Unity3D技術(shù)在電氣工程實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉安平，邵文冕，苑鵬濤，杜林娟，梁志強

（黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，黑龍江 哈爾濱）

一 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱 VR）技術(shù)，是計算機仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的交叉集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。

（一） 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育、軍事、工業(yè)制造、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，能夠為行業(yè)發(fā)展提供切實可行的研究方案。特別是在高校實踐教學(xué)中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，模擬實踐教學(xué)內(nèi)容的真實場景，為學(xué)生定制類真實的實踐環(huán)境，這為高校實踐教學(xué)的開展提供了新的途徑[1]。

（二） 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用軟件

VR技術(shù)用到的軟件主要有：3D模型制作軟件、圖片處理軟件、虛擬現(xiàn)實游戲開發(fā)引擎和編程語言等。3D模型制作軟件，如 3D Max、Maya等，用于構(gòu)建虛擬世界的三維模型；圖像處理工具，如Photo Shop、Core Draw 等，用于制作材質(zhì)、紋理、光照貼圖。虛擬現(xiàn)實游戲開發(fā)引擎提供了虛擬場景的快速組織、管理、發(fā)布平臺和可視化控制界面，用于場景渲染，物理模擬，特效制作，UI界面設(shè)計等，常用的虛擬現(xiàn)實游戲開發(fā)引擎有Unity3D、Unreal Engine等。編程語言是專門為VR應(yīng)用程序編寫腳本實現(xiàn)交互控制的開發(fā)語言，如JavaScript、C#等[2]。

二 電氣工程實訓(xùn)課程內(nèi)容

電氣工程實訓(xùn)課程是我校大文科專業(yè)和工科非電專業(yè)學(xué)生的必修課程，按專業(yè)不同，分成電工技能訓(xùn)練和電氣控制訓(xùn)練兩門課程。

（一） 電工技能訓(xùn)練

電工技能訓(xùn)練課程內(nèi)容是照明電路安裝實踐，訓(xùn)練項目有N地控制一盞燈、三盞燈串并聯(lián)電路和兩盞燈串并聯(lián)電路等，每個訓(xùn)練項目包括線路連接、電路檢測和送電試燈3個步驟。

（二） 電氣控制訓(xùn)練

電氣控制訓(xùn)練課程內(nèi)容是三相交流異步電動機控制線路安裝實踐，訓(xùn)練項目有自鎖控制線路、正反轉(zhuǎn)控制線路、自動往返控制線路和順序控制線路等，每個項目包括線路連接、電路檢測和送電試車3個步驟。

三 電氣工程實訓(xùn)虛擬實踐平臺

（一） 虛擬實踐平臺研究過程

在使用Unity3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎之前，要進(jìn)行資源采集，包括模型、圖片和聲音等。采用Maya2016軟件進(jìn)行3D建模，構(gòu)建電氣工程實訓(xùn)所需的實踐臺、元器件、導(dǎo)線、工具和儀表等模型；用Photo Shop 來處理模型貼圖文理。將制作好的模型以FBX文件形式導(dǎo)入到Unity3D建立的虛擬世界中，進(jìn)行動畫制作、動態(tài)交互等功能，通過C#語言編程控制來實現(xiàn)各種狀態(tài)的調(diào)用。最后是項目發(fā)布，通過Unity3D游戲開發(fā)引擎，可以將調(diào)試好的電氣工程虛擬實踐平臺發(fā)布到電腦Windows平臺上運行，也可以發(fā)布到手機Android平臺上運行[3]。

按學(xué)生專業(yè)和課程內(nèi)容不同，電氣工程虛擬實訓(xùn)平臺，由電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺和電氣控制訓(xùn)練虛擬實踐平臺兩部分組成。

（二） 電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺

電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺開始界面見圖1，點擊“1一控一燈”，開始照明電路一個開關(guān)控制一盞燈的虛擬實踐。下面以一個開關(guān)控制一盞燈為例，對電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺進(jìn)行闡述。

（1）線路連接

在線路連接之前，首先要做的是線管穿線，一個開關(guān)控制一盞燈的線管穿線演示圖片見圖2，為了顯示直觀，將實踐臺桌面及網(wǎng)板隱藏。

（2）電路檢測

電路檢測界面見圖3，點擊“停電檢測”，會顯示萬用表，點擊“撥動S1”，會顯示正確的測量數(shù)據(jù)；依次點擊“閉合QF1”、“閉合QF2”、“撥動S1”，萬用表隱藏，燈泡能夠發(fā)光，再次點擊“撥動S1”，燈泡熄滅。

（三） 電氣控制訓(xùn)練虛擬實踐平臺

電氣控制虛擬實踐平臺開始界面見圖4，點擊“1自鎖控制線路”，開始電動機自鎖控制線路的虛擬實踐。下面以自鎖控制線路為例，對電氣控制訓(xùn)練虛擬實踐平臺加以說明。

（1）線路連接

自鎖控制線路的線路連接界面見圖5，其中①～⑤是主電路接線，⑥～⑧是控制電路接線。點擊“①M Δ”按鈕，電動機Δ形連接的導(dǎo)線就會連接到指定位置；再次點擊，攝像機會移動，聚焦到剛才連接的導(dǎo)線，顯示具體的接線狀態(tài)。

（2）斷電檢測

自鎖控制線路的斷電檢測界面見圖6，點擊“按下KM”，進(jìn)行主電路檢測；點擊“按下SB1”，進(jìn)行控制電路檢測。依次點擊按鈕①～③，萬用表表筆依次測量負(fù)載開關(guān)下端UVW三相之間的電阻值，判斷線路是否連接正確。

（3）送電試車

自鎖控制線路的送電試車界面見圖7，依次點擊“①Q(mào)F1”、“②QF2”，閉合電源開關(guān)和負(fù)載開關(guān)；點擊“③SB1”，電動機葉輪轉(zhuǎn)動，點擊“④SB2”，電動機葉輪停止轉(zhuǎn)動。

四 電氣工程虛擬實踐平臺特點

（一） 形象直觀、方便教學(xué)

電氣工程虛擬實踐平臺，可以將在實驗室和課堂里無法真實呈現(xiàn)的、學(xué)生不易理解的教學(xué)難點，通過虛擬仿真技術(shù)展示出來，變抽象為形象，進(jìn)而完成虛擬實踐；同時還可以運用計算機人工智能對虛擬實踐的教學(xué)效果進(jìn)行分析和評價[4]。

（二） 材料低損耗、人身低危險

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行電氣工程虛擬實踐，可以在電腦上進(jìn)行，也可以在手機上上完成。在掌握一定的實踐操作技能之后，再進(jìn)行真正的電氣工程實訓(xùn)操作，可以最大限度避免由于誤操作造成的人身傷害和設(shè)備損壞，降低教學(xué)材料的消耗[5]。

五 結(jié)語

電氣工程虛擬實踐平臺在投入實踐教學(xué)應(yīng)用后，取得了很好的教學(xué)效果，當(dāng)然也存在著很多缺點和不足，需要今后不斷改進(jìn)和提高。同時，因為掌握的虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及計算機編程水平的限制，目前只開發(fā)了單機版、桌面式的電氣工程虛擬實踐平臺，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)版、沉浸式的電氣工程虛擬實踐平臺，有待今后去開發(fā)研究。