電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗是吉林大學建設的虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程。該實驗課程在實驗空間平台授課，課程負責人為張漢壯，授課教師為康智慧、遲曉春、張涵、王英惠。據2021年8月實驗空間官網顯示，該實驗課程做實驗人數10361，其中優秀7501人、達標1425人、不達標1435人，實驗通過率86.1%。
該虛擬仿真實驗課程是針對普通物理實驗中的電磁學實驗而設計。該實驗涉及能量轉化、電磁感應定律、歐姆定律等相關知識的套用。由於電力系統設備龐大，電壓高、空間跨度大，無法在實驗室來完成。吉林大學物理學院集優勢師資力量，製作了以水利及核能為動力源、高壓電網環境下操作、多知識點聯合套用為特色的“電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗”。旨在培養學生在極端環境下理論聯繫實際的套用能力。
基本介紹
- 中文名：電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗
- 外文名：Virtual simulation experiment of electric generation and transmission system principle
- 類別：虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程
- 建設院校：吉林大學
- 授課平台：實驗空間
- 課程負責人：張漢壯
- 授課教師：康智慧、遲曉春、張涵、王英惠
- 實驗課時：4學時
課程建設,開設歷程,服務規劃,課程性質,課程背景,適應專業,課程簡介,課程步驟,實驗方法,操作步驟,實驗記錄,課程特色,教學計畫,面向高校,面向社會,教學目標,教學要點,學習預備,知識能力,預設參數,軟體裝置,運行條件,考核標準,教師簡介,
課程建設
開設歷程
2018年3月1日，電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗課程在吉林大學上線；
2018年6月1日，電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗課程面向社會開放。
2020年11月24日，電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗課程被中華人民共和國教育部認定為首批“國家級一流本科課程（虛擬仿真實驗教學一流課程）”。
服務規劃
該實驗課程會在已有基礎上進一步完善操作環節和實驗內容，在國家規定的實驗空間平台為全社會開放。
課程性質
課程背景
電的產生與傳輸涉及物理學中的能量轉化、電磁感應定律、歐姆定律等相關知識。由於實際的電力系統設備龐大、電壓高、空間跨度大，無法在實驗室里用實際的設備來完成實驗。為了在教學中讓學生更好地掌握實際電力系統的工作原理，培養學生理論聯繫實際的能力，吉林大學物理學院經過由國家萬人計畫教學名師張漢壯教授所領導的教學團隊設計指導，採取虛擬仿真的技術手段，形成了以設備龐大、空間跨度大、多知識點聯合套用為特色的“電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗”。
適應專業
課程簡介
電力系統是由發電、變電、輸電、配電和用電等環節所組成的電能生產與消費系統。這是一個典型的能量轉化系統，即，電站將自然界的機械能轉化為電能，輸送到各地後，不同的設備將電能轉化為光能、熱能、機械能等不同形式的能量，滿足人類生活的需要。該項目採取虛擬仿真的技術手段，實現了動力源、發電機、變壓器、傳輸線、用戶負載等方面的實驗。
該實驗課程有以下5個知識點：
- 能量的轉化（仿真度60%）：對應實驗題目為“能量轉換的測量計算”。該實驗數學建模涉及到眾多領域學科：流體力學、核物理、機械、電磁學等，這裡將模型簡化，以適應本科教學要求。
- 發電機的工作原理（仿真度80%）：對應實驗題目為“發電機相關參數的測量與計算”。該實驗題目對發電機的物理學原理很明確，數學模型上缺少材料阻抗和併網發電初始位相的設計，該實驗，對於本科教學涉及到的知識點已經較完備。
- 變壓器的工作原理（仿真度90%）：對應的實驗題目為“變壓器相關參數的測量與計算”。該實驗的數學模型比較明確。所差之處為變壓器鐵芯的鐵損與線圈銅損。
- 傳輸電纜的能量損耗（仿真度90%）：對應的實驗題目為“傳輸電纜損耗的測量與計算”。物理模型比較簡單。實際套用中還有電磁輻射和電暈損耗，本科物理教學對此不作要求。
- 用戶負載的類型（仿真度90%）：對應的實驗題目為“用戶負載及功率因數的測量與計算”。該題目更接近實驗室情況。但是負載類型比較複雜，一般來說不存在單純的阻性負載和感性負載，這裡做了一定程度的簡化。
課程步驟
實驗方法
該操作軟體的主頁面由“原理概述”“儀器設備”“實驗預習”“進入實驗”等四個環節完成該實驗的內容。通過點擊進入和返回的方式，可以分別實現對該實驗總體的了解、設備三維模型的熟悉、實驗原理與內容的了解，最終實施實驗操作。
操作步驟
學生互動性操作步驟數：95
學生互動性操作步驟說明：該項虛擬仿真實驗共5個實驗題目，學生互動性實驗操作步驟至少95步，其中，第一個實驗23步；第二個實驗7步；第三個實驗20步；第四個實驗14步；第五個實驗31步。
實驗一：“能量轉換的測量計算”的操作步驟如圖一所示，總計23步。
圖一“能量轉換的測量計算”
實驗二：“發電機相關參數的測量與計算”的操作步驟如圖二所示，總計7步。
圖二“發電機相關參數的測量與計算”
實驗三：“變壓器相關參數的測量與計算”的操作步驟如圖三所示，總計20步。
圖三“變壓器相關參數的測量與計算”
實驗四：“傳輸電纜損耗的測量與計算”的操作步驟如圖四所示，總計14步。
圖四“傳輸電纜損耗的測量與計算”
實驗五：“用戶負載及功率因數的測量與計算”的操作步驟如圖五所示，總計31步。
圖五“用戶負載及功率因數的測量與計算”
（參考資料來源）
實驗記錄
是否記錄每步實驗結果：是
實驗結果與結論要求：其它—提交測量與計算結果，計算機自動積分，適合大規模學生的成績考核
其他描述：允許多次實驗操作測量，系統會記錄每次的實驗成績，根據學校對學生考核成績的要求提供相應的數據。
課程特色
教學方法創新
由於是計算機實施的實驗操作，其教學方法需要在軟體中體現授課教師所指導的一切功能。具體包括：設備區與實驗區，實驗設備模型的選取，實驗設備模型位置的操作，實驗電路的連線、實驗公式及參數選取、測量、計算，重複實驗與提交實驗結果，實驗原理，線路搭建等實驗環節的操作和實驗說明。實現完全的線上實驗。
評價體系創新
完成該實驗需要具備電的產生與傳輸涉及物理學中的能量轉化、電磁感應定律、歐姆定律等相關基礎知識。每個實驗需要和真實實驗具有相同的操作程式，需要經過測量、計算之後才能提交數據。因此，最終的實驗成績體現了對學生的基礎知識和實驗動手能力的評價。
對傳統教學的延伸與拓展
該實驗是在高電壓、大設備、長距離的背景下完成的動力源、發電機、變壓器、傳輸線、用戶負載等方面的實驗，是對傳統實驗教學中的低電壓、小設備、短距離電學實驗的延伸與拓展。
教學計畫
面向高校
該實驗課程會藉助中華人民共和國教育部物理學類教學指導委員以及各地區工作委員會、全國普通高校力學課程研究會、高等教育出版社向全中國普通高校相關專業推廣，預計每年服務人數約5000人。
面向社會
教學目標
該實驗課程的目的旨在培養學生在真實高壓電網環境下理論聯繫實際的綜合套用能力。
教學要點
- 教學方法
該實驗由實驗概述、儀器設備、實驗預習、進入實驗等四個部分組成。其中的“實驗概述”是對該實驗的總體介紹，“儀器設備”是對該實驗所採用的設備模型的一種熟悉過程；“實驗預習”是對實驗原理、實驗搭建、測量、計算、提交結果等的說明；“進入實驗”是以前三項內容為基礎的實驗操作主體，完成涉及動力源、發電機、變壓器、傳輸電纜、用戶負載等五個方面的實驗操作。
學習預備
知識能力
在做該實驗之前，實驗操作者需要具備勢能與動能的轉化、電磁感應定律、變壓器原理、材料的電功率損耗、電能與熱能以及光能之間的轉化等相關的基本理論知識，具有熟練操作計算機的能力。
預設參數
該實驗課程共有五個實驗題目內容，實驗預設參數操作方法為：滑鼠右鍵對實驗區相應設備模型點擊，出現對應設備模型的相關參數，以及該實驗所需要添加的測量和計算的空白項。根據該實驗的要求，參考該頁面的“幫助”按鈕，經過實驗者的測量和計算，將空白項填入數字內容，即完成了該實驗的最終結果。
軟體裝置
- 裝有Windows 7以上版本作業系統的計算機，能夠訪問網際網路。
- 計算機中需要安裝“電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗”客戶端軟體，需要在實驗空間網站該虛擬仿真實驗項目提供的連結點擊下載。
運行條件
具體條件 | 具體要求 |
|---|---|
網路條件要求 | 說明客戶端到伺服器的頻寬要求（需提供測試頻寬服務）：需要提供不低於1MB頻寬 說明能夠支持的同時線上人數（需提供線上排隊提示服務）：2000 |
用戶作業系統要求 | 計算機作業系統和版本要求：Windows 7以上64位操行系統 其他計算終端作業系統和版本要求：無 支持移動端：否 |
用戶非作業系統軟體配置要求 | 需要特定外掛程式：否 其他計算終端非作業系統軟體配置要求（需說明是否可提供相關軟體下載服務）：無 |
用戶硬體配置要求 | 計算機硬體配置要求：CPU2.8GHz以上；記憶體8G以上；2G以上硬碟可用空間 其他計算終端硬體配置要求：無 |
用戶特殊外置硬體要求 | 計算機特殊外置硬體要求：無 其他計算終端特殊外置硬體要求：無 |
網路安全 | 項目系統是否完成國家信息安全等級保護：是 國家信息安全等級保護：二級 |
（註：表格內容參考資料）
考核標準
該實驗課程採取百分制，總計5個實驗，每個實驗20分。每個實驗完成測量與計算後，提交數字結果，系統自動給出總分數。
教師簡介
張漢壯，男，1962年出生，中共黨員，吉林大學物理學院教授、博士生指導教師，吉林大學特聘教授，“物理學導論”“力學”“物理與人類生活”“電的產生與傳輸原理虛擬仿真實驗”四門課程的課程負責人，從事材料超快動力學、量子點發光器件方向的研究。
康智慧（1975—），男，遼寧新民人，吉林大學物理學院高級工程師，從事光電子技術方面研究。
遲曉春，女，博士，吉林大學物理學院光電信息科學與工程系工程技術人員，主要從事飛秒超快光譜研究、有機材料性能研究及實驗室管理工作。
張涵，女，1981年生，吉林大學物理學院副教授，曾負責吉林大學物理學院本科生力學習題課的講授，參與張漢壯教授所編著《力學》教材的校正和修訂工作，主要從事發光介質在光子晶體中的螢光光譜理論計算問題。
王英惠，吉林大學物理學院教授，張漢壯教授團隊光電信息材料超快動力學過程研究方向負責人。
