2-1名称

“工厂智能变电所设备故障处理”虚拟仿真实验

2-2实验目的

变电设备运行的稳定性决定着电力系统的运行安全，变电设备引发的事故的发生会造成严重的损失，进而产生巨大的安全风险，危及电力、人身、社会风险等多个方面。考虑到变电设备运行故障的危害性，需要从细微着手，针对其运行异常给予有效的处理，加强变电设备的故障监测、智能化诊断和综合管理，及时进行检修，保证其工作性能，延长其使用寿命。

在当前的变电所设备故障处理实验教学中，由于仪器设备成本高、占用空间大，实物实训受条件等限制无法实现；同时，变电所设备电压等级高，实物实训具有很大的危险性，使得学生与设备的安全性无法保证，老师也无法在课上照顾到所有学生进行实验，因此变电所设备故障处理实验很难展开。

采用3D仿真技术，以“理、虚、实”一体化的教学方式，构建具有高度真实感、直观性和精确性虚拟仿真实验场景，使学生进入虚拟场景，根据实验要求，锻炼学生独立构思和设计能力，激发学习兴趣，提高对实物的感性认识，实现理论与实践教学的密切结合，同时尽可能减少实验成本和潜在危害。

2-3 实验课时

（1）实验所属课程所占课时：8     

（2）该实验项目所占课时： 2    

2-4实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度）

本实验通过“线上+线下”“理论+案例”“沉浸+互动”等形式，开展工厂供电课程理论教学。在设计实验知识点时，按照2个课时实验内容要求，结合工厂智能化变电所故障处理理论及实践过程，设有5个知识点。学生主要通过了解典型故障事件，加深对工厂智能化变电所故障的认识和处理办法。

本实验核心要素仿真度要求：

(1)变电所现场一次、二次设备要有明显的标志，包括命名、编号、铭牌、转动方向、切换位置的指示及区别电气相别的颜色等。

(2)具有合格的操作工具、安全用具和安全设施模拟。

知识点：共 5 个

智能变电所设备故障处理仿真，以变电所各类事故处理预案为仿真对象，训练学生根据故障现象，排查故障原因，保电复电的应急处理能力。本实验以此为依据，设置以下知识点：

知识点1：变压器油箱内短路故障的处理

学生进入工厂智能变电所3D场景，围绕变压器油箱内短路故障案例学习，通过动漫互动等形式，掌握变压器油箱内短路故障处理。

知识点2：变压器出线套管短路和接地故障的处理

学生进入工厂智能变电所3D场景，围绕变压器出线套管短路和接地故障案例学习，通过动漫互动等形式，掌握变压器出线套管短路和接地故障处理方法。

知识点3：变压器油温过高的处理

学生进入工厂智能变电所3D场景，围绕变压器油温过高故障案例学习，通过动漫互动等形式，掌握变压器油温过高故障处理方法。

知识点4：架空线短路和接地故障的处理

学生进入工厂智能变电所3D场景，围绕架空线短路和接地故障案例学习，通过动漫互动等形式，掌握架空线短路和接地故障处理方法。

知识点5：电缆短路和接地故障的处理

学生进入工厂智能变电所3D场景，围绕电缆短路和接地故障案例学习，通过动漫互动等形式，掌握电缆短路和接地故障处理方法。

2-5实验仪器设备（装置或软件等）

1.基础设施

学校配备有高速网络出口、高性能服务器、大容量存储、网络防火墙、虚拟仿真实验管理平台等设备设施，用于保障“智能变电所设备故障”虚拟仿真实验项目平稳运行。学生可使用学校计算机、个人计算机等设备，在网络环境下完成实验。

2.功能拓展类设备

为提升3D场景渲染效果，可借助3D环形屏幕系统、VR头盔等外部接入设备。学生借助这些拓展类设备，可以更好地理解在不同参数变化下的实验内容。

2-6实验材料（或预设参数等）

本虚拟仿真实验软件基于3D建模的虚拟实验环境及虚拟实验对象，不需消耗类或易损类实验材料，软件以工厂智能变电所故障理论为基础，以真实故障案例为依托，通过虚拟仿真技术，实现理论与案例有机结合。同时，软件以沉浸式体验为贯穿实验路径，以自主式设计为特色，学生通过角色扮演，开展浸入式案例自主分析和轨迹抉择，选择相应发展参数，从而更好地了解工厂智能变电所故障处理办法。

2-7 实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果）

在实验过程中，学生用账号登录实验软件，进入仿真场景后，按照软件提示进行实验操作，完成理论学习、案例体验、交互拓展和综合评价等四阶段的2个课时实验学习。具体为：

阶段1：理论学习

实验将理论知识在3D展览厅中排列，并以代表性图片、视频等学习材料为呈现形式，供学生开展点击式、可视化学习。按照实验设计步骤，学生首先阅读实验说明和理论知识点，对理论形成、内容体系、实践运用等有初步了解，为实验其他环节学习打下一定的理论基础。在本阶段中，实验会根据学生学习进度与内容不同，生成“要点提示”、“考考你”、“掌握了吗”等嵌入式衔接，让学生在自我需求驱动下，通过边看边学、边学边考、边考边思，完成理论学习阶段的学习。

阶段2：案例体验

选取典型的智能变电所故障案例，进行解析和知识点匹配，让学生通过实验操作完成“声情并茂”的学习。学生完成理论学习后，进入“智能变电所故障”的仿真体验阶段，开展沉浸式场景漫游。

阶段3：交互拓展

实验设计了“我问你答”、“案例自主分析”等模块，用于实验学习互动体验，以学生的视角和关注点来优化实验内容，实现“要我学”向“我要学”的转变，让学生成为丰富教学资源的重要力量。（1）在“我问你答”实验过程中，学生选择问题类型、主题、关键字等参数，向实验软件提出启发式问题，并由软件根据提问信息给予答案响应，学生可对提供答案进行满意度评价。（2）在“案例自主分析”中，推演故障案例的处理方法。实验会对学生的错误操作或正确操作给予提示并作出自动记录和评价。学生通过人机交互的方式，实现边思考、边选择、边学习。

阶段4：综合评价

本实验的前三个环节都会记录实验数据，用于综合评价学生学习行为和学习结果，最终体现在实验报告中。实验考评可分为常规测评（占比60%）与交互评价（占比40%），其中常规测评由“考考你”、“知识点测评”，均从数据库中随机出题及自动评分；交互评价由“心得体会”（占比12%）、“我问你答”（占比8%）、“案例自主分析”（占比20%）等模块组成，通过个性化、差异化、交互式的评价考核学生，多角度评价学生实验行为与结果。此外，学生根据评价结果和兴趣，可反复进行虚拟仿真实验，进而提高学习效果。

本实验坚持学生为中心、坚持产出为导向、坚持持续改进，秉承“虚实结合、以虚补实”的建设思路，充分利用智能变电所设备故障案例素材，实现线下课程和虚拟仿真线上实验教学的结合，实现成效最大化。实验设有“学习-体验-互动-评价”等四个环节，实时记录学生实验全过程行为数据和结果数据，并用于学生最后实验报告制定。实验借助虚拟仿真技术，化案例于理论之中，为学生提供重复实验学习机会（现阶段设定3次/人）和学习内容订制化选择，真正实现差异化命题、差异化配置、差异化评价，有效改变课程枯燥乏味、实践性弱等局限，充分展现VR模式新颖、形式丰富、互动性强等教学优势。通过该教学方法，采用不受时空限制的仿真场景教学，在现有常规教学基础上显著提升学生的学习效果，也大大降低教学成本。

2-8实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步）

（1）实验方法描述：

本实验设有“理论学习区”、“故障案例区”、“互动分析区”、“实验测评区”等四大模块，实验学习过程分为“理论学习”、“案例体验”、“交互拓展”和“综合评价”等四个环节如图2所示。实验使用方法为：

1. 教师角色

实验教师用学校教工号登录实验管理界面，主要完成知识库内容配置、适用性案例配置、实验评价参数配置、上传案例审查配置以及用户申请审批等实验课程课前管理功能，确保实验内容按照课程教学计划有效开展。

2. 技术支持角色

目前由第三方公司负责实验软件技术支持和功能优化，主要包括实验空间数据对接参数配置、资源数据库参数配置、通讯网络参数配置、软件BUG问题解决等功能，以确保实验软件持续、平稳运行。

3. 学生角色

学生是使用实验软件的主体，通过学号或授权账号登录实验软件网站，进入实验虚拟仿真场景学习。在实验过程中，以“理论学习”、“案例体验”、“交互拓展”和“综合评价”四个环节为主线，在“理论学习”、“案例体验”阶段中，实验内容主要为常规性知识学习和要点考评，由教师角色预先配置；在“交互拓展”阶段中，学生需按照实验提示要求，自主配置实验参数，通过提出问题、案例分析等形式，完成实验设定任务；在“综合评价”阶段中，以系统性考评知识点和撰写心得体会为实验内容，以定量、定性的方式完成实验测评。学生四个环节的实验过程和学习结果都将记录于数据库中，按照学生分类编号保存，用于学生工厂供电课程实验行为大数据分析。

图2 实验学习过程示意图

4. 学生交互性操作步骤说明：

按照上述实验方法，对照“理论学习”、“案例体验”、“交互拓展”和“综合评价”四个环节，学生角色使用实验软件可分为11个交互性实验步骤。具体为：

步骤1：登录系统，并了解实验软件基本功能

1. 对应知识点：实验软件使用说明
2. 操作方法：学生点击本实验网站“开始实验”按钮，开启虚拟仿真实验学习之旅。学生需使用授权账号登录实验软件的学习环境。进入实验后，主界面呈现的是3D展览厅主场景如图3所示。学生可通过阅读功能介绍、使用说明等实验须知，选择不同场景进行具体实验操作。
3. 拟达目标：熟悉实验软件的基本功能和结构组成，尤其是“交互拓展”阶段的参数配置。有效阅读实验软件的使用说明，让学生更好地感受实验过程，获得较好的实验综合评价得分。 图3 3D展览厅主场景图

步骤2：学习“变压器油箱内短路故障”的知识

1. 对应知识点：变压器油箱内短路故障（知识点1）
2. 操作方法：学生选择“变压器油箱内短路故障”内容进行实验操作如图4所示，可反复阅览影像资料等。在实验中，软件会根据学习进度，提出关联问题，需要学生选择回答。学生根据掌握情况，可选择结束本块内容学习。结束本步骤前，学生需要在“理论学习反馈”界面进行选择，包括如“掌握度”“关注度”“难易度”等信息填报。系统记录学生知识点学习情况。
3. 拟达目标：掌握变压器油箱内短路故障（知识点1），了解发生变压器油箱内短路故障代表性事件。 图4 知识点选择示意图

步骤3：典型变压器油箱内短路故障处理操作

1. 对应知识点：变压器油箱内短路故障处理（知识点1）
2. 操作方法：进入本实验项目后，学生将变压器油箱内短路故障与处理办法之间进行操作顺序的排序。学生可以通过点击屏幕中的文字介绍或视频解说，深入了解故障案例。完成故障案例、处理方法等信息连线交互，使学生对能有较为全面的了解。
3. 拟达目标：调动学生学习兴趣，发挥学生的主观能动性，加深对变压器油箱内短路故障和故障处理办法的了解，增强变压器油箱内短路故障处理的感性认识。

步骤4：学习“变压器出线套管短路和接地故障”的知识

1. 对应知识点：变压器出线套管短路和接地故障（知识点2）
2. 操作方法：学生选择“变压器出线套管短路和接地故障”内容进行实验操作，可反复阅览影像资料如图5所示。在实验中，软件会根据学习进度，提出关联问题，需要学生选择回答。学生根据掌握情况，可选择结束本块内容学习。结束本步骤前，学生需要在“理论学习反馈”界面进行选择，包括如“掌握度”“关注度”“难易度”等信息填报。系统记录学生知识点学习情况。 

图5变压器出线套管接地示意图

 3. 拟达目标：掌握变压器出线套管短路和接地故障（知识点2），了解发生变压器出线套管短路和接地故障代表性事件。

步骤5：典型变压器出线套管短路和接地故障处理操作

1. 对应知识点：变压器出线套管短路和接地故障处理（知识点2）
2. 操作方法：进入本实验项目后，学生将变压器出线套管短路和接地故障与处理办法之间进行连线。学生可以通过点击屏幕中的文字介绍或视频解说，深入解故障案例。完成故障案例、处理方法等信息连线交互，使学生对能有较为全面的了解。
3. 拟达目标：调动学生学习兴趣，发挥学生的主观能动性，加深对变压器出线套管短路和接地故障和故障处理办法的了解，增强变压器出线套管短路和接地故障处理的感性认识。

步骤6：学习“变压器油温过高故障”的知识

1. 对应知识点：变压器油温过高故障（知识点3）
2. 操作方法：学生选择“变压器油温过高故障”内容进行实验操作，可反复阅览影像资料。在实验中，软件会根据学习进度，提出关联问题，需要学生选择回答。学生根据掌握情况，可选择结束本块内容学习。结束本步骤前，学生需要在“理论学习反馈”界面进行选择，包括如“掌握度”“关注度”“难易度”等信息填报。系统记录学生知识点学习情况。
3. 拟达目标：掌握变压器油温过高故障（知识点3），了解发生变压器油温过高故障代表性事件。

步骤7：典型变压器油温过高故障处理操作

1. 对应知识点：变压器油温过高故障处理（知识点3）
2. 操作方法：进入本实验项目后，学生将变压器油温过高故障与处理办法之间进行连线。学生可以通过点击屏幕中的文字介绍或视频解说，深入解故障案例如图6所示。完成故障案例、处理方法等信息连线交互，使学生对能有较为全面的了解。 图6 变压器油温过高故障处理办法
3. 拟达目标：调动学生学习兴趣，发挥学生的主观能动性，加深对变压器油温过高故障和故障处理办法的了解，增强变压器油温过高故障处理的感性认识。

步骤8：学习“架空线短路和接地故障”的知识

1. 对应知识点：架空线短路和接地故障（知识点4）
2. 操作方法：学生选择“架空线短路和接地故障”内容进行实验操作，可反复阅览影像资料。在实验中，软件会根据学习进度，提出关联问题，需要学生选择回答。学生根据掌握情况，可选择结束本块内容学习。结束本步骤前，学生需要在“理论学习反馈”界面进行选择，包括如“掌握度”“关注度”“难易度”等信息填报。系统记录学生知识点学习情况。
3. 拟达目标：掌握架空线短路和接地故障（知识点4），了解发生架空线短路和接地故障代表性事件。

步骤9：典型架空线短路和接地故障的处理操作

1. 对应知识点：架空线短路和接地故障的处理（知识点4）
2. 操作方法：进入本实验项目后，学生将架空线短路和接地故障与处理办法之间进行连线。学生可以通过点击屏幕中的文字介绍或视频解说，深入解故障案例。完成故障案例、处理方法等信息连线交互，使学生对能有较为全面的了解。
3. 拟达目标：调动学生学习兴趣，发挥学生的主观能动性，加深对架空线短路和接地故障和故障处理办法的了解，增强架空线短路和接地故障处理的感性认识。

步骤10：学习“电缆短路和接地故障”的知识

1. 对应知识点：电缆短路和接地故障（知识点5）
2. 操作方法：学生选择“电缆短路和接地故障”内容进行实验操作，可反复阅览影像资料。在实验中，软件会根据学习进度，提出关联问题，需要学生选择回答。学生根据掌握情况，可选择结束本块内容学习。结束本步骤前，学生需要在“理论学习反馈”界面进行选择，包括如“掌握度”“关注度”“难易度”等信息填报。系统记录学生知识点学习情况。
3. 拟达目标：掌握电缆短路和接地故障（知识点5），了解发生电缆短路和接地故障代表性事件。

步骤11：典型电缆短路和接地故障处理操作

1. 对应知识点：电缆短路和接地故障处理（知识点5）
2. 操作方法：进入本实验项目后，学生将电缆短路和接地故障与处理办法之间进行连线。学生可以通过点击屏幕中的文字介绍或视频解说，深入解故障案例。完成故障案例、处理方法等信息连线交互，使学生对能有较为全面的了解。
3. 拟达目标：调动学生学习兴趣，发挥学生的主观能动性，加深电缆短路和接地故障和故障处理办法的了解，增强电缆短路和接地故障处理的感性认识。

2-9实验结果与结论要求

1. 是否记录每步实验结果：√是  否
2. 实验结果与结论要求：√实验报告 √心得体会 其他  

实验主要通过模块测试，评价学生在实验过程中对智能变电所设备故障处理的了解程度，系统自动生成学生学习过程和学习结果的实验报告。实验报告用以展示学生参与实验过程的心路历程，帮助学生反思、深化自己的学习成果，以此强化学习成效。心得体会一般约300字。 

1. 其他描述：

无。

2-10考核要求

“智能变电所设备故障处理”虚拟仿真实验，主要考核学生问题识别及纠错能力。

本实验以变电所设备故障为案例，学习故障处理方法。实验过程包含“典型案例发生的判断”“故障发生原因分析”“故障处理”等大量互动环节。本虚拟仿真平台按环节向学生实时反馈，帮助学生进行辨析，在逐步提高学生判断和识别能力的同时，可以考核学生的问题识别及纠错能力。

2-11面向学生要求

1. 专业与年级要求

本实验面向自动化类专业在校大学生。一般安排在第六学期。作为“工厂供电”2个课时实验，列入教学计划。

同时，可作为自动化类专业的社会人员的学习教育载体，增强工厂供电教育的兴趣，提升教学效果。

1. 基本知识和能力要求

基本知识：电路理论、电机学等先学知识

能力要求：掌握电路理论中关于三相交流电问题的分析能力，掌握电机中关于变压器的基本运行分析能力。

2-12实验项目应用及共享情况

1. 本校上线时间 ：2021年3月       
2. 已服务过的本校学生人数：预计下个学期为本校电气工程及其自动化、电气专升本、自动化专业学生提供服务       
3. 是否纳入到教学计划： √是   否

(勾选“是”，请附所属课程教学大纲）

1. 是否面向社会提供服务：√是   否
2. 社会开放时间 ：2021年9月，已服务人数: 目前尚未对社会开放，但未来可以有计划的对社会相关专业人员提供服务。