VR技術(shù)在變壓器實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用＊

施香怡，楊 乘

（貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025）

變壓器檢修實(shí)訓(xùn)課是電工專業(yè)必修課“電機(jī)與變壓器”中的一節(jié)內(nèi)容，實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容包含變壓器的安裝與檢修。變壓器的檢修對(duì)于電工專業(yè)的學(xué)生是必須要會(huì)的技能。傳統(tǒng)的變壓器實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在設(shè)備不足、危險(xiǎn)系數(shù)高等問(wèn)題。VR技術(shù)具有的沉浸性、構(gòu)想性、交互性的特點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生切身地融入到變壓器實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)別、智能技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門科學(xué)，將計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化為人們能感受的具有各種表現(xiàn)形式的多維信息[1]。作為21世紀(jì)最新的技術(shù)成果，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中具有明顯的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力，已廣泛受到教育工作者的重視和青睞。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬教學(xué)環(huán)境，體現(xiàn)了和真實(shí)世界物體的交互性，打破了傳統(tǒng)教育的壁壘，將虛擬現(xiàn)實(shí)與教育進(jìn)行深度融合，來(lái)縮短教育與社會(huì)之間的差距，為學(xué)生提供豐富的教育資源和更加優(yōu)質(zhì)的教育。

2 變壓器實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施不完善

變壓器實(shí)訓(xùn)教學(xué)中所需的變壓器設(shè)備相對(duì)比較昂貴，學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限，無(wú)法及時(shí)更新變壓器的基礎(chǔ)設(shè)備，目前有些設(shè)備存在老化、零部件生銹等問(wèn)題。學(xué)生在進(jìn)行故障檢修的過(guò)程中，出現(xiàn)的設(shè)備問(wèn)題較單一，用來(lái)進(jìn)行操作類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)設(shè)備經(jīng)過(guò)反復(fù)操作容易損壞，對(duì)于學(xué)生接下來(lái)的探索學(xué)習(xí)和研究產(chǎn)生了一些阻礙[2]。并且設(shè)備量也達(dá)不到學(xué)生數(shù)量上的均衡，無(wú)法達(dá)到實(shí)訓(xùn)教學(xué)的基本要求，實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量得不到保障。

2.2 理論與實(shí)踐結(jié)合度不高

實(shí)訓(xùn)課題設(shè)置不合理。變壓器檢修的訓(xùn)練課題在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，難以形成實(shí)際變壓器運(yùn)行情境，學(xué)生僅靠書本上的理論來(lái)支撐實(shí)訓(xùn)課，沒(méi)有具體實(shí)物進(jìn)行演示，學(xué)生難以形成對(duì)變壓器產(chǎn)品的認(rèn)知和維修的意識(shí)，對(duì)其操作注意事項(xiàng)和具體操作方法都不夠具備，不利于學(xué)生職業(yè)能力和職業(yè)情商的培養(yǎng)。實(shí)訓(xùn)教學(xué)的考核形式化。教師沒(méi)有把能力本位的思想貫穿到實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，只注重考核結(jié)果，過(guò)于片面化，沒(méi)有關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程，學(xué)生真正做變壓器檢修工作時(shí)，不具備專業(yè)能力和應(yīng)對(duì)故障的技巧，實(shí)訓(xùn)課的作用沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

2.3 教學(xué)方法落后

按照國(guó)家教育部門相關(guān)規(guī)定，要求實(shí)訓(xùn)課中要以學(xué)生為主，教師為輔，將大量的時(shí)間給予到學(xué)生自主操作上，教師主要針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行講解與演示。然而在實(shí)際的實(shí)訓(xùn)課教學(xué)過(guò)程中，通常是教師講解操作的演示過(guò)程，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)很少，缺少對(duì)專業(yè)技能和操作經(jīng)驗(yàn)的掌握，不利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)造的精神和實(shí)踐鍛煉的能力[3]。

3 VR技術(shù)在變壓器實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境

設(shè)計(jì)VR場(chǎng)景，主要分為以下4個(gè)步驟：①設(shè)計(jì)用戶交互界面。運(yùn)用Unity3D中UI部件設(shè)計(jì)變壓器虛擬場(chǎng)景的交互界面，包含變壓器結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、變壓器組裝以及變壓器故障呈現(xiàn)。②實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游。插入變壓器收集真實(shí)環(huán)境中變壓器各種零部件的詳細(xì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用3D Max軟件對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模[4]；將建好的變壓器模型以.fbx格式導(dǎo)入到unity3D 2018軟件中，在場(chǎng)景視圖中，設(shè)置大小和位置，給變壓器模型添加Steam VR中的Teleport Point腳本實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游。③播放3D動(dòng)畫。運(yùn)用unity 3D中的Video Player插件播放變壓器組裝視頻和變壓器正常運(yùn)行工作場(chǎng)景。④具體的場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)和場(chǎng)景退出的代碼通過(guò)C#進(jìn)行編寫。在編寫腳本的時(shí)候需要注意腳本必須掛在游戲?qū)ο笊?，都必須繼承MonoBehaviour類，腳本的文件名和類名稱相同。

搭建VR平臺(tái)。主要采取的軟硬件設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、HTC Vive頭戴式設(shè)備、Steam VR和操控手柄。搭建VR平臺(tái)的步驟主要分為以下5步：①規(guī)劃操作區(qū)（虛擬邊界）；②安裝定位器；③下載Vive安裝程序（Steam VR）；④將Vive設(shè)備連接到電腦；⑤啟動(dòng)程序完成VR平臺(tái)的搭建。

3.2 豐富教學(xué)內(nèi)容

對(duì)變壓器故障檢修的內(nèi)容，將其分為兩部分。第一部分為變壓器的安裝。主要通過(guò)VR呈現(xiàn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)生能夠近距離接觸變壓器，了解變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在講解變壓器組裝這塊內(nèi)容時(shí)，通過(guò)VR視頻展現(xiàn)35 kV節(jié)能型油浸式變壓器、10 kV節(jié)能型油浸式變壓器和節(jié)能型環(huán)氧澆注干式變壓器三種變壓器由內(nèi)到外、由底到上安裝的全過(guò)程，然后學(xué)生再對(duì)變壓器進(jìn)行安裝。第二部分為變壓器的故障處理。常見(jiàn)的變壓器故障分為內(nèi)在故障和外在故障，學(xué)生平常實(shí)訓(xùn)接觸到的故障為繞組和鐵芯故障居多，對(duì)油溫升高、強(qiáng)烈噴油、冒火花現(xiàn)象接觸較少。通過(guò)VR運(yùn)用粒子系統(tǒng)呈現(xiàn)變壓器冒火花的現(xiàn)象，學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到更多切合未來(lái)發(fā)展的知識(shí)，切身感受到變壓器環(huán)境可能存在的不安全因素，增強(qiáng)操作規(guī)范性的訓(xùn)練。

3.3 改變教學(xué)方式

VR技術(shù)作為一種新興的信息技術(shù)手段，將其運(yùn)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，豐富了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的媒體平臺(tái)，擴(kuò)展了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的展開(kāi)方式，為變壓器檢修實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了強(qiáng)有力的支撐。由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件過(guò)多，學(xué)生對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)僅靠書本和PPT的形式，到真正傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)拆裝的過(guò)程中，不能夠形成自己對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)內(nèi)在和外在的聯(lián)系。教師可以通過(guò)VR在三維空間里將言語(yǔ)不能夠表達(dá)的抽象概念和平面圖片進(jìn)行立體化和可視化的呈現(xiàn)，學(xué)生能夠直觀地感受到變壓器知識(shí)結(jié)構(gòu)，場(chǎng)景里邊會(huì)提示每一個(gè)具體零部件的名字和位置，方便學(xué)生建立起知識(shí)內(nèi)在和外在的聯(lián)系[5]。

學(xué)生在課前通過(guò)VR自主學(xué)習(xí)了解變壓器結(jié)構(gòu)和三相變壓器的具體組裝步驟，具備了變壓器相關(guān)理論知識(shí)。在進(jìn)行變壓器組裝實(shí)訓(xùn)時(shí)學(xué)生之間可以通過(guò)協(xié)作學(xué)習(xí)的方式，共同完成變壓器組裝，通過(guò)與同伴交流，發(fā)現(xiàn)自己存在的問(wèn)題，不斷的探索和改進(jìn)[6]。教師在此過(guò)程中主要承擔(dān)的角色是指導(dǎo)者和陪同者，目的是培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為以后投入到電力部門的相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

3.4 提升教學(xué)效果

通過(guò)VR教學(xué)將枯燥的知識(shí)概念進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的演示，學(xué)生能夠在場(chǎng)景中從多個(gè)角度觀察到變壓器結(jié)構(gòu)，來(lái)掌握變壓器相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生能夠直觀地感受變壓器實(shí)際運(yùn)行工作場(chǎng)景，身臨其境到實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，調(diào)動(dòng)自己身心，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為教學(xué)有序開(kāi)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

通過(guò)VR技術(shù)還原真實(shí)變壓器設(shè)備組裝與維修的全過(guò)程，幫助學(xué)生對(duì)變壓器常見(jiàn)故障現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別、檢測(cè)與維修。按照變壓器常規(guī)作業(yè)流程來(lái)規(guī)范學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作，將變壓器相關(guān)理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生形成良好的實(shí)訓(xùn)操作習(xí)慣，形成一套系統(tǒng)性地變壓器檢測(cè)步驟順序，產(chǎn)生肌肉記憶，逐漸熟能生巧，獨(dú)立完成變壓器技能操作，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力[7]。

通過(guò)VR技術(shù)對(duì)學(xué)生掌握變壓器知識(shí)水平進(jìn)行考核，學(xué)生能夠及時(shí)親測(cè)到自己所出現(xiàn)的問(wèn)題。根據(jù)自我測(cè)評(píng)，學(xué)生可以分析自己對(duì)知識(shí)掌握的程度，能夠做到及時(shí)反饋和查看，進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，方便與師生交流，提升自己的專業(yè)水平和技能操作，真正做到理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，而不僅僅以成績(jī)考核為主。通過(guò)VR技術(shù)對(duì)學(xué)生掌握變壓器知識(shí)水平進(jìn)行考核，幫助學(xué)生提高運(yùn)用知識(shí)的能力，使學(xué)生靈活處理遇到的問(wèn)題，并樂(lè)于探索并愛(ài)上學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)是職業(yè)教育中培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力的重要環(huán)節(jié)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的信息技術(shù)手段，將其運(yùn)用到職教實(shí)訓(xùn)教學(xué)中是大勢(shì)所趨。通過(guò)創(chuàng)設(shè)變壓器虛擬教學(xué)環(huán)境、編排教學(xué)內(nèi)容、改變教學(xué)方式，分析了在變壓器在實(shí)訓(xùn)知識(shí)講解、實(shí)驗(yàn)操作和考核評(píng)價(jià)等方面結(jié)合VR技術(shù)得到教學(xué)效果的提升，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。將VR技術(shù)應(yīng)用到職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，拓寬了教學(xué)思路，為職業(yè)教育改革發(fā)展提供新方向。