三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電氣工程學(xué)科在線學(xué)習(xí)中的應(yīng)用研究

丁貴立 康 兵 許志浩 王宗耀

（南昌工程學(xué)院電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引言

新中國成立后，我國電力行業(yè)飛速發(fā)展，截至2013年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到12.5億千瓦，提前完成國家節(jié)能減排十二五規(guī)劃目標(biāo)。科技發(fā)展對電能的質(zhì)量要求越來越高。因此，加強(qiáng)培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域的人才，提升高校教育教學(xué)水平迫在眉睫。在新冠疫情的影響下，各高校電力相關(guān)專業(yè)未能正常開展電力實(shí)習(xí)。因此，可將VR開發(fā)電力云實(shí)習(xí)VR課件，供高校電力專業(yè)實(shí)習(xí)使用，課件突出學(xué)生為主體，結(jié)合VR三維可視化技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)教學(xué)的某些弊端。

團(tuán)隊合作、溝通、項目管理、學(xué)會學(xué)習(xí)和領(lǐng)導(dǎo)能力是工程師必須具備的基本技術(shù)知識。工程專業(yè)的學(xué)生也在尋找靈活的方式來參加高質(zhì)量的課程，并找到一個最有效的途徑獲得最合適的教育設(shè)施。另一方面，教學(xué)過程應(yīng)該以學(xué)生為中心，學(xué)習(xí)過程及其結(jié)果可以定制。在線學(xué)習(xí)過程利用互聯(lián)網(wǎng)作為學(xué)習(xí)活動的平臺，包括學(xué)習(xí)者和教育者之間的實(shí)時虛擬互動或三維環(huán)境，拓展了學(xué)習(xí)的時空。在線學(xué)習(xí)環(huán)境被認(rèn)為是輔助傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式的重要資源，并正在改變高等教育的性質(zhì)。在線學(xué)習(xí)平臺在加強(qiáng)以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)方面呈現(xiàn)出幾個優(yōu)勢：使學(xué)生變得更加能自給自足，而教育者則承擔(dān)起創(chuàng)新的角色；在線學(xué)習(xí)環(huán)境鼓勵教育者在準(zhǔn)備更好的電子學(xué)習(xí)資源時更加能進(jìn)行反思和改進(jìn)，并最終提高學(xué)生適應(yīng)不斷變化的技術(shù)驅(qū)動世界的能力。雖然面對面的學(xué)習(xí)更適合普通的討論，有助于形成一個活躍的環(huán)境，但在線學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生從遠(yuǎn)程教育者那里接受學(xué)習(xí)活動，允許更多的成員同時學(xué)習(xí)，更容易識別和記錄學(xué)習(xí)行為和錯誤反饋，以改善學(xué)習(xí)活動。

現(xiàn)今，教師面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計有效的學(xué)習(xí)活動，結(jié)合校內(nèi)和校外的資源，跨越物理和虛擬環(huán)境。虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境（VLE）為教師和學(xué)生提供了一個框架，學(xué)生可以在其中獲取學(xué)習(xí)材料和教師支持。VLE的基礎(chǔ)包括對分成小部分的課程的控制訪問、跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)活動、獲取學(xué)習(xí)資源、評估和指導(dǎo)，以及扮演教師和學(xué)生之間的溝通者的角色。三維虛擬實(shí)驗(yàn)室可以作為傳統(tǒng)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)室的補(bǔ)充，用于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不可用的地方。虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢在于，它讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時間和地點(diǎn)上有更大的靈活性，并允許學(xué)生在自己的時間內(nèi)完成或重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

在線學(xué)習(xí)利用互聯(lián)網(wǎng)作為學(xué)習(xí)活動的平臺。學(xué)生可使用個人設(shè)備或公共設(shè)施參與網(wǎng)上活動。這些活動包括:互動小測驗(yàn)、報告作業(yè)、自我和同伴評估、給出各種問題的信息，如筆記和截止日期、同伴互動、學(xué)生和教師之間的實(shí)時虛擬互動、三維圖像、互動視頻和其他應(yīng)用程序[1-4]。

在線學(xué)習(xí)相關(guān)支撐技術(shù)正在迅速發(fā)展，5G的發(fā)展允許以更快的速度使用更復(fù)雜的信息，以支持越來越多的學(xué)習(xí)應(yīng)用程序，在線學(xué)習(xí)通常被認(rèn)為是對傳統(tǒng)學(xué)習(xí)形式的重要補(bǔ)充，而信息技術(shù)正在改變高等教育的性質(zhì)。在線教育平臺有幾個優(yōu)點(diǎn)：由于課程、機(jī)構(gòu)和學(xué)習(xí)地點(diǎn)之間更大的流動性，在線教育可以強(qiáng)化以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí);電子作業(yè)可以更快地發(fā)送給學(xué)生;學(xué)生變得更加獨(dú)立，會自學(xué)，教師的角色向輔助者和創(chuàng)新者過渡[5]；電子學(xué)習(xí)環(huán)境鼓勵教師更好地與更多學(xué)生溝通以及組織、準(zhǔn)備電子學(xué)習(xí)資源[6]；它是一種成本更低的學(xué)習(xí)方式[7]；它提高了學(xué)生適應(yīng)不斷變化的技術(shù)世界的能力。

研究表明，面對面學(xué)習(xí)最適合課堂討論[8]，而網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生接受高質(zhì)量的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)活動，它可以讓課堂規(guī)模更大，同時更容易識別和記錄學(xué)生學(xué)習(xí)行為和錯誤反饋，從而改善學(xué)習(xí)活動[9]。作為一個網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的環(huán)境，它對教師的要求也越來越高。為了克服這些挑戰(zhàn)并使其效益最大化，對教師和學(xué)生的培訓(xùn)和指導(dǎo)以及對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評估是非常重要的。另外，對目前使用的在線學(xué)習(xí)工具和技術(shù)進(jìn)行分析也是必要的，因?yàn)樵跇?gòu)建三維虛擬環(huán)境時，速度、復(fù)雜性和知識是至關(guān)重要的。對高等教育來說，運(yùn)用這些新工具培養(yǎng)新一代工程師是一個順應(yīng)科技發(fā)展潮流的新選擇[10]。

2 理論

本文提出了與三維虛擬仿真環(huán)境的設(shè)計、尺寸和動畫相關(guān)的實(shí)踐，研究了與特定電氣工程中變電站主題相關(guān)的現(xiàn)象，以提高高校學(xué)生的專業(yè)技能和知識水平。本研究設(shè)計目標(biāo)是組織分布式在線云實(shí)習(xí)平臺，允許學(xué)生在家里以網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)方式參與到變電站實(shí)習(xí)課程中，在這個虛擬實(shí)習(xí)平臺了解變電站的運(yùn)行原理，以及變電站各設(shè)備的構(gòu)造和參數(shù)，使學(xué)生們自主設(shè)定參觀路線和學(xué)習(xí)設(shè)備，增加學(xué)生的代入感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，也能夠規(guī)避實(shí)際參訪變電站的一些高壓帶電設(shè)備對學(xué)生們的人身安全威脅，特別適用于疫情時期學(xué)生們不能集體實(shí)地實(shí)習(xí)的場景。運(yùn)用Vmaker搭建的變電站VR三維模型如圖1所示。

圖1 所搭建的變電站VR三維模型

變電站是指電力系統(tǒng)中對電壓和電流進(jìn)行交換，接收電能及分配電能的場所。發(fā)電廠內(nèi)的變電站是升壓變電站，其作用是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能升壓后饋送到高壓電路當(dāng)中。從第一個真正意義上的電力系統(tǒng)建立開始，就出現(xiàn)了變電站。變電站作為電力系統(tǒng)不可或缺的部分，與電力系統(tǒng)共同發(fā)展了100多年。在這100多年的發(fā)展歷程中，變電站在建造場地、電壓等級、設(shè)備情況等方面都發(fā)生了巨大的變化。

變電站各設(shè)備原理與構(gòu)造VR三維動畫課件如圖2所示。

圖2為使用Vmaker軟件制作的變電站各設(shè)備三維模型及其原理講解和構(gòu)造的呈現(xiàn)。

圖2 變電站各設(shè)備原理與構(gòu)造VR三維動畫

3 方法

使用Vmaker軟件搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模型、設(shè)計三維VR課件的步驟如下：

第一步：首先與學(xué)生進(jìn)行需求溝通，了解學(xué)生們想了解的關(guān)于變電站的知識和相關(guān)原理，確認(rèn)三維課件的制作主題，

第二步：尋找相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，本文主要使用Vmaker、Unity進(jìn)行三維VR建模，分析所確定的VR建模的主題和實(shí)現(xiàn)方式的可行性，然后進(jìn)行實(shí)際建模。

第三步：對初步設(shè)計的VR三維模型進(jìn)行運(yùn)行和評估，根據(jù)運(yùn)行和評估結(jié)果進(jìn)行針對性調(diào)整，優(yōu)化和完善課件內(nèi)容。

根據(jù)所制作的變電站三維虛擬現(xiàn)實(shí)云仿真平臺與傳統(tǒng)實(shí)際變電站實(shí)習(xí)的效果評估數(shù)據(jù)，制作了如下的傳統(tǒng)實(shí)習(xí)與三維實(shí)習(xí)的效果對比圖，如圖3所示，黃色條形表示三維虛擬現(xiàn)實(shí)云仿真平臺效果評分，藍(lán)色條形代表傳統(tǒng)實(shí)際變電站實(shí)習(xí)的效果評分。結(jié)果表明，所制作的變電站三維虛擬現(xiàn)實(shí)云仿真平臺與傳統(tǒng)實(shí)地實(shí)習(xí)相比，課堂效果由30分提高到80分，神經(jīng)刺激由10分提高到80分，學(xué)生興趣也由20分提高到80分，交互體驗(yàn)更是從5分提高到100分?？梢钥闯觯O(shè)計的變電站三維VR云實(shí)習(xí)平臺大幅提高了實(shí)習(xí)效果，尤其是交互體驗(yàn)更是大大優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)習(xí)。

圖3 所制作的變電站三維虛擬現(xiàn)實(shí)云仿真平臺與傳統(tǒng)實(shí)際變電站實(shí)習(xí)的效果評估對比

4 結(jié)論

（1）使用3D模型與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種提高教學(xué)效果和趣味性的有益嘗試。此外，由于3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室在高等教育中扮演的角色越來越重要，使得其可以與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式互補(bǔ)，從而使得高等教學(xué)手段層次更高、更豐富，也能夠使得教師與學(xué)生在互動過程中更好地進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)，教學(xué)效果可以更完整、更直觀地顯示出來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的時空靈活性，降低學(xué)習(xí)成本，更好地反饋學(xué)習(xí)情況并針對性地改進(jìn)，形成提高教學(xué)效果的閉環(huán)。

（2）本研究提供了一個搭建電氣工程3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的在線學(xué)習(xí)課件，允許學(xué)生疫情期間遠(yuǎn)程參與實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，所開發(fā)的三維虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模型以友好和直觀的方式用于電子學(xué)習(xí)和基于計算機(jī)的培訓(xùn)，基于電子學(xué)習(xí)方法的教學(xué)管理平臺有助于創(chuàng)造新的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)互動和協(xié)作，總體上促進(jìn)高校學(xué)生學(xué)習(xí)。

（3）在計算機(jī)上進(jìn)行仿真是一種有效的實(shí)際工作應(yīng)用技術(shù)。這些3D模擬減少了教師對時間、成本或風(fēng)險的擔(dān)憂，也避免了不適當(dāng)?shù)?、低效的或有潛在危險的實(shí)驗(yàn)方案。結(jié)論顯示了將這種創(chuàng)新模式整合到電氣工程課程中的益處。這種方法不僅加強(qiáng)了對當(dāng)前電氣工程實(shí)踐的掌握，而且還為電氣工程電子課程的設(shè)計和遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)開辟了新的可能性。