基于VR技術(shù)的實踐課程案例開發(fā)研究—以“供配電技術(shù)”課程為例

張科強 池雄飛 石艷玲

摘 要：針對高職高專理工科實踐教學存在的問題，文章提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐課程案例開發(fā)方法。利用3ds Max軟件建立三維模型、動畫制作，模型優(yōu)化等完成三維場景的開發(fā)。文章通過虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺UE4、Unity3D完成人機交互和實踐操作。實踐教學結(jié)果表明：本實踐課程案例，使學生沉浸在實操的“真實的場景”中，提高了實操的互動性、學習積極性，同時節(jié)約實訓設備購置費用和解決了場地問題。

關鍵詞：實踐課程案例;三維模型;虛擬現(xiàn)實技術(shù);

0 引言

近幾年，高職院校實踐教學整體水平有較大的提高，但對工程實踐性很強的課程如機械裝配技術(shù)、供配電技術(shù)等，這些實踐課程占地廣、購置設備費用高，對學生人身安全要求高等條件的限制，極大地減少了學生現(xiàn)場實踐的次數(shù)，實踐效果大打折扣。而VR虛擬現(xiàn)實教學的出現(xiàn)很好地解決這一難題，VR教學基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，佩戴虛擬設備，使學生沉浸在高度仿真的“真實的場景”中完成實踐操作，提高學生實操的“身臨其境”感，有效降低學習難度，且不會發(fā)生人身安全事故，同時解決了因設備購置費用高、占地面積大而無法購置設備導致實訓課程無法開展的難題[1]。

1案例開發(fā)過程

1.1? 案例的職業(yè)崗位工作流程研究

案例的開發(fā)為實踐教學服務，而實踐教學主要是培養(yǎng)學生的操作技能，為學生將來就業(yè)提供一定的工作能力，而這種能力的培養(yǎng)，要求實踐教學的內(nèi)容符合職業(yè)崗位的要求。所以案例開發(fā)之前必須到企業(yè)了解“供配電技術(shù)”課程的對應職業(yè)崗位工作流程，如中小型工廠10 kV高壓配電所手車式高壓開關柜操作。從企業(yè)對實際操作的規(guī)范和要求，梳理出實踐操作的知識點和流程。比如戶內(nèi)真空斷路器如何儲能、合閘、分閘，倒閘順序及在操作過程中注意的安全知識。

1.2? 三維建模

實踐教學將講授的知識點附在實訓設備上的操作上，而VR教學是將實踐知識點在三維模型上體現(xiàn)出來，使知識點實現(xiàn)可視化。圖1為手車式高壓開關柜，真空斷路器如何實現(xiàn)自動分合閘操作，涉及相應的設備，如電流電壓互感器、智能保護裝置等，三維建模將這些設備的結(jié)構(gòu)零件和實際尺寸按比例，通過三維可視化模型展示出來，最大程度上再現(xiàn)硬件設備。三維建模軟件有Pro/E，UG，Maya等，與這些軟件相比，3ds Max軟件由于其上手容易、渲染效果好等優(yōu)勢，被廣泛用在三維建模中。本課題采用3ds Max軟件完成建模。圖1是設備原圖。圖2是高壓斷路器ZN63A設備正面的結(jié)構(gòu)建模。圖2將高壓斷路器的儲能彈簧、儲能顯示標志、合閘和斷閘操作按鈕、合閘和斷閘操作聯(lián)動機構(gòu)、合閘和斷閘顯示標志、手工儲能標志、斷路器進出手工操作標志等部件建模后，就可以將斷路器的主要功能和原理顯示出來。

1.2.1? 模型貼圖

在三維建模中材質(zhì)和貼圖可以模擬出真實材料的質(zhì)感特性，表現(xiàn)出設備的外觀紋理，使模型具有真實材料紋理的視覺效果，常常在模型上通過貼圖來表示。比如給家里精美地磚建模，在建模后，由于其圖案結(jié)構(gòu)精細復雜，用建模的方式很難展示出來，將地磚表面的花紋用相機拍成圖片，用貼圖的方式將花紋圖片附在模型上，完美精確的表示出地磚模型。真空斷路器ZN63A設備如儲能彈簧、顯示儲能標志的部件的表面就用貼圖的方式表現(xiàn)出設備表面顏色、紋理、光照等，較好的再顯了設備材質(zhì)、紋理，提高了模型的逼真度，如圖2所示。

1.2.2? 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化主要是為減少模型的占用空間，在模型導入虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D后能順利運行。模型優(yōu)化方法主要有：減少模型面、邊，模型貼圖。本課題在建模時，對設備的主要部件建模，而對一些小部件或?qū)υO備功能原理影響不大的部件忽略或用貼圖直接表示。真空斷路器ZN63A設備結(jié)構(gòu)如圖1所示，真空斷路器ZN63A的模型如圖2所示，通過對? 圖1和圖2的對比，可以發(fā)現(xiàn)，在模型中忽略了一些部件。大大減少模型后期的優(yōu)化工作。

1.2.3? 模型動畫制作

在虛擬場景中，設備進行持續(xù)的運動，在三維建模中，用模型的動畫制作來表示。在虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D，UE4中，雖然具有制作動畫的功能，但是比3Ds Max中動畫制作功能要弱得多，所以動畫制作主要在開發(fā)模型中完成。圖3為手車高壓開關柜的真空斷路器更換動畫。該動畫形象直觀地展示了檢修斷路器時，如何更換斷路器操作。

2? ? 虛擬現(xiàn)實互動軟件開發(fā)

利用3Ds Max建模生成虛擬的三維場景，如果學生與場景中的設備進行互動，需要將3Ds Max模型、動畫導入虛擬現(xiàn)實引擎軟件中完成互動開發(fā)。本文用UE4完成案例的虛擬現(xiàn)實場景的互動，互動核心包括設備的拆裝互動仿真和手動模擬操作。

2.1? 模型的拆裝互動仿真

在“供配電技術(shù)”教學中，由于其設備結(jié)構(gòu)復雜、價格高、體積龐大不適合多次拆裝，學生很難直觀了解其結(jié)構(gòu)和工作原理。而VR技術(shù)可以較好地解決這個難題。通過虛擬現(xiàn)實引擎和VR眼鏡等設備，學生可以“身臨其境”感觸設備的整體結(jié)構(gòu)和單個部件結(jié)構(gòu)，也可以對設備進行拆解和組裝。這樣可以使學生詳細的掌握設備儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理[2-3]。同時，用三維數(shù)字模型替代實物，降低實訓設備成本。圖4為真空斷路器ZN63A設備的拆裝，將梅花觸頭、觸臂、極柱給拆解開。

2.2? 手動模擬操作

在實踐教學中，學生能否直接動手操作，決定了學生實踐效果。在供配電中，對線路的檢查和維修是一項基本技能，通過VR技術(shù)虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D或UE，學生如同在真實線路面前一樣，沉浸在其中，分析線路運行原理，親自動手模擬演練可能存在的問題，再現(xiàn)實際操作過程，最后根據(jù)模擬的結(jié)果找出問題所在[4]。這極大的提高學生實際動手操作能力，同時積累了一定的實戰(zhàn)經(jīng)驗。

3? ? 結(jié)語

本文通過建模、模型貼圖、優(yōu)化、動畫制作完成設備的三維可視化的建模。通過模型的拆裝互動仿真和手動模擬操作完成人機交互和實踐動作操作。該案例有效地提高了“供配電技術(shù)”實訓課的實操性，降低了學習難度。

[參考文獻]

[1]姚玉斌.基于VR技術(shù)的機械產(chǎn)品制造過程教學案例開發(fā)[D].濟南：山東建筑大學，2017.

[2]宋殿義，張煒，龔佑興，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐教學初探[J].高教學刊，2020（20）：114-116.

[3]蔡曉薇，鄭世豪.基于增強現(xiàn)實技術(shù)在變電站維修培訓的應用研究[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2019（34）：165-166.

[4]李軍，鋒熊山，劉曉，等.VR和AR技術(shù)助力電力仿真培訓[J].中國電力教育，2017（2）：22-27.

（編輯 姚 鑫）