基于Unity3D的電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺(tái)制作

劉安平 苑鵬濤 師楠 曲芳 梁志強(qiáng)

摘要： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍；在Maya軟件建?；A(chǔ)上，通過Unity3D軟件構(gòu)建虛擬世界，制作電工技能訓(xùn)練3D課件，完成虛擬演示平臺(tái)設(shè)計(jì)，取得了初步的研究成果。

Abstract： The application of virtual reality technology in education is a leap in the development of modern education technology. On the basis of Maya software modeling， the virtual world was built through Unity3D software， and the 3D courseware of electrical skill training was made， and the design of the virtual demonstration platform was completed， and the preliminary research results were obtained.

關(guān)鍵詞： VR技術(shù)；Unity3D；電工技能訓(xùn)練；虛擬演示平臺(tái)

Key words： VR technology；Unity3D；electrical skill training；virtual demonstration platform

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）20-0211-03

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)，是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的交叉集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以構(gòu)建一個(gè)虛擬的三維世界，在這個(gè)的虛擬世界里，所有的物體都是可見的，即具有現(xiàn)實(shí)性；隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，沉浸在虛擬世界里的人，在產(chǎn)生視覺的基礎(chǔ)上，還會(huì)產(chǎn)生觸覺、力覺、味覺等多方面的感知效果，有如身臨其境，即具有多感知性；虛擬世界里的多個(gè)物體以及參與虛擬世界的若干人，他們之間可以相互影響，即具有交互性。

1.2 Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。其編輯器運(yùn)行在Windows和Mac OS X系統(tǒng)下，玩家可以輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、可視化建筑、三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫等內(nèi)容，并發(fā)布至Windows、Mac或Android等多個(gè)平臺(tái)；也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁(yè)游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁(yè)瀏覽。

Unity3D軟件，既能開發(fā)娛樂型游戲，使游戲玩家獲得娛樂和放松為目的，例如《鏡之邊緣》、《神廟逃亡2》等；也能開發(fā)嚴(yán)肅型游戲，以用戶獲得虛擬體驗(yàn)以及虛擬教育為目的，例如應(yīng)用于軍事國(guó)防、醫(yī)療模擬、教育培訓(xùn)以及城市漫游等方面的交互型應(yīng)用程序。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

①虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室是指依托于Web和VR虛擬技術(shù)搭建的現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程不同的是，該實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、素材和器材等均為虛擬的。教師不再需要為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)的實(shí)體器材、素材以及場(chǎng)所等，可利用虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)中的器材庫(kù)和素材庫(kù)等為學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生直接進(jìn)入該平臺(tái)即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[1]。

②虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景再現(xiàn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教師可以把知識(shí)內(nèi)容形成三維立體圖片或動(dòng)畫，將平面或抽象的理論知識(shí)和實(shí)踐操作變成多角度可視的立體圖片或者形象生動(dòng)的動(dòng)畫演示。比如文科歷史課本中的人物形象、歷史景觀，理工科數(shù)控機(jī)床的車、鉆、銑、刨、磨，等等，都可以采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬演示。

③虛擬現(xiàn)實(shí)技能訓(xùn)練。在虛擬世界中，為學(xué)生提供在現(xiàn)實(shí)世界技能訓(xùn)練時(shí)能用到的所有工具、儀器儀表和加工對(duì)象，并能用語句實(shí)現(xiàn)交互控制，學(xué)生就可以進(jìn)行虛擬訓(xùn)練了。例如醫(yī)學(xué)課堂的手術(shù)操作、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工、汽車維修課程的拆裝實(shí)踐，等等，都可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬技能訓(xùn)練，在熟練掌握一定的操作技能后，再進(jìn)行實(shí)際操作，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的實(shí)踐效果。

3 電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺(tái)制作

電工技能訓(xùn)練課程是面向我校大文科類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門電氣工程實(shí)踐課，主要內(nèi)容是照明電路的安裝及故障檢修。在電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺(tái)（3D課件）制作過程中，將電工技能訓(xùn)練用到的電器元件和導(dǎo)線采用Maya2016軟件進(jìn)行3D建模，并導(dǎo)入到由Unity3D Pro（5.6.4f1個(gè)人版）軟件構(gòu)建的虛擬世界中[2]。

電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺(tái)（3D課件）的主菜單界面見圖1，這是Unity3D軟件自帶的圖形與用戶界面（GUI）窗口[3]。利用Unity3D技術(shù)，將每個(gè)電工技能訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)計(jì)成一個(gè)游戲場(chǎng)景，每個(gè)游戲場(chǎng)景有3個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，分別是線管穿線、燈具連接和電路檢測(cè)。點(diǎn)擊訓(xùn)練項(xiàng)目按鈕，進(jìn)入對(duì)應(yīng)訓(xùn)練項(xiàng)目的游戲場(chǎng)景，可以演示電工技能訓(xùn)練的全部操作過程。下面以第一個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目“一控一燈電路”（即一個(gè)開關(guān)控制一盞燈電路）為例，加以闡述。

3.1 元器件認(rèn)識(shí)

3.1.1 元器件建模

電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺(tái)，由配電箱、桌面、帶有6個(gè)接線盒的網(wǎng)板組成，是利用Maya2016參照電工技能訓(xùn)練實(shí)踐臺(tái)，按1∶1比例建模而成；演示平臺(tái)上的元器件，包括單相電度表、斷路器、燈座、燈泡、燈開關(guān)，也是由Maya2016完成建模。

3.1.2 使元器件在場(chǎng)景中移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)

學(xué)生在進(jìn)行電工技能訓(xùn)練時(shí)，對(duì)燈開關(guān)和燈泡都不陌生，但對(duì)于哪個(gè)接線柱對(duì)應(yīng)單刀雙擲燈開關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)，斷路器應(yīng)該如何接線，不是很容易弄清?？梢詫⒃陔姽ぜ寄苡?xùn)練中用到的元器件，利用Maya2016建模，導(dǎo)出為FBX文件，再導(dǎo)入到Unity3D場(chǎng)景中，通過腳本語言來控制元器件在場(chǎng)景中移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)元器件的認(rèn)識(shí)。

3.2 計(jì)量配線

這里的計(jì)量配線，指的就是單相電度表的進(jìn)線（來自配電箱）和引出線（連接斷路器）；按國(guó)標(biāo)要求，火線1進(jìn)2出，零線3進(jìn)4出。學(xué)生在進(jìn)行電工技能訓(xùn)練時(shí)，首先要進(jìn)行計(jì)量配線，然后再依次進(jìn)行各個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目的實(shí)踐操作。計(jì)量配線的3D模型導(dǎo)入到Unity3D的場(chǎng)景中，通過腳本語言控制攝像機(jī)在場(chǎng)景中移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，為學(xué)生演示這一實(shí)踐操作環(huán)節(jié)。關(guān)于計(jì)量配線的實(shí)踐操作演示，只在第一個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目進(jìn)行，后面的訓(xùn)練項(xiàng)目，這一環(huán)節(jié)不再重復(fù)演示。

3.3 線管穿線

電工技能訓(xùn)練演示平臺(tái)桌面的網(wǎng)板上有6個(gè)接線盒，接線盒之間，是用線管相通的。線管穿線，就是將導(dǎo)線按器件布置圖，將斷路器、燈開關(guān)和燈座之間的連線，通過線管，從接線盒內(nèi)穿引出來；導(dǎo)線模型也是由Maya2016建模并導(dǎo)入到Unity3D場(chǎng)景中的。通過攝像機(jī)場(chǎng)景漫游，學(xué)生可以看到線管穿線是如何實(shí)現(xiàn)的：火線去燈開關(guān)，零線去燈座，控制火線就是由燈開關(guān)去燈座的導(dǎo)線。若是電路中某個(gè)接線盒的位置需要接插座，火線、零線和地線都要從這個(gè)接線盒中引出來。

3.4 燈具連接

3.4.1 導(dǎo)線連接建模

燈具連接的導(dǎo)線建模，是在線管穿線建模的基礎(chǔ)上完成的。導(dǎo)線是和用電器件的接線柱相連的，不同的接線柱，導(dǎo)線的封端是不同的。對(duì)于針孔式接線柱，導(dǎo)線線頭部分要?jiǎng)冸x絕緣層，若導(dǎo)線過細(xì)，導(dǎo)線線頭要對(duì)折；對(duì)于螺釘平壓式接線柱，導(dǎo)線的線頭在剝離絕緣層的基礎(chǔ)上，要做成接線圈（俗稱羊眼圈）。另外，導(dǎo)線絕緣層的剝離長(zhǎng)度不能過長(zhǎng)（不同導(dǎo)線相接觸，可能引起短路），也不能過短（導(dǎo)線絕緣層壓在接線柱上，引起斷路）。這些要求，都要在導(dǎo)線建模的時(shí)候體現(xiàn)出來。

3.4.2 場(chǎng)景漫游

燈具連接這一實(shí)踐環(huán)節(jié)完成后，照明電路的連接也就完成了。通過腳本語言控制，使攝像機(jī)在場(chǎng)景中漫游，向?qū)W生展示電路連接的各個(gè)部分。通過3D課件展示，讓學(xué)生理解并看清楚，燈開關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)接線柱是哪一個(gè)以及如何接線；燈座的兩個(gè)接線柱哪一個(gè)應(yīng)該接零線，哪一個(gè)應(yīng)該接控制火線，等等。

3.5 電路檢測(cè)

照明電路連接完成之后，要用萬用表進(jìn)行電路檢測(cè)，排除短路或斷路故障，然后再送電試燈。短路故障，就是火線和零線，沒有經(jīng)過用電器，直接通過導(dǎo)線和燈開關(guān)形成了回路，送電后會(huì)跳閘或燒斷熔斷器；斷路故障，就是撥動(dòng)燈開關(guān)，火線、零線和用電器沒有形成回路，即處于開路狀態(tài)，送電后，燈泡不亮。在3D課件制作時(shí)，主要采用腳本語言和按鈕，實(shí)現(xiàn)交互控制。

3.5.1 萬用表建模

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，萬用表電路檢測(cè)建模，主要是對(duì)應(yīng)三種檢測(cè)狀態(tài)：短路狀態(tài)（校表）萬用表顯示屏讀數(shù)是“0”；斷路狀態(tài)（燈開關(guān)斷開）萬用表讀數(shù)是“1”；工作狀態(tài)（燈開關(guān)閉合）萬用表讀數(shù)是燈泡電阻。

3.5.2 電路檢測(cè)

這一環(huán)節(jié)向?qū)W生演示的是，停電檢測(cè)電路的過程。點(diǎn)擊“校表”按鈕，萬用表的紅黑表筆短接在一起，萬用表的示數(shù)是“0”。點(diǎn)擊“電路檢測(cè)”按鈕，萬用表紅黑表筆分別接觸斷路器下端的兩個(gè)接線柱，然后點(diǎn)擊按鈕“撥動(dòng)燈開關(guān)”：當(dāng)燈開關(guān)上端按下時(shí)，萬用表的示數(shù)是“1”；當(dāng)燈開關(guān)下端按下時(shí)，萬用表的示數(shù)68.5歐，即燈泡的電阻值。

3.5.3 送電試燈

此環(huán)節(jié)向?qū)W生演示的是，送電檢測(cè)電路的過程。點(diǎn)擊按鈕“閉合電源開關(guān)”，配電箱上的三相電源開關(guān)閉合，三個(gè)電源指示燈發(fā)光。點(diǎn)擊按鈕“閉合負(fù)載開關(guān)”，實(shí)踐臺(tái)桌面網(wǎng)板上的斷路器閉合，然后點(diǎn)擊按鈕“撥動(dòng)燈開關(guān)”：當(dāng)燈開關(guān)上端按下時(shí)，燈泡不發(fā)光；當(dāng)燈開關(guān)下端按下時(shí)，燈泡發(fā)光。

4 電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺(tái)特點(diǎn)

4.1 課件形象生動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

3D課件，將平面圖片和語言說教變成了立體生動(dòng)的景觀和動(dòng)畫，是一種形象直觀的信息傳遞方式。學(xué)生通過親臨其境的交互行為，在一定程度上提高了學(xué)習(xí)的興趣[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，促進(jìn)了教育手段方式的變化，同樣也提供了豐富的聽覺材料，營(yíng)造了一種自主學(xué)習(xí)的環(huán)境氛圍。3D課件可以在多媒體投影儀上播放，也可以在平板電腦、手機(jī)上播放；學(xué)生可以通過自學(xué)，掌握實(shí)踐操作步驟和技能，進(jìn)而指導(dǎo)自己的實(shí)踐操作。

4.2 演示全方位，避免學(xué)生盲目實(shí)踐

在虛擬世界里，為學(xué)生提供全方位的實(shí)踐操作演示，便于學(xué)生更好地掌握實(shí)踐技能，避免了學(xué)生盲目實(shí)踐。虛擬演示教育，和教師在實(shí)踐臺(tái)上進(jìn)行真實(shí)的演示教育相比，同樣具有現(xiàn)實(shí)性、多感知性、交互性、開放性和可重復(fù)性；同時(shí)，虛擬演示教育，沒有操作風(fēng)險(xiǎn)，沒有設(shè)備、材料損耗，還可以讓更多學(xué)生同時(shí)觀摩，演示效果更理想[5]。

5 結(jié)語

電氣工程訓(xùn)練室的數(shù)字化建設(shè)，是黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心發(fā)展的需要。作為電氣工程訓(xùn)練室數(shù)字化建設(shè)的重要組成部分，電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺(tái)（3D課件）投入使用以來，極大地提高了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)踐效果很好。由于經(jīng)費(fèi)和我們掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平的限制，我們制作的3D課件還有許多不盡人意的地方（比如互動(dòng)環(huán)節(jié)較少），我們會(huì)在不斷學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，加以更新和完善。

參考文獻(xiàn)：

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