基于Web的電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺構(gòu)建

程鵬飛

（漯河技師學(xué)院，河南 漯河 462000）

0 引 言

在學(xué)生掌握電工技術(shù)知識與技能后，需要對其進(jìn)行電工實訓(xùn)教學(xué)，幫助其熟練掌握所學(xué)知識與技能[1]。通過開展電工實訓(xùn)教學(xué)，可幫助學(xué)生提升其自身的實踐能力。但實際電工實訓(xùn)教學(xué)過程中，因為電工實訓(xùn)需要接觸的設(shè)備較為危險，且教師數(shù)量有限，無法全程指導(dǎo)每名學(xué)生，所以在學(xué)生出現(xiàn)錯誤操作情況下，可能會影響學(xué)生的健康安全[2]。為降低電工實訓(xùn)的危險性，各高校僅開展弱電操作，降低強(qiáng)電操作次數(shù)，但這樣不利于學(xué)生全方位掌握電工技能[3]。仿真技術(shù)屬于網(wǎng)絡(luò)與信息處理技術(shù)的結(jié)合體，通過仿真軟件搭建仿真環(huán)境，以虛擬技術(shù)呈現(xiàn)實際物體。仿真技術(shù)具備成本低、安全性高的優(yōu)勢，不需要學(xué)生在實時環(huán)境中操作，也能夠獲取精準(zhǔn)的操作結(jié)果[4]。將仿真技術(shù)與電工實訓(xùn)教學(xué)結(jié)合到一起，不僅能夠提升電工實訓(xùn)操作的安全性，還能夠加深學(xué)生對電工知識與技能的印象[5]。為此，構(gòu)建基于Web的電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺，提升電工實訓(xùn)教學(xué)效果。

1 電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺

利用Web的技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺，該平臺中共包含三部分，分別是Web客戶端、服務(wù)器端和數(shù)據(jù)庫?；赪eb的電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)

Web客戶端負(fù)責(zé)為用戶提供信息訪問與遠(yuǎn)程服務(wù)功能。Web客戶端會為用戶提供瀏覽器，用戶在提供的瀏覽器內(nèi)輸入網(wǎng)址，便可登錄電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺，進(jìn)入虛擬環(huán)境[6]，同時在Web客戶端選擇需要進(jìn)行的電工實訓(xùn)方案，進(jìn)行電工實訓(xùn)仿真教學(xué)。完成電工實訓(xùn)方案選擇后，Web客戶端會將選擇結(jié)果反饋至服務(wù)器端。

服務(wù)器端會依據(jù)用戶選擇的電工實訓(xùn)方案，控制用戶的指令流與數(shù)據(jù)流，進(jìn)行調(diào)度管理與任務(wù)分配，制定電工實訓(xùn)仿真教學(xué)流程[7]。按照用戶選擇的電工實訓(xùn)方案與用戶指令，調(diào)整電工實訓(xùn)器材的狀態(tài)，模擬生成電工實訓(xùn)場景，完成電工實訓(xùn)仿真教學(xué)。其中，交互界面設(shè)計模塊，以最大視覺傳達(dá)指數(shù)為目標(biāo)，建立視覺感知的人機(jī)交互界面設(shè)計模型，利用粒子群算法求解該模型，得到最大視覺傳達(dá)指數(shù)對應(yīng)的人機(jī)交互界面設(shè)計結(jié)果，提升交互界面設(shè)計的合理性。

數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)存儲電工實訓(xùn)仿真教學(xué)產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.1 電工實訓(xùn)仿真教學(xué)的實現(xiàn)流程

基于Web的電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺的實現(xiàn)流程如圖2所示。

為降低通信代價，加快響應(yīng)時間，該平臺選擇集中與分布相結(jié)合的方式進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。在數(shù)據(jù)庫內(nèi)集中存儲全部電工實訓(xùn)仿真教學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)[8]，在Web客戶端內(nèi)分布式存儲各用戶的相關(guān)信息。

電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺實現(xiàn)的具體步驟如下：

步驟1：學(xué)生先在Web客戶端提供的瀏覽器內(nèi)登錄電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺，然后輸入用戶基本信息，并注冊賬號。

步驟2：學(xué)生根據(jù)老師布置的電工實訓(xùn)需求，制定電工實訓(xùn)過程中的相關(guān)參數(shù)[9]。

步驟3：根據(jù)電工實訓(xùn)需求，在虛擬實訓(xùn)器材庫內(nèi)，選擇需要的虛擬實訓(xùn)器材，在交互界面設(shè)計模塊的交互界面內(nèi)，進(jìn)行實訓(xùn)仿真操作。

步驟4：老師對學(xué)生的電工實訓(xùn)結(jié)果進(jìn)行評定，并生成實訓(xùn)報告，存儲至數(shù)據(jù)庫內(nèi)[10]。

步驟5：學(xué)生可在數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)取實訓(xùn)報告，查看老師的評定結(jié)果，根據(jù)老師的評定結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)自身存在的不足，提升學(xué)生對電工知識與技能的掌握程度。

1.2 電工實訓(xùn)仿真教學(xué)人機(jī)交互界面設(shè)計

服務(wù)器端的人機(jī)交互界面設(shè)計模塊，以最大視覺傳達(dá)指數(shù)Q為目標(biāo)，建立人機(jī)交互界面設(shè)計模型，公式如下：

式中：n是視覺感知元素數(shù)量；di是第i個視覺感知元素重要度；xj是第j個交互界面區(qū)域的感知強(qiáng)度等級；m是交互界面區(qū)域劃分?jǐn)?shù)量；hij是i在j內(nèi)占據(jù)的單元格數(shù)量。

式（1）的約束條件為：

式中：hj是j內(nèi)單元格數(shù)量；ai是i的面積。

利用粒子群算法求解式（1），得到最大視覺傳達(dá)指數(shù)對應(yīng)的人機(jī)交互界面設(shè)計結(jié)果，步驟如下：

步驟1：參數(shù)初始化。

步驟2：計算粒子適應(yīng)度，如果當(dāng)下粒子適應(yīng)度大于個體極值，那么將該粒子作為個體極值；如果當(dāng)下個體極值大于全局極值，那么將該個體作為全局極值。

步驟3：更新粒子速度與位置。

步驟4：處理每次迭代產(chǎn)生的最佳粒子與最差粒子。

步驟5：當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大值時，則輸出人機(jī)交互界面設(shè)計模型的最佳解；反之，返回步驟2。

2 實驗分析

以某高校的電氣工程學(xué)院為實驗對象，利用本文平臺對該學(xué)院的學(xué)生進(jìn)行電工實訓(xùn)仿真教學(xué)，分析本文平臺的電工實訓(xùn)仿真教學(xué)效果。

在該高校的電氣工程學(xué)院內(nèi)隨機(jī)選擇一名學(xué)生，以電動機(jī)的實訓(xùn)操作為例，根據(jù)老師布置的電工實訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行電動機(jī)連線操作，并合上電動機(jī)的電源開關(guān)，按動按鈕，令電動機(jī)正常運行。學(xué)生應(yīng)用本文平臺進(jìn)行電工實訓(xùn)仿真教學(xué)，電工實訓(xùn)仿真教學(xué)的交互界面如圖3所示。

圖3 電工實訓(xùn)仿真教學(xué)的交互界面

分析圖3可知，本文平臺可有效設(shè)計人機(jī)交互界面，且界面非常清晰。學(xué)生應(yīng)用本文平臺，可有效完成老師布置的電工實訓(xùn)內(nèi)容，完成電動機(jī)的連線操作。實驗證明：本文平臺可有效進(jìn)行電工實訓(xùn)仿真教學(xué)，且人機(jī)交互界面非常清晰。

分析本文平臺在不同查全概率下的數(shù)據(jù)查詢完整性損失（Loss of Data Query Integrity，LDQI），LDQI越低，說明平臺的數(shù)據(jù)查詢誤差越低，數(shù)據(jù)查詢效果越好，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 LDQI的分析結(jié)果

分析圖4可知，隨著查全概率的提升，LDQI隨之下降；在不同查全概率下，本文平臺的LDQI均低于LDQI閾值。實驗證明：在不同查全概率下，本文平臺的LDQI均較低，數(shù)據(jù)查詢性能較優(yōu)。

平臺運行時，用戶不可操作容量越小，預(yù)留空間越大，平臺硬件的耐用性越強(qiáng)。利用放大系數(shù)衡量平臺的預(yù)留空間，放大系數(shù)越小，預(yù)留空間越大。分析本文平臺在不同并發(fā)請求數(shù)量下的放大系數(shù)，分析結(jié)果如圖5所示，放大系數(shù)閾值為0.5。

圖5 不同并發(fā)請求數(shù)量下放大系數(shù)的變化情況

根據(jù)圖5可知，隨著并發(fā)請求數(shù)量的增加，本文平臺的放大系數(shù)不斷提升，當(dāng)并發(fā)請求數(shù)量達(dá)到50個/s左右時，本文平臺的放大系數(shù)穩(wěn)定在0.45左右，并未超過放大系數(shù)閾值。實驗證明：在不同系統(tǒng)并發(fā)請求數(shù)量下，本文平臺的放大系數(shù)均較小，即平臺的預(yù)留空間較大，平臺硬件的耐用性較強(qiáng)。

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)電工實訓(xùn)教學(xué)的限制因素較多，出現(xiàn)安全事故的概率較高。為解決這一問題，構(gòu)建基于Web的電工實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺，將仿真技術(shù)與電工理論教學(xué)完美結(jié)合到一起，在降低安全事故發(fā)生概率的同時，還能加深學(xué)生對電工知識與技能的印象，提升電工實訓(xùn)教學(xué)效果，加強(qiáng)學(xué)生的實操能力。