基础。在创新上，可以在熟悉开发环境及原始系统设计的基础上进行二次开发，同时对系统的稳定性进行测试和调试。能源与动力工程专业的学生有一定的编程基础，但是探索软件系统开发过程的能力不足，利用一个有着相当基础、体系稳定、源码开放的并且和专业相关的软件进行实践锻炼，对于学生创新能力的培养是非常重要的。如上文提到的SIMUCAD仿真平台，可以将专业课程中所提及的复杂系统分解为较为简单的子系统，如锅炉运行系统可以分解为风烟系统、燃料供应系统、汽水系统等子系统，学生可以针对各子系统进行二次开发，虽然仍有一定的难度，但是对于学生来说，可以提高编程能力，并且能够熟练掌握各个热力系统的整体结构和工作过程，为以后的学习和工作打下良好的基础。
四、结束语
能源与动力工程专业仿真实验室的建设将进一步改进本专业实验室的布局与结构，形成基础实验与仿真实验项目均衡发展的实验教学体系，对提高学生的创新能力和动手能力，实现素质教育的目标将会起到积极的促进作用。
参考文献：
[1]肖田元，范文慧，杨明，等.仿真科学与技术学科的人才培养与社会需求[J].系统仿真学报，2009，（21）：5281-5288.
[2]张安鸿，倪福生.绞吸船三维图形仿真与变速控制研究[J].系统仿真学报，2010，（22）：1520-1523.
[3]Lyle D.Feisel，Albert J.Rosa. The role of the laboratory in undergraduate engineering education[J].Journal of Engineering Education，2005：94，121-131.
[4]J. Baher. Articulate virtual labs in thermodynamics education： A multiple case study[J].Journal of Engineering Education，1999：88，429-434.
（责任编辑：孙晴）