基于虛實(shí)結(jié)合的電工技術(shù)仿真教學(xué)資源平臺應(yīng)用研究

閻 偉，洪曉芳，吳 波

（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南250300）

山東省在全國率先以省為單位建立起支持職業(yè)教育改革發(fā)展的政策體系，走在全國前列。進(jìn)入新時(shí)代，山東被確立為國家新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換綜合試驗(yàn)區(qū)和自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)，對職業(yè)教育改革發(fā)展提出新的更高要求。2020年1月《教育部 山東省人民政府關(guān)于整省推進(jìn)提質(zhì)培優(yōu)建設(shè)職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展高地的意見》（簡稱《意見》）印發(fā)。《意見》提出，每個(gè)設(shè)區(qū)的市至少建設(shè)一個(gè)共享性的大型智能（仿真）實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，支持5個(gè)左右城市、30所左右高職院校、1000家左右企業(yè)積極參與產(chǎn)教融合試點(diǎn)。結(jié)合我省和我校實(shí)際，結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)的通用性、交叉性、復(fù)合性需求，進(jìn)行了本次應(yīng)用研究，可有效解決傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)場地?cái)?shù)量不夠、建設(shè)成本過高、共享性差等問題。

1.研究的目的

1.1 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

職業(yè)院校實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生技能的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生在校學(xué)習(xí)認(rèn)知驗(yàn)證的重要手段。在課程實(shí)驗(yàn)時(shí)，存在一些相對危險(xiǎn)的操作環(huán)節(jié)，我們考慮先通過虛擬仿真系統(tǒng)來傳遞信息，學(xué)生先通過上機(jī)學(xué)習(xí)和模擬實(shí)驗(yàn)，熟悉操作工序和操作規(guī)范后，再完成具體的實(shí)踐操作，這樣可以避免因直接參與實(shí)驗(yàn)或操作的失誤，而產(chǎn)生的危險(xiǎn)、損傷人身、損壞儀器或設(shè)備的情況發(fā)生。

在我國職業(yè)教育領(lǐng)域和自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)教學(xué)中，虛擬仿真系統(tǒng)顯現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，不僅能提供必要的信息，還能使情境化教學(xué)和學(xué)習(xí)無處不在。3D模擬仿真系統(tǒng)是虛擬仿真系統(tǒng)的一種呈現(xiàn)方式。

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)對實(shí)景進(jìn)行模擬和仿真，是一種新型的人-機(jī)界面方式，即虛實(shí)結(jié)合，它可以創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供自由、靈活的教學(xué)方式?；谔搶?shí)結(jié)合的仿真教學(xué)是使用儀器、設(shè)備、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，利用場地、環(huán)境的布置，模仿出真實(shí)的工作環(huán)境、工作程序、動(dòng)作要求、技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行模擬操作、生產(chǎn)訓(xùn)練、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和鑒定考核等的綜合過程。

1.2 3D場景構(gòu)建的電工技術(shù)仿真教學(xué)軟件設(shè)計(jì)構(gòu)想

1.2.1 豐富的資源：創(chuàng)設(shè)電工工藝與技能訓(xùn)練仿真教學(xué)資源平臺，有多媒體演示課件和自學(xué)型交互課件；模擬企業(yè)一線的工作場景創(chuàng)設(shè)的視頻單元，所使用的設(shè)備與工藝流程均為企業(yè)生產(chǎn)廣泛使用的新技術(shù)、新工藝。

1.2.2 操作簡單：使用資源平臺下的仿真教學(xué)軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，就像看產(chǎn)品說明書一樣，元器件、操作步驟設(shè)有圖例，直觀易懂。

1.2.3 以3D場景構(gòu)建的電工技術(shù)仿真教學(xué)軟件設(shè)計(jì)，選擇電工技術(shù)領(lǐng)域安裝工藝方面典型的工作任務(wù)為案例,仿真教學(xué)軟件包括創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景、教師演示、學(xué)生仿真操作和工藝考核四個(gè)模塊。學(xué)生仿真操作模塊，學(xué)習(xí)者需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成學(xué)習(xí)任務(wù)。工藝考核模塊是針對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)和訓(xùn)練成效的檢驗(yàn)及考取證書而設(shè)計(jì)。

通過系統(tǒng)化構(gòu)建的虛實(shí)結(jié)合仿真教學(xué)資源平臺，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)組織、實(shí)施、評價(jià)中，靈活度好、重復(fù)性強(qiáng)、成本較低的優(yōu)勢，讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為進(jìn)入實(shí)踐實(shí)習(xí)的先導(dǎo)、作為崗位實(shí)習(xí)的部分替代，提升仿真教學(xué)的針對性和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力和技能水平得以提高。

2.仿真教學(xué)資源平臺研究過程

2.1 環(huán)境模型搭建

3D模擬仿真技術(shù)可以將虛擬環(huán)境的矢量模型制作出來，通過燈光、貼圖、烘焙等操作，實(shí)現(xiàn)場景模型的虛擬可視化，達(dá)到真實(shí)、生動(dòng)的視覺效果，并把制作好的虛擬場景模型發(fā)布為FBX文件。隨后把發(fā)布好的FBX模型文件導(dǎo)入到unity3d等引擎系統(tǒng)中，進(jìn)行功能的開發(fā)及實(shí)現(xiàn)，最后發(fā)布基于PC端或者web端的仿真程序。實(shí)現(xiàn)基于客戶端或者網(wǎng)頁端的虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬仿真系統(tǒng)一般具有的功能有漫游、仿真操作、信息交互、信息采集、實(shí)訓(xùn)考核、考核評定等功能，適合教學(xué)、演示和學(xué)習(xí)。

實(shí)訓(xùn)考核設(shè)置選項(xiàng)可為每個(gè)任務(wù)設(shè)置相應(yīng)的考核內(nèi)容，例如低壓電器柜安裝和維修實(shí)訓(xùn)中，設(shè)置電器柜因電源短路造成前級配電間分柜斷路器跳閘保護(hù)，以場景化呈現(xiàn)電工作業(yè)人員從接到指令、作業(yè)過程、收工整理等工作流程和安全規(guī)范，對接人物、任務(wù)場景的工作和考核標(biāo)準(zhǔn)等，如圖1、2所示，這樣學(xué)生在仿真操作中既學(xué)會操作步驟，也培養(yǎng)和提升了職業(yè)素養(yǎng)。

圖1 配電間場景3D仿真模型

圖2 電器柜故障排除仿真模型

2.2 電工技術(shù)仿真教學(xué)資源平臺

2.2.1 模型資源庫搭建場景類、設(shè)備類、工具類、導(dǎo)線類、材料類等5類資源模型。在模型資源庫上可進(jìn)行設(shè)備、工具、工藝和材料3D模型查看，可自由拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放模型；可拆解、顯示和隱藏設(shè)備和零件模型。包括在不同特定場景環(huán)境的匹配安裝；電工工具選擇使用，支持不同工具自動(dòng)匹配不同的使用場景和使用對象；支持設(shè)備、工具、線纜等不同型號的選型使用。

2.2.2 多媒體資源庫可提供圖片類、視頻類、動(dòng)畫類、文本類、課件類資源模型。進(jìn)入模型資源庫可以在線打開或下載資源進(jìn)行查看，也可按實(shí)訓(xùn)模塊分類進(jìn)行篩選。

2.2.3 設(shè)備認(rèn)知可實(shí)現(xiàn)設(shè)備、工具和工藝材料3D模型展示，可自由拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放設(shè)備模型。

2.2.4 三維場景漫游瀏覽，可實(shí)現(xiàn)自由改變視角角度、縮放鏡頭長度距離、漫游速度；支持不同場景的任意切換。

2.2.5 電工技術(shù)仿真教學(xué)軟件包括以下模塊：

電工安全常識軟件模塊是以學(xué)習(xí)資源嵌入虛擬場景進(jìn)行認(rèn)知性學(xué)習(xí)。

電工技術(shù)軟件模塊主要以學(xué)習(xí)電工基本技能和實(shí)訓(xùn)操作指導(dǎo)為主。

照明電路的安裝和維修軟件模塊是以學(xué)習(xí)照明燈具和線路的安裝和維修為主，學(xué)生進(jìn)入不同的虛擬場景，可從模型資源庫中進(jìn)行器件、工具、材料的選擇，以場景交互的方式，在場景中使用相應(yīng)的工具，將器件、材料安裝在對應(yīng)的位置。

室內(nèi)照明線路的配線軟件模塊是以學(xué)習(xí)照明線路的配線方法為主，學(xué)生選擇不同的實(shí)訓(xùn)場景，選擇不同的器件、工具、線纜和輔材完成管線、器件安裝、接線以及故障檢測。

3.仿真教學(xué)資源共享平臺的基本功能

資源共享平臺分為用戶登錄、實(shí)訓(xùn)環(huán)境、教學(xué)資源以及實(shí)訓(xùn)教學(xué)做評價(jià)四個(gè)部分。用戶登錄包括用戶身份驗(yàn)證、權(quán)限管理以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境預(yù)約等功能；實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)中學(xué)習(xí)者根據(jù)自身需求，選擇不同實(shí)訓(xùn)環(huán)境開展實(shí)訓(xùn)練習(xí)；教學(xué)資源庫中將教學(xué)資源收集匯總后，提供給學(xué)生豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容；實(shí)訓(xùn)教學(xué)做評價(jià)為教師評價(jià)學(xué)生線上線下學(xué)習(xí)綜合參與度、課堂實(shí)訓(xùn)任務(wù)完成情況提供依據(jù)。仿真教學(xué)資源共享平臺能夠體現(xiàn)教學(xué)過程教、學(xué)、練、考、評五個(gè)方面，是把教學(xué)過程系統(tǒng)化的一個(gè)平臺。

資源平臺的“教”是通過教程labs模式實(shí)現(xiàn)，可以將電工工藝和技能操作過程一步一步分解，從安裝、調(diào)試、維護(hù)詳細(xì)展示，并顯示對應(yīng)工序的工藝和規(guī)范。學(xué)生可以系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)知識，提前增加工作的經(jīng)驗(yàn)值。

資源平臺的“學(xué)”是通過pocket實(shí)訓(xùn)裝置，以移動(dòng)式的學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行建設(shè)，配合學(xué)生的移動(dòng)終端。教師通過后臺數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。

資源平臺的“做”是通過虛實(shí)結(jié)合裝置，以3D場景呈現(xiàn)出生動(dòng)的工程現(xiàn)場，學(xué)生可進(jìn)行情境化安裝、拆卸或調(diào)試，讓學(xué)生的模擬訓(xùn)練和操作訓(xùn)練對接未來工廠或企業(yè)崗位的操作項(xiàng)目。

資源平臺的“考”和“評”是通過仿真軟件，讓學(xué)生安排安裝、裝配、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，熟悉和體驗(yàn)未來工廠、企業(yè)崗位之間的協(xié)作過程，并通過結(jié)果驗(yàn)證，完成對未來工作任務(wù)的考核和工作質(zhì)量的評判，提前熟悉和掌握企業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)訓(xùn)質(zhì)量的考評環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成功能，教師在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)添加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后上傳記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果與數(shù)據(jù)，在學(xué)生完成提交后，自動(dòng)評價(jià)學(xué)生操作結(jié)果，得出學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績，并上傳系統(tǒng)，反饋給學(xué)生與教師。

采用線上與線下結(jié)合的混合教學(xué)模式建設(shè)的平臺，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)約練習(xí)，同時(shí)開展仿真練習(xí)，進(jìn)一步掌握學(xué)生整體與個(gè)別學(xué)情，及時(shí)對學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的瓶頸與問題做出反饋，形成教學(xué)過程的良性循環(huán)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

4.結(jié)語

本次研究通過虛實(shí)結(jié)合、虛擬仿真形式，替代在高?；驑O端的環(huán)境、不可逆或不可及、高成本、高消耗的操作，可解決“看不見、進(jìn)不去、難再現(xiàn)”的電工技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)難題。依托多媒體、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，陸續(xù)研究自動(dòng)化技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，提供沉浸式實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)方案。采用虛實(shí)結(jié)合的仿真教學(xué)資源共享平臺，對于不太側(cè)重技能訓(xùn)練的高校教學(xué)和社會技能型學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)，具有良好的培訓(xùn)效果。

以共享性的大型智能（仿真）實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)為切入點(diǎn)，建立融教學(xué)、生產(chǎn)、服務(wù)、培訓(xùn)、科研、成果轉(zhuǎn)化于一體的學(xué)習(xí)型、生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地，筑牢這個(gè)資源共享平臺，滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和企業(yè)崗位的綜合需要。