基于電工實訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學平臺的構(gòu)建

劉林，郗忠梅，施國英，張觀山

（山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安）

一 引言

目前，隨著國家對實驗教學投入不斷增加，新建實驗室、采購設(shè)備、更新教學資源等措施使得實驗教學中心面貌煥然一新，實驗教學條件得到了進一步改善。隨著近些年的擴招致使學生基數(shù)加大[1]，同時大學里轉(zhuǎn)專業(yè)的火爆[2]，促使某些熱門專業(yè)如電氣專業(yè)學生人數(shù)逐年攀升，再加上人才培養(yǎng)方案隨之改變，例如將很多先前課內(nèi)實驗轉(zhuǎn)為獨立設(shè)課實驗，使得學生的實驗課時數(shù)成倍增加。上述情況致使實驗教學中心現(xiàn)階段乃至很長的一段時間內(nèi)還難以保證每位學生同時使用一臺/套設(shè)備開展實驗，現(xiàn)階段的小班化實驗教學，最大限度也只夠保證2～3 人同時使用一臺/套設(shè)備平臺開展實驗，原有的實驗教學模式將難以滿足日益增加的實驗人時數(shù)的需求。虛擬仿真教學平臺雖然能夠突破時間和空間的限制，但不可否認其不能取代某些實驗室真實實驗的效果，而虛擬仿真教學平臺作為真實實驗的輔助手段將起到事半功倍的效果?；诖?，構(gòu)建一種虛擬仿真教學平臺，用于學生在實驗課前配合指導(dǎo)書快速熟悉實驗教學設(shè)備和操作規(guī)程，對于學生進入實驗室后快速轉(zhuǎn)變角色并按照操作規(guī)程完成實驗具有重要意義。

目前市面上相關(guān)虛擬仿真教學平臺琳瑯滿目，例如電力電子教學虛擬仿真實驗平臺[3]、供配電與照明仿真教學實驗平臺[4]、發(fā)電虛擬仿真教學平臺[5-8]、強電類課程虛擬仿真實踐教學平臺[9]、電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺[10-11]等，它們絕大多數(shù)基于matlab、multisum 等軟件，實現(xiàn)了課堂理論教學的虛擬仿真。然而，大多數(shù)平臺與實驗室現(xiàn)有的教學設(shè)備不匹配。雖然可以直接引入實驗教學，但是這種直接引入現(xiàn)有虛擬仿真教學平臺的模式用于新建實驗室是不錯的選擇。但很多高校經(jīng)過多年發(fā)展，相關(guān)實驗室及配套教學設(shè)備資源已初具規(guī)模，重建實驗室不現(xiàn)實。因此，直接引入現(xiàn)有的虛擬仿真教學平臺將難以與實驗室現(xiàn)有的教學設(shè)備資源相匹配，進而無法做到有效銜接，造成教學資源的浪費。

經(jīng)過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，姜德晶[12]建設(shè)了電工電子虛擬仿真實驗教學平臺，并將虛擬仿真實驗引入課前預(yù)習。學生首先通過觀看網(wǎng)絡(luò)視頻資源，然后應(yīng)用虛擬實驗平臺，最后進行真實實驗室實驗，這種實驗教學模式拓寬了實驗教學的空間和時間，取得了良好的效果。然而，如何將虛擬實驗平臺與真實實驗臺具體銜接匹配鮮有相關(guān)論述，尤其對于強電真實實驗教學設(shè)備平臺中具有嚴格要求的安全性問題，如何在虛擬實驗平臺中得到有效體現(xiàn)顯得尤為重要。為此，基于上述問題，結(jié)合強電實驗室及設(shè)備自身特點，構(gòu)建基于電工實訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學平臺勢在必行。

二 強電實驗室及電工實訓(xùn)設(shè)備特點

相比于電子、通訊類等實驗室，強電實驗室及電工實訓(xùn)設(shè)備具有電壓等級高、危險系數(shù)高、對操作人員要求高等特點，相關(guān)操作具有嚴格操作規(guī)程。同時，在實際生產(chǎn)中，從事相關(guān)專業(yè)人員必須經(jīng)過全面系統(tǒng)培訓(xùn)后持證上崗，非專業(yè)人員嚴禁相關(guān)操作。為此，在學生剛剛接觸到相關(guān)實驗前，應(yīng)規(guī)范操作流程、建立安全意識、嚴格遵守操作規(guī)程，對學生今后從事相關(guān)專業(yè)并逐步養(yǎng)成安全習慣具有重要意義。因而，本虛擬操作仿真教學平臺，在設(shè)計之初將學生對實驗過程的整體把握和進入實驗室后開展相關(guān)實驗的操作規(guī)程放到首要位置，有利于學生今后走上工作崗位后，在新環(huán)境下面對相關(guān)實驗，減少出現(xiàn)不會操作和誤操作的危險情況。

三 虛擬操作仿真教學平臺結(jié)構(gòu)

基于電工實訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學平臺主要由實驗室及實訓(xùn)設(shè)備簡介模塊、電源安全操作模塊和實驗操作規(guī)程模塊構(gòu)成。其中實驗室及實訓(xùn)設(shè)備簡介模塊用于介紹實驗室與實訓(xùn)設(shè)備的相關(guān)情況，使學生經(jīng)過課堂理論教學和對本課程知識體系有了較為清晰的認識后，在進入實驗室前對實驗室及設(shè)備有一個初步了解，當進入實驗室后能夠快速熟悉和適應(yīng)實驗室；電源安全操作模塊用于向?qū)W生重點介紹在今后實驗過程中涉及到的電源操作環(huán)節(jié)，切實提高電源操作在整個實驗過程中的核心地位，讓學生重視電源操作，明確直流電源、交流電源操作過程中經(jīng)常出現(xiàn)的誤操作。筆者從多年實驗教學中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)情況下學生做不出實驗結(jié)果或燒毀實驗設(shè)備，90%以上的原因是電源操作不當；實驗操作規(guī)程模塊主要是對實驗課程中開設(shè)的實驗在實訓(xùn)設(shè)備上按照具體操作規(guī)程進行強化訓(xùn)練，包括實驗操作預(yù)覽、設(shè)備模擬操作、常見錯誤操作和操作過程考核。其中實驗操作預(yù)覽能夠快速熟悉實驗步驟以及其中的具體操作注意事項，設(shè)備模擬操作是用于學生在設(shè)備上模擬本次實驗的具體操作，常見錯誤操作是將近年來學生經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤操作融入到虛擬仿真教學平臺用于展示本實驗中經(jīng)常出現(xiàn)的不當操作及誤操作，操作過程考核用于檢驗學生是否掌握本實驗操作規(guī)程。

四 虛擬操作仿真教學平臺實現(xiàn)

為了能夠最大限度模擬實驗室現(xiàn)場真實操作，利用Solidworks、3ds Max 和Unit 3D 等作為開發(fā)工具，按比例構(gòu)建實驗室及實訓(xùn)設(shè)備平臺三維模型，并進行虛擬仿真交互設(shè)計，開發(fā)基于電工實訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學平臺，使平臺能夠真實還原實驗室場景。學生在虛擬平臺上完全能夠模擬真實實驗操作全過程，進入實驗室后，在授課老師或?qū)嶒灷蠋煹闹笇?dǎo)下能夠快速轉(zhuǎn)變角色并按照操作規(guī)程完成本次實驗。首先，使用Solidworks 對實驗室、試驗臺及掛件等進行三維建模；然后，將模型導(dǎo)入3d Max 中，對模型進行編輯、貼圖等工作，并導(dǎo)出為.fbx 格式文件；再次，將文件導(dǎo)入Unity 3D 軟件平臺，完成交互式虛擬操作程序設(shè)計；最后，生成可應(yīng)用程序。

圖1 虛擬操作仿真教學平臺結(jié)構(gòu)示意圖

五 虛擬仿真教學平臺操作步驟

為了保證學生能夠嚴格按照操作規(guī)程完成實驗，本平臺中涉及的每個模塊之間相互關(guān)聯(lián)，缺一不可。操作過程依次進行，保證學生能夠結(jié)合實驗指導(dǎo)書、全面高效地完成實驗預(yù)習。具體操作如下：

（一） 實驗室及實訓(xùn)設(shè)備簡介模塊

進入本模塊，了解本實驗課程對應(yīng)實驗室基本情況，包括實驗室安全標識（禁止吸煙、請節(jié)約水電、人走斷水斷電、實驗室安全信息牌等）、安全衛(wèi)生制度、學生安全守則和實訓(xùn)設(shè)備整體介紹（包括試驗平臺的組成以及各部分功能特點）等，通過本模塊使學生對實驗室及實訓(xùn)設(shè)備形成一個比較宏觀的認識，只有完成本模塊學習才能進入下一模塊學習。

（二） 電源安全操作模塊

完成實驗室及實訓(xùn)設(shè)備簡介模塊后，進入本模塊。本模塊以電源安全操作為主線展開，使學生在進入實驗室后，面對陌生的實訓(xùn)設(shè)備，能夠從容開展實驗，減少或避免發(fā)生電源誤操作。首先，對實訓(xùn)設(shè)備起動與停止操作，主要對實驗設(shè)備進行正常供電與斷電操作，并能模擬在由于誤操作發(fā)生設(shè)備故障或聲信號報警時快速關(guān)斷設(shè)備電源。經(jīng)過多年實驗教學發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)備具有安全保護功能，但仍避免不了由于誤操作引發(fā)的設(shè)備故障或聲信號報警。為此，模擬本操作十分必要，既能使學生在設(shè)備發(fā)生故障時及時切斷電源，避免事態(tài)擴大，又能節(jié)約實驗課上時間，提高實驗效率；然后，對交流電源與直流電源操作，由于將近年來學生經(jīng)常出現(xiàn)的電源操作問題融入到平臺中，學生可自行查閱相關(guān)誤操作及其影響，避免自己進入實驗室真實實驗過程中再犯相同錯誤。最后，對設(shè)備掛件操作，本單元主要是對本課程實驗用到的設(shè)備掛件模擬接線、上電、調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)測量等操作，在涉及交流與直流電源操作時對經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤操作做出重點警示。

（三） 實驗操作規(guī)程模塊

完成電源安全操作模塊后，對設(shè)備電源及掛件安全操作方面有了更為深刻的認識，當實驗室真實實驗出現(xiàn)誤操作時能夠做到從容鎮(zhèn)定，減少或避免出現(xiàn)慌亂不安的局面。在完成上述兩模塊之后，才能進入實驗操作規(guī)程模塊，本模塊針對每個具體實驗都設(shè)置了安全操作規(guī)程。首先，預(yù)覽本次實驗操作全過程，熟悉相關(guān)操作規(guī)程和注意事項；然后，在虛擬平臺上按照相關(guān)操作規(guī)程開展本次實驗，強化實驗操作規(guī)程；再次，自行查看本次實驗常見錯誤操作及影響，進一步強化實驗操作規(guī)程；最后，在熟練掌握操作規(guī)程后進行操作過程考核，只有考核合格后，才能進入實驗室開展相關(guān)真實實驗。

六 平臺應(yīng)用

上述基于電工實訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學平臺已經(jīng)應(yīng)用于電機與拖動課程實踐教學環(huán)節(jié)，相比于前幾屆學生，本屆學生實驗課上操作設(shè)備的效率明顯提高，保證組內(nèi)每位同學都能夠在實驗室真實場景下完成一次設(shè)備操作，同時設(shè)備故障率明顯降低。除此之外，相比于單一通過指導(dǎo)書課前預(yù)習實驗的方式，學生實驗興趣得到明顯提高。這主要是因為以往學生在通過指導(dǎo)書預(yù)習時，將大量時間花費在抄寫指導(dǎo)書上，很少有時間和精力用于思考，缺少對實驗過程的整體把握。進入實驗室后，雖然有授課老師或?qū)嶒灷蠋熼_展相關(guān)指導(dǎo)，但面對陌生的機器，在課上有限時間內(nèi)，學生在很多操作方面都無從下手。應(yīng)用基于電工實訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學平臺之后，上述問題迎刃而解，老師教學和學生學習質(zhì)量得到同步提升，課程實踐教學效果顯著。

七 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于電工實訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學平臺，能夠引導(dǎo)學生在實驗課前配合指導(dǎo)書快速熟悉實驗教學設(shè)備和操作規(guī)程。平臺的應(yīng)用，激發(fā)了學生實驗興趣，進一步提高了實驗課堂教學效果。實踐表明，該虛擬操作仿真教學平臺能夠滿足實驗教學的需求，為其他高校開展相關(guān)實驗教學提供參考。