電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)踐應(yīng)用研究

徐 武，楊昊東，湯弘毅，陳盈君，孔玲玲，徐浩東

(1.云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650500;2.陜西長慶專用車制造有限公司，陜西 咸陽 712000)

近些年我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式不再適合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求，尤其與發(fā)達(dá)國家相比，我國自主創(chuàng)新能力較弱、核心技術(shù)對外依賴程度較高[1].因此，必須建立一種新型的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，在遵循現(xiàn)代教育理念的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才.

電機(jī)拖動(dòng)是電氣專業(yè)課程體系中的一門專業(yè)必修課，主要闡述電機(jī)與電力拖動(dòng)的基本理論，在教學(xué)過程中通常與實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合[2].而在傳統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員使用高電壓具有一定的危險(xiǎn)性，并且實(shí)驗(yàn)所需的工業(yè)電動(dòng)機(jī)和控制設(shè)備大多都體積龐大、噪音刺耳、價(jià)格昂貴，因而傳統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)具有一定的局限性.

虛擬仿真是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而興起的，它具有沉浸性、交互性和逼真性.將電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，利用模型構(gòu)建、音視頻轉(zhuǎn)換、傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行三維重構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景三維重現(xiàn).以構(gòu)建的三維實(shí)驗(yàn)設(shè)備為對象，利用交互技術(shù)在虛擬場景中實(shí)驗(yàn)[3].相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種生動(dòng)的教學(xué)方式更容易使學(xué)生擺脫原始實(shí)驗(yàn)環(huán)境的束縛，在實(shí)驗(yàn)中開拓大腦，提升創(chuàng)新思維，進(jìn)而有助于理解抽象概念，大幅度增進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

1 傳統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

近年來，隨著電氣技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣專業(yè)招生規(guī)模也逐步擴(kuò)大，傳統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)已不能完全滿足現(xiàn)階段對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，必須對實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)模式和管理方法進(jìn)行變革[4].傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在以下問題：

1) 由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)場地的限制，學(xué)生并不能提前熟悉實(shí)驗(yàn)元件和操作流程，只能通過預(yù)先發(fā)放的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行預(yù)習(xí)，對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作步驟的理解也僅僅浮于文字表面.此外，因大多數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備龐大且昂貴，在實(shí)驗(yàn)過程中并不能保證每個(gè)學(xué)生擁有一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通常是每個(gè)實(shí)驗(yàn)2～3人一組，甚至于大型電機(jī)實(shí)驗(yàn)需要10余人一組，這種限制嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果.

2) 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本都是老師講解實(shí)驗(yàn)原理并演示操作步驟，而學(xué)生模仿實(shí)驗(yàn)操作、測量記錄數(shù)據(jù)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這種教學(xué)形式過于單一[5-6].并且學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績主要由實(shí)驗(yàn)報(bào)告和考勤率來按比例綜合評定，這便無法客觀地反映學(xué)生在實(shí)際工程中的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.

3) 受實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)教學(xué)所消耗成本等限制，當(dāng)前多數(shù)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，與設(shè)計(jì)相結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)寥寥無幾.而對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需按照操作流程機(jī)械性地連接，實(shí)驗(yàn)參數(shù)都是預(yù)先設(shè)定，幾乎不能修改，這就很大程度地造成理論與實(shí)際相脫節(jié)，學(xué)生不能在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，不利于綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng).

2 電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

本著“虛實(shí)結(jié)合、以實(shí)證虛”的原則，構(gòu)建逼真的三維實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬操作環(huán)境.在具有沉浸性、開放性、自主性、交互性的虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以高效地開展經(jīng)濟(jì)、安全的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以達(dá)到的教學(xué)效果[7].首先采用Java語言、X3D、Unity 3D等技術(shù)構(gòu)建三維電氣設(shè)備模型和虛擬實(shí)驗(yàn)場景，充分利用X3D的可交互操作性和Java語言強(qiáng)大的腳本節(jié)點(diǎn)功能；然后應(yīng)用BS Contact軟件對實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示，用戶可以伴隨著主觀性在電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景中學(xué)習(xí)；最后基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，應(yīng)用到電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，并推廣到其他實(shí)驗(yàn)課程實(shí)現(xiàn)資源共享，總體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示.

圖1 電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)流程圖

2.1 虛擬三維模型及場景

AutoCAD具有良好的用戶界面，可以通過命令行方式進(jìn)行各種操作，已成為當(dāng)前國際廣為流行的繪圖工具.利用AutoCAD制作圖像貼紙，將其導(dǎo)入X3D中構(gòu)建開關(guān)柜模型.腳本(Script)屬于交互性的程序節(jié)點(diǎn)，通過引入Script節(jié)點(diǎn)，將充分發(fā)揮編程的靈活性、多樣性，以便于設(shè)計(jì)出更加生動(dòng)、復(fù)雜的動(dòng)畫[8].如在導(dǎo)線連接操作中，只需點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)上導(dǎo)線，導(dǎo)線就可以按照導(dǎo)航欄的提示，自動(dòng)飛行到指定位置進(jìn)行連接.以下為開關(guān)柜導(dǎo)線接入(圖2)和總電源啟動(dòng)(圖3)的動(dòng)畫效果圖及其關(guān)鍵代碼：

圖2 導(dǎo)線接入動(dòng)畫效果

圖3 總電源啟動(dòng)動(dòng)畫效果

NavigationInfo節(jié)點(diǎn)稱為導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)，包含觀察者和觀察模型之間的物理特征信息，根據(jù)不同的視角設(shè)置不同的觀察點(diǎn)，觀察者可以從多角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如同身臨其境.NavigationInfo節(jié)點(diǎn)具體執(zhí)行代碼如下：

上述程序設(shè)置的是觀察者在虛擬實(shí)驗(yàn)場景中以行走的方式瀏覽，還可以將其設(shè)置為飛行方式進(jìn)行俯視觀測.而且在使用X3D設(shè)計(jì)虛擬場景時(shí)，還可以利用空間背景節(jié)點(diǎn)、聲光節(jié)點(diǎn)、內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)、高級造型和外觀控制節(jié)點(diǎn)等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建出更加逼真、動(dòng)感的虛擬實(shí)驗(yàn)場景，并可以通過BS contact瀏覽器進(jìn)行全景瀏覽.

2.2 動(dòng)畫交互實(shí)現(xiàn)

利用X3D建立的三維仿真實(shí)體具有極強(qiáng)的真實(shí)感，而真實(shí)性的一個(gè)重要方法就是允許用戶和三維對象進(jìn)行直接交互[9].根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)場景構(gòu)建的多種不同造型，用戶可以對其進(jìn)行多種交互，這些動(dòng)畫交互主要由插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和腳本節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn).在電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中，利用Script節(jié)點(diǎn)編寫電源總開關(guān)旋鈕的開關(guān)操作程序，如打開電源，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊開關(guān)旋鈕，旋鈕自動(dòng)轉(zhuǎn)向開狀態(tài)(圖4)，若再次點(diǎn)擊則轉(zhuǎn)為關(guān)狀態(tài)(圖5)，其關(guān)鍵代碼如下：

function kaishi()

{

cdks.whichChoice=-1;

}

function cam2(v)

{

if(v==false){

Camera002.set_bind=true;

cdkxg.whichChoice=0;

}}]]>

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)踐情況

依據(jù)“虛實(shí)結(jié)合、以實(shí)證虛”的原則，將構(gòu)建的電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，進(jìn)而有效地提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、降低實(shí)驗(yàn)成本、實(shí)現(xiàn)資源共享.

圖4 開關(guān)旋鈕關(guān)狀態(tài)

圖5 開關(guān)旋鈕開狀態(tài)

1) 教學(xué)效果與實(shí)驗(yàn)效率提升 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有理想化的模擬環(huán)境，解決了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏、實(shí)驗(yàn)室無法接受大批量學(xué)生參與和進(jìn)行高電壓實(shí)驗(yàn)的難題，而且在逼真的實(shí)驗(yàn)設(shè)備面前，學(xué)生通過課前反復(fù)的練習(xí)，不僅可以把課堂中的知識(shí)代入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也可以通過實(shí)驗(yàn)理解課堂中的重點(diǎn)難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)的興趣和熱情，有效地提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.圖6為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)效率、實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率以及實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)中的對比，結(jié)果表明學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確率都有較大提升，實(shí)驗(yàn)平均耗費(fèi)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)也有效地降低，從而大幅度提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量.

通過使用電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)，教師普遍表示學(xué)生實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作步驟的理解比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更好，實(shí)驗(yàn)的誤操作有所減少，完成數(shù)速度也更快，學(xué)生在這種靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下可以充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)掌握知識(shí)和不斷復(fù)習(xí)的習(xí)慣，推動(dòng)學(xué)生將理論知識(shí)付諸于實(shí)踐.對200名使用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，如圖7所示，大部分學(xué)生更加傾向于使用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖6 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果對比

圖7 學(xué)生問卷調(diào)查對比

2) 人才培養(yǎng)質(zhì)量提高 在新工科背景下，我國急需大量的工科應(yīng)用型人才，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能按步驟依次操作，幾乎不能進(jìn)行創(chuàng)新，電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立解決了學(xué)生缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)的問題.在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可以根據(jù)自己的創(chuàng)新性思維開展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力[10].近年來，學(xué)生積極參加各類科技創(chuàng)新比賽，曾獲“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽創(chuàng)意組省級一等獎(jiǎng)、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽國家級三等獎(jiǎng)等，并積極將科研成果轉(zhuǎn)化為學(xué)術(shù)論文，在期刊質(zhì)量上不斷提升，已由最初的EI會(huì)議逐步過渡為中文核心.圖8為2013—2020年學(xué)生在參加科創(chuàng)比賽人數(shù)與發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)量兩方面的趨勢圖，可以看出在2016年虛擬實(shí)驗(yàn)開展之后，兩類指標(biāo)逐年穩(wěn)定增加.

同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破空間時(shí)間的限制，學(xué)生可以對感興趣的實(shí)驗(yàn)反復(fù)練習(xí)，增強(qiáng)自身的應(yīng)用水平和實(shí)踐能力，進(jìn)而提升畢業(yè)生的社會(huì)認(rèn)可度和就業(yè)率.從圖9的就業(yè)率統(tǒng)計(jì)圖可以看出，近些年我院畢業(yè)生就業(yè)率持續(xù)增加，并且隨著虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開設(shè)，就業(yè)率在原有基礎(chǔ)上大幅度提升，且在2020年再創(chuàng)新高.

圖8 學(xué)生科創(chuàng)及論文統(tǒng)計(jì)圖

圖9 畢業(yè)生就業(yè)率

3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建不但實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，而且有力地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享.電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立了良好的資源共享機(jī)制，其他相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都可以依托該平臺(tái)開發(fā)與本專業(yè)相關(guān)的虛擬仿真環(huán)境，進(jìn)而開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn).其次，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也可以推廣到省內(nèi)其他高校提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，與國內(nèi)高校、科研院、企業(yè)在軟件開發(fā)和系統(tǒng)構(gòu)建等方面合作共享，在提升科研水平的同時(shí)為學(xué)生創(chuàng)造更加完善的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.同時(shí)，社會(huì)上從事相關(guān)研究的人員和自學(xué)者也可以通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約申請，管理員根據(jù)申請人數(shù)統(tǒng)一予以安排，進(jìn)而服務(wù)社會(huì).圖10為2019—2020年電氣專業(yè)學(xué)生、其他專業(yè)學(xué)生與校外人員對本平臺(tái)的訪問數(shù)據(jù)，由圖可知，2020年平臺(tái)訪問總?cè)藬?shù)達(dá)878人次，比上一年增加了43.23%，且其他專業(yè)學(xué)生與校外人員所占比重已達(dá)到總?cè)藬?shù)的1/3，表明該平臺(tái)輻射范圍廣、認(rèn)可度高，為非電氣學(xué)生提供了良好的學(xué)習(xí)資源.

圖10 電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)訪問數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

在新工科背景下，本著“虛實(shí)結(jié)合、以實(shí)證虛”的原則構(gòu)建電機(jī)拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為培養(yǎng)應(yīng)用型電氣專業(yè)人才提供了新思路.虛擬實(shí)驗(yàn)的開展對學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力的提升有著至關(guān)重要的幫助，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過互聯(lián)網(wǎng)的推廣，使得我校電氣專業(yè)更具有認(rèn)可度.但值得注意的是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只是一種新型實(shí)驗(yàn)形式，并不能取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，只有將二者有機(jī)結(jié)合、取長補(bǔ)短，才可以取得事半功倍的效果，為培養(yǎng)高質(zhì)量工科應(yīng)用型人才奠定扎實(shí)的基礎(chǔ).