基于虛擬現(xiàn)實的“電氣技術應用”課程教學實踐

摘要：隨著技術的發(fā)展和教育信息化的推進，虛擬現(xiàn)實技術在高?！半姎饧夹g應用”課程教學中得到了廣泛應用。將虛擬現(xiàn)實技術應用于“電氣技術應用”課程教學中具有諸多優(yōu)勢。教師可基于虛擬仿真平臺，實施情景教學、探究教學、案例教學等多元化教學，充分調(diào)動學生的學習熱情，提高課堂教學效率。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；“電氣技術應用”課程；教學實踐

“電氣技術應用”課程是一門前沿性學科，與國民經(jīng)濟的發(fā)展緊密關聯(lián)。同時，電氣技術的信息化、智能化應用，是未來電氣工程發(fā)展的核心領域。在此背景下，高校“電氣技術應用”課程教學應緊跟社會與時代需求，培養(yǎng)綜合能力較強的電氣工程專業(yè)高層次人才。在“電氣技術應用”課程教學中，教師既要著眼于理論培養(yǎng)，強化學生對電子電工系統(tǒng)控制、計算機技術等方面基礎知識的掌握，還要著眼于學生的技術分析和問題解決能力，提升學生在系統(tǒng)運行、自動控制、電力電子技術、信息處理、實驗技術等方面的技能。在教學實踐中，教師要重視虛擬現(xiàn)實技術的應用，引導學生全面學習“電氣技術應用”課程，一方面為學生未來的就業(yè)奠定良好的基礎，另一方面為企業(yè)和社會培養(yǎng)更符合需求的高層次優(yōu)秀人才。

一、虛擬現(xiàn)實技術應用于“電氣技術應用”課程教學的優(yōu)勢分析

虛擬現(xiàn)實技術是指通過組合或分區(qū)嵌入的計算機資源，從而讓資源表現(xiàn)為一個或多個操作環(huán)境，通過優(yōu)化原有資源配置，實現(xiàn)便捷外部訪問的綜合性技術。虛擬現(xiàn)實技術的應用，可將一些物理資源變?yōu)檫壿嬌峡晒芾淼馁Y源，通過創(chuàng)建基于計算機的虛擬仿真系統(tǒng)，為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官的逼真體驗。當前，虛擬現(xiàn)實技術的應用范圍持續(xù)擴大。通過立體圖像的生成、交互感知設備的應用、AI技術的加持，可為學生提供沉浸式的學習體驗。這為“電氣技術應用”課程教學帶來了巨大便利。

（一）為學生帶來沉浸式學習體驗

虛擬現(xiàn)實技術可為學生創(chuàng)造高度逼真的學習情境，讓學生實現(xiàn)對與電氣工程相關知識的有效學習。尤其在開展數(shù)字電路基礎、電氣電子技術、PLC技術應用等知識的教學時，在理論教學的同時，教師可借助虛擬仿真技術為學生創(chuàng)設真實情境，結合實驗操作、案例展示，提高學生的學習興趣，促進學生對專業(yè)知識的深度理解，讓學生高效掌握“電氣技術應用”課程相關核心知識。

（二）突破時空限制，服務于學生個性化學習

“電氣技術應用”作為高校電氣工程專業(yè)重點課程之一，對學生的綜合能力提出了更高的要求。除了教師在課內(nèi)進行重難點知識的集中講解外，大部分內(nèi)容需要學生在課外時間自主學習。在“電氣技術應用”課程教學中引入虛擬現(xiàn)實技術，極大地降低了學校對實驗設備、場地等硬件設施的投入，有助于讓學生開展跨時空的自主學習。針對一些重難點實驗，還可以讓學生反復學習，讓學生對自動化生產(chǎn)設備和控制系統(tǒng)運行維護管理等方面知識形成系統(tǒng)了解。

（三）可有效提高教學的安全性

“電氣技術應用”課程教學工作的開展需理實結合。一些電氣設備成本較高，在電氣線路安裝維護過程中，對學生自身操作技術、細節(jié)測控能力也有非常高的要求。在沒有充分準備的前提下，讓學生直接進入實驗室或場地進行實物操作，極易出現(xiàn)各類安全事故。虛擬仿真技術可以模擬現(xiàn)實環(huán)境，基于該技術，學生可以在虛擬仿真環(huán)境中了解各類電氣設備的運行狀況，支持學生高效學習的同時，能最大限度地保障學生的人身安全，降低對昂貴設備的損壞風險。引入虛擬仿真技術設備，學校無需大量反復購進實驗設備，就可以讓學生實現(xiàn)靈活、自主的學習。這樣，學生既學習的專業(yè)知識，也可對安全操作形成新的認知，從而助力學生職業(yè)素養(yǎng)的穩(wěn)步提升。

二、虛擬現(xiàn)實技術應用于“電氣技術應用”課程教學特點分析

虛擬現(xiàn)實技術為“電氣技術應用”課程教學提供了巨大的便利。借助虛擬仿真技術，學?？山Y合教學進度安排優(yōu)化教學管理體系。

（一）沉浸感

虛擬現(xiàn)實技術是在計算機技術基礎上發(fā)展起來的一種綜合性技術，在使用過程中，可為學習者帶來良好的沉浸式體驗。虛擬仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)對外部世界的數(shù)字化模擬。當學生進入三維虛擬學習環(huán)境中時，可以獲得視覺、聽覺、觸覺、感覺等多方面的鮮活體驗。對“電氣技術應用”課程了解不是很深入的大學生而言，教師利用虛擬現(xiàn)實技術開展教學，可以為其帶來與真實世界高度統(tǒng)一的學習融入感。

（二）交互感

“電氣技術應用”課程作為一門綜合性課程，涉及的內(nèi)容較多，在線路安裝控制等方面的綜合性也比較高。學生在學習過程中，很難完全照搬課本理論知識進行實踐操作，這就需要通過虛擬現(xiàn)實技術，讓學生在實踐操作中得到實時反饋。在“電氣技術應用”課程教學中融入虛擬現(xiàn)實技術，教師可以抓取一些真實物象，讓學生按步驟獨立完成操作。自然感知交互可為學生提供實時反饋，當學生操作正確時，系統(tǒng)可以給予學生積極正面的反饋。當學生操作出現(xiàn)偏差時，系統(tǒng)會及時引導學生糾正偏差。虛擬現(xiàn)實技術為學生提供的交互式體驗，可幫助學生在學習實踐中查漏補缺，讓學生扎實掌握各項操作技能。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，學生的學習成果也可以被有效記錄，從而幫助學生明確學習薄弱環(huán)節(jié)，繼而實施針對性教學。

（三）多感知性

與做測試題不同，借助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開展“電氣技術應用”課程實踐學習，學生不僅可以獲得對錯評價，還可以從聽覺、視覺、觸覺、運動感知，甚至嗅覺、味覺等多個方面獲得真實的學習體驗。所以，在“電氣技術應用”課程學習中，既需要學生進行基本步驟的操作，還要對系統(tǒng)的多元信息進行有效抓取。通過這種方式可以高度還原現(xiàn)實世界，讓學生學會結合外部環(huán)境來判斷問題點并尋找解決方案，從而為學生提供完整的電氣技術應用學習體驗。多交互性可以讓學生在信息處理、技術應用和系統(tǒng)調(diào)試等多方面實現(xiàn)針對性訓練。針對一些綜合性任務，教師還可以讓學生多人協(xié)作、密切配合、共同完成。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為學生帶來真實逼真的學習場景，讓學生所有的感知系統(tǒng)被打開，為學生創(chuàng)新能力的發(fā)展奠定基礎。

三、虛擬現(xiàn)實技術與“電氣技術應用”課程的融合路徑

實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術與“電氣技術應用”課程教學有效融合，需要從多個層面為學生提供學習指引，貼合學生的個性化學習需求，推動課程資源的綜合開發(fā)。同時，通過生動直觀虛擬情境的引入，幫助學生學習專業(yè)知識、強化實踐技能，提升教學效果。

（一）結合教材推進虛擬演示動畫開發(fā)

教材是落實教學工作的重要載體。在“電氣技術應用”課程教學落實中，教師也要從教材入手，對課程涉及的內(nèi)容進行綜合改編。校內(nèi)專業(yè)教師可以與虛擬現(xiàn)實技術領域專家開展有效對話，將電氣工程教材資源與虛擬現(xiàn)實技術有效整合，結合學生認知水平開發(fā)制作模擬動畫，讓學生通過虛擬仿真動畫的觀看，有效掌握課堂重點內(nèi)容，助力學生從工作原理、工作過程、系統(tǒng)認知等多個方面進行專業(yè)知識學習。將靜態(tài)的文字通過動態(tài)模擬方式來呈現(xiàn)，并與現(xiàn)實生活中的案例相關聯(lián)，讓學生獲得沉浸式學習體驗。

虛擬演示動畫的引入，也可以推進教、學、做合一，讓學生在觀看動畫的同時，完成一些練習性題目，促進學生對課程內(nèi)容的有效鞏固。教師還可引導學生結合理論知識，嘗試對畫面呈現(xiàn)的內(nèi)容進行解析，幫助學生綜合掌握系統(tǒng)工作原理、性能、特點。虛擬演示動畫可以反復播放，有助于節(jié)約教師講解的時間，支持學生的個性化學習，從而穩(wěn)步提升“電氣技術應用”課程的教學效果。

（二）加強虛擬仿真實驗平臺開發(fā)

新工科建設背景下，高?！半姎饧夹g應用”課程對學生實踐能力的培養(yǎng)越來越重視。傳統(tǒng)的電氣實驗室和實驗器材已不能滿足當前學生學習發(fā)展的多元化需求。在教學工作開展過程中，學校要重視對虛擬仿真實驗平臺的有效開發(fā)，為學生的學習進步提供強勁動力。

虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)，應跳出單純的校內(nèi)教學，需要校企共建，實現(xiàn)對真實環(huán)境的有效模擬。結合電氣技術應用的具體外部空間，構建虛擬仿真實驗平臺，基于虛擬顯示技術，實現(xiàn)對真實作業(yè)環(huán)境和具體實踐操作步驟的有效模擬，保障學生在虛擬仿真實驗平臺可以獲得真實的電氣技術應用環(huán)境的完整操作體驗。因為虛擬仿真實驗平臺本身的利用率比較高，而且囊括的數(shù)據(jù)非常多，因此，其還要具備易于維護、升級更新快的優(yōu)點，才能不斷納入新的內(nèi)容。

搭建基于云服務的虛擬仿真實驗教學平臺，可以讓學生足不出戶就能體驗一些極端或高危環(huán)境下的電氣技術應用實戰(zhàn)。平臺通過學習環(huán)境模擬、實驗操作支持、開展有效測評指導，可讓學生實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的虛擬化學習。在大數(shù)據(jù)技術的支持下，利用虛擬仿真實驗平臺，教師可以科學評估并分析學生的實驗成果，并以之為基礎進行教學優(yōu)化和為學生提供針對性的指導。虛擬仿真實驗平臺提供了非常真實的實驗環(huán)境，繽紛多彩、清晰生動的畫面可以讓學生高效學習“電氣技術應用”所涉及的多元知識，對培養(yǎng)學生嚴謹認真的學習態(tài)度，促進良好學風校風的形成也帶來積極助力。

四、虛擬現(xiàn)實技術應用于“電氣技術應用”課程教學的實訓模式

將虛擬現(xiàn)實技術應用于“電氣技術應用”課程教學中，要充分體現(xiàn)實踐出真知的育人理念。在虛擬仿真實訓平臺的應用過程中，學生要進行數(shù)據(jù)的分析，教師要對教學模式進行充分創(chuàng)新，以為學生提供更多的學習機會，促進學生綜合能力的穩(wěn)步提升。

（一）開展情景式教學，助力學生系統(tǒng)掌握知識

應用虛擬現(xiàn)實技術開展“電氣技術應用”課程教學，教師要化繁為簡，抓住課程核心內(nèi)容，構建真實應用場景，讓學生進行系統(tǒng)學習。例如，在學習“風光互補發(fā)電系統(tǒng)工作原理”時，借助虛擬仿真實驗教學，可以為學生的場景體驗提供有效輔助。利用虛擬仿真系統(tǒng)，將光伏發(fā)電控制系統(tǒng)、風機模型、蓄電儲能裝置綜合為一體，幫助學生綜合掌握并網(wǎng)逆變器裝置的配置方式，學會風機模型及控制系統(tǒng)的操作。

教師以場景引入的方式，讓學生參與情境學習，引導學生熟悉即將面對的工作場景，扎實了解實驗原理，并按照規(guī)范操作步驟完成光伏和風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)和離網(wǎng)操作。這種教學方式有助于學生系統(tǒng)地掌握課程知識，提升實踐能力，從而為后續(xù)的學習和未來的工作打下堅實的基礎。

（二）開展探究式教學，增強學生創(chuàng)新意識

應用虛擬現(xiàn)實技術指導學生學習“電氣技術應用”課程，讓學生在具體場景中完成實踐操作，既有助于學生鞏固所學知識，還能提高學生的操作熟練度。為了提高學生解決問題的能力，教師還要積極引入探究式教學，通過設定一些探究式任務，讓學生在真實場景中熟悉對各類設備的有效操作，同時有助于學生跳出教師的說教引導，進行探索型操作，如結合目標條件設定不同參數(shù)，選擇相應的設備進行有效的控制操作。在此過程中，教師可以要求學生寫出實驗步驟，總結實驗原理。在實驗完成后，以小組為單位對整個學習過程進行復盤分析。以學生為主體開展項目式探究，有助于讓學生深刻理解電氣技術應用的原理和工作模式，培養(yǎng)學生良好的創(chuàng)新意識。

（三）強化案例分析提高學生問題解決能力

“電氣技術應用”課程的學習要面向學生今后的就業(yè)，因此，教師應當鼓勵學生在面對不同問題時，基于自身學習經(jīng)驗嘗試解決問題，并適時給予引導和幫助，幫助學生提供故障排查、系統(tǒng)修復等能力。同時，學校應積極創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實技術實驗基地，讓學生開展虛擬仿真實驗的同時，深入真實場景，最大限度地接近現(xiàn)實問題并嘗試進行數(shù)據(jù)分析與問題排查，從而有效提高學生的任務執(zhí)行能力和問題解決能力。

五、結束語

總之，將虛擬現(xiàn)實技術應用于“電氣技術應用”課程教學，是推動創(chuàng)新性育人的重要步驟。為了提高學生的實踐能力，為學生帶來良好學習體驗，在虛擬現(xiàn)實技術應用過程中，既要充分體現(xiàn)技術的優(yōu)勢，還要結合學生的實際需求，推進虛擬演示動畫的開發(fā)，重視虛擬仿真實驗平臺內(nèi)容的同步更新，為學生的自主學習和實踐創(chuàng)新提供有力支持。

作者單位：朱琬璐 智鵬飛 魏海峰 江蘇科技大學自動化學院

參考文獻

[1]潘歡 ，楊國華 ，藺金元.虛擬現(xiàn)實技術在電氣工程本科教學中的應用[J].實驗室科學， 2023， 26 （02）： 61-64.

[2]衛(wèi)昱含. 虛擬現(xiàn)實技術在電氣實驗教學中的應用[J].集成電路應用，2023，40 （04）： 348-349.

[3]丁貴立，康兵，許志浩等. 三維虛擬現(xiàn)實技術在電氣工程學科在線學習中的應用研究[J].科技視界， 2022， （06）： 46-48.

[4]閻發(fā)友，馬馳，唐超等.虛擬現(xiàn)實技術在電氣工程專業(yè)新能源類課程實驗教學改革中的應用[J].工業(yè)和信息化教育， 2021， （10）： 57-60+74.

[5]楊哲.基于虛擬現(xiàn)實技術的電氣工程專業(yè)實驗平臺開發(fā)[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化， 2020， 10 （10）： 44-45.