工厂供电虚拟仿真实验设计研究

　工厂供电虚拟仿真实验设计研究

　摘要:地方高校工科教育普遍存在着实验设备投入不足、实验场地受限、实践环节所占的学时比重低等问题，难以满足工程教育专业认证中人才培养目标达成度的要求．以工厂供电虚拟仿真实验设计为例，介绍了在遵循课程特点的基础上，依据“虚实结合、相互补充、以实验虚”原则，利用虚拟现实技术对工厂供电课程所要求的各类实验进行仿真模拟和实验过程的重构;利用网络技术搭建教学平台，使学生能熟练使用实验设备、提升学生对实验内容的理解力、激发学习热情，取得了很好的实践教学效果．

　关键词:地方院校;工厂供电;虚拟仿真;实验设计;教学实践

　0 引言

　工程教育的专业认证是提高工程教育专业人才培养水平的重要举措，推动了工程类专业人才培养规格与企业和社会的需求更加紧密地结合，是我国高等学校工科专业高水平建设的必由之路．由于电力行业技术、设备更新快，而课程更迭较为缓慢，造成了电气工程类专业课程在实际教学环节中存在着理论课与实验课内容相分离的情况，产生了学生实践能力的提升速度与企业对人才能力需求不同步的现象．由于地方院校资源保障能力较弱，这一问题表现得更为严重．同时，由于实验模式固定，电气类的实验受到实验设备数量、品种、安全性等方面限制，因此，传统实验教学模式有很大的局限性［1］．虚拟仿真实验教学方式是利用交互技术、建模技术、音视频技术、传感技术、网络技术等对实体实验项目进行三维重构，以实现对真实实验

　设备、实验场景、实验步骤和数据的三维重现和感知，同时与传统实验教学方式相比，拥有更高的效率、更低成本，在众多高校中得到了普遍的认可和应用［2］．虚拟仿真实验教学相比于传统教学方式，使学生摆脱原有环境的限制，熟练掌握设备使用与实验操作，在电气类实验课程教学改革中，有着重要的理论和现实意义［3］．从专业建设的实际需求出发，构建了“工厂供电”虚拟仿真实验教学平台．该平台以真实的装置和实验流程为对象，在实时渲染机上实现为教学服务的教学平台，学生可借助计算机、虚拟平台等多种终端设备，不受时间、空间限制在线开展“教－学－练”．通过加强实验教学内容的深度以及广度，拓展实验教学的空间和时间，解决了因地方高校普遍存在实验设备不足、场地受限而制约学生实践能力提升的瓶颈问题的同时，进一步激发了学生的创新思想，提升了创新能力［4］．

　1 电气类实验教学存在的问题

　在教学过程中，由于学分问题受限、设备条件不足等各种原因，导致人才培养方案中实验教学环节学分总数远少于理论课环节学分总数，如图 1 所示的云南民族大学电气工程专业学分构成情况．从而造成培养的学生实践能力差、不具备解决复杂工程问题的能力、毕业生社会认可度低等问题，从而影响学生对学校的第一志愿填报率．在电气相关专业的实验教学过程中，传统实验教学模式缺乏创新性，大多实验项目都通过实验箱进行实验分析验证．实验开始前，老师先进行演示实验，学生只能按照事先设置的实验步骤进行重复，学生实验参与积极性不高，导致学生分析与处理问题的能力较差，创新意识薄

　弱．由于学校资金来源有限，经费不足，同时实验中所使用设备价格昂贵，从而所能购买的设备数量少，加之实验场地有限，使得实验教学的开展受到时间和空间的限制，导致理论教学与实验教学不统一．

　2 工厂供电虚拟仿真实验教学平台设计

　为解决上述问题，可以采用 X3D 技术、Java 技术、网络技术，充分利用 X3D 动画交互和 Java 的脚本节点功能，完成了对“工厂供电实验”的仿真，再利用网络技术开发教学平台，以实现资源共享的效果．在教学平台中，虚拟场景的构建主要有两个步骤，分别是模型搭建与用户交互，场景构建的结构如图 2 所示［5］．三维场景构建采用3DMAX 软件进行模型构建.

　2.1 虚拟三维场景建模

　首先在 3DMAX 中导入 AutoCAD 中的图像，然后构建开关柜的模型．以 X3D 动画控制为例，使用脚本节点(Script)可以实现虚拟现实的动画设计.上述程序用于设置在虚拟场景中步行浏览的方式．在 X3D设计场景中，用户还可以设置空间氛围效果节点、声音效果节点等，经过映射、建模、纹理贴图、优化等步骤，通过 BScontactplayer 浏览器进行局部和全景等多视角浏览．

　2.2 用户交互

　用户交互用于研究用户与创建的虚拟环境的认知协调问题，使之产生动态交互效果．在用户交互环节，主要利用 Script 节点结合插补器节点、传感器节点以及路由器来完成用户交互过程．在工厂供电的仿真过程中．利用 Script 节点完成刀闸开关、电源开关等方面的模拟

　操作.下图为使用 Script 节点完成刀闸开关的模拟操作图．在图 4 中，合闸回路开关为断开状态，在使用 Script 脚本节点以后，合闸回路开关为闭合状态如图 5 所示，通过模拟各种开关的断开、闭合操作，让用户具有更好的交互感以及沉浸感.

　3 实践结果分析

　3.1 工厂供电三维虚拟仿真教学平台的推广应用

　通过近三年对学生使用工厂供电三维虚拟仿真实验教学平台进行的涉及学生学习时间与效果、学生使用维度、学生与教师的使用情况等三个大项 12 个小项内容问卷调查数据进行收集和分析，结果表明学生在实际的实验操作中花费时间更少，学习效率更高，如图 6 所示．2015年之前实践学时比重低，学生填报学校的第一志愿率较低．在2016 年之后，通过采用虚拟仿真实验教学实践环节等一系列的教学改革，通过增加学生的实践学分，开设更多实践课程来提高学生的科研水平和实践能力，提高了毕业生的社会认可度，从图 7 中可以看出，学生填报的第一志愿率明显上升．通过“虚实结合、以实验虚”的原则增设学生校外基地实习、生产实习、工厂参观等实践环节，培养学生实际操作能力、提高学习兴趣、培养学生的创新意识．针对实验设备不足、场地受限问题，在 2015 年将虚拟实训方式引入实验教学过程中，建设了多个虚拟仿真实验平台，以弥补传统实验教学设备的不足．措施实施后学生的成绩得到了极大的提高，如图 9 所示在虚拟仿真实验平台建设前，学生的科研成果数量较少，而且增长平缓，学生的科研能力受到了较大的限制．而在虚拟仿真实验平台建设后，学生

　的科研成果大幅增多，科研能力得到了较大提高．每年通过该平台进行实验的学生人数多达 200 人，经过使用，教师普遍表示学生对实验操作方法的了解情况比以前更好，实验完成速度更快，实验误操作率也有一定的减少，实验教学效果更加直观，该教学平台可以显著增加学生对实验的兴趣度，激发学生的科研创新思想，进而提升科研水平．采用传统教学方法和虚拟仿真实验教学方法对学生五个维度进行对比如图 10 所示．

　3.2 开放运行

　通过已经建设的工厂供电虚拟教学平台，学生可借助计算机、智能手机等多种形式的终端设备，不受时间、空间限制地在线开展“教－学－练”，满足多学科、多专业、不同层次的实验教学需求，见图11 所示．在对 2018 年、2019 年网站日点击访问量进行统计分析，发现学生使用该虚拟平台进行实验学习的频次较高.

　4 总结

　电气工程专业在新工科背景下，以新工科建设的问题为导向，探索出符合工程教育认证、适用于地方高校创新性人才培养模式的实验教学方法，工厂供电虚拟仿真实验平台建设后，增强了学生对实验课程的兴趣程度，提升了学生的动手能力、创新能力、分析和解决问题的能力．但是也应该认识到教学改革任重道远，需要通过不断的探索研究并完善，才能制定出兼顾学校定位和满足社会需要的人才培养方案，从而为社会更好地培育出更多具有创新能力和实践能力的实践性人才，使我国的工程教育无论在数量上，还是质量上在国际互认的前

　提下迈上更高的阶段．

　参考文献:

　［1］王金岗，林磊．工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计［J］．职教论坛，2013(17):26－29．

　［2］孙爱娟．高职院校推进虚拟仿真教学改革攻略［J］．中国教育信息化，2012(1):61－63．

　［3］龙英文，汪敬华，章伟，等．电子实习教学引入虚拟仿真教学环节更好培养学生综合能力［J］．教育教学论坛，2017(44):128－129．

　［4］王孙禺，赵自强，雷环．国家创新之路与高等工程教育改革新进程［J］．高等工程教育研究，2013(01):14－22．

　［5］胡珏．工程教育改革背景下的工程训练平台研究［D］．杭州:浙江大学，2009．

　［6］王晶琳，焦玮．虚拟现实技术与应用［J］．实验技术与管理，2003(1):58－61．

　［7］林向义．虚拟现实技术在电力培训中的应用［D］．大庆:大庆石油学院，2004．

　［8］龚庆武，姜芳芳，陈义飞．基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统［J］．电网技术，2005(24):78－81．

　［9］李洪亮，李想，崔浩龙，等．基于虚拟仿真教学平台的云计算技术实验教学［J］．实验技术与管理，2016，33(11):125－129.

　作者:徐武 郭兴 唐文权 文聪 孔玲玲 单位:云南民族大学