電氣專業(yè)VR虛擬仿真實踐平臺建設探索

冷雪敏 高陽 許傲然 谷彩連

[摘 要] 隨著電力行業(yè)的發(fā)展，電力企業(yè)的就業(yè)需要越來越多實踐能力強的人才，同時由于電力設備造價高昂，占地面積大，又具備高電壓，大電流的危險，擁有電氣學科電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)的高校很難建立系統(tǒng)完善的電力實踐平臺，隨著VR技術的出現(xiàn)，在虛擬環(huán)境中學生可以熟練操作發(fā)電、變電、輸電、配電等一系列電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的實踐實驗，可以有效提升學生的動手實踐能力，建設以VR技術為基礎的電力系統(tǒng)實踐平臺，將有效提升學生的實踐能力，以應對和滿足電力企業(yè)的需求。

[關鍵詞] VR技術;虛擬仿真;實踐平臺

[作者簡介] 冷雪敏，沈陽工程學院電力學院教師。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0313-03? ? [收稿日期] 2019-09-03

一、引言

電氣專業(yè)實踐平臺建設中，電力系統(tǒng)方向一直由于電力設備的造價高昂，高電壓大電流危險的操作環(huán)境，高校很難建設系統(tǒng)的電力系統(tǒng)方向的實踐平臺，因此學生在學習過程當中，實踐能力的提升受到制約，也限制了學生在企業(yè)就業(yè)的能力，隨著VR虛擬技術的出現(xiàn)，高效可以在虛擬的環(huán)境中建設發(fā)電、配電、輸電、變電一系列電力系統(tǒng)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，讓學生在虛擬的環(huán)境中實現(xiàn)電力系統(tǒng)設備操作運維，在保證學生安全的條件下，有效地提升學生的實踐動手能力。

二、平臺教學體系

電氣專業(yè)VR虛擬實踐平臺的建設應該具備多媒體，多技術的特點。在實踐教學的過程中，首先應該利用平面媒體二維碼，手機等學生常見的可操作性的設備，讓學生初步地認知相關電力設備的特性。學生通過課前的預習，通過自己手機的學習，可以提前了解電力系統(tǒng)的組成，電力設備的概念、原理、操作規(guī)范，為課堂教學提前打好基礎。其次在課堂教學中應用大屏LED多媒體技術，虛擬技術，學生在3D環(huán)境當中，教師可以在課堂當中講解設備的原理，并在虛擬環(huán)境當中對設備進行拆裝分解，將學生在理論課程當中所學的知識和虛擬環(huán)境條件相結合，使學生更深刻地理解電力設備的原理。再完成基礎設備的學習之后，學生可以利用VR視角下的沉浸式體驗教學，由指導教師以共享的視角調(diào)節(jié)下，帶領學生系統(tǒng)地觀摩電力系統(tǒng)發(fā)電、變電、輸電、配電一系列電力系統(tǒng)設備裝置的組成，在VR虛擬實驗環(huán)境沉浸式的學習過程中學生可以規(guī)避實際電力系統(tǒng)高危的環(huán)境，近距離的觀察帶電運行，電力設備的狀態(tài)及運行的效果。在沉浸式教學當中，學生也可以看到電力系統(tǒng)當中實際的電力設備操作的各個環(huán)節(jié)與過程，為后續(xù)的實踐動手環(huán)節(jié)打下基礎。最后，學生可以利用PC、VR頭盔，操作手柄等相關虛擬實踐實驗工具，在教師設定好的相關電力系統(tǒng)操作項目中，獨立地去根據(jù)操作規(guī)程完成操作過程，在VR虛擬環(huán)境當中，配合軟件對學生的操作進行評判與打分，即便在電力系統(tǒng)帶電作業(yè)當中出現(xiàn)失誤也不會對學生造成人身危害，在虛擬環(huán)境中學生還可以重復進行實踐操作，極大地提升了學生的實踐動手能力。

三、平臺軟件體系

根據(jù)教學要求開發(fā)建設網(wǎng)站，網(wǎng)站展示的內(nèi)容包括：實驗教學項目相關信息、實驗項目介紹視頻、實驗課件資料、通知公告、實驗項目共享情況、實驗教學服務團隊、網(wǎng)絡相關要求、項目架構及研發(fā)技術、實驗教學項目特色、持續(xù)建設及服務計劃等。網(wǎng)站提供實驗項目展示信息管理功能，管理員可以維護實驗項目的展示信息，包括：名稱、實驗操作步數(shù)、實驗學時、實驗可支持的最大并發(fā)數(shù)、帶寬要求、實驗縮略圖、實驗展示圖片、實驗簡介、項目負責人、聯(lián)系電話、實驗原理和實驗要求等信息進行添加。并可上傳實驗軟件、實驗課件資料以及實驗常見問題。

軟件系統(tǒng)提供網(wǎng)絡環(huán)境帶寬提醒功能。當該實驗當前的網(wǎng)絡帶寬小于該實驗所需的最小帶寬時，系統(tǒng)會提示用戶當前網(wǎng)絡帶寬不滿足實驗帶寬要求。提供實驗時長統(tǒng)計的功能。用戶在使用實驗的過程中，實驗操作臺將實時統(tǒng)計實驗的操作時長，并在實驗結束后進行提醒。提供整體數(shù)據(jù)統(tǒng)計的功能。整體數(shù)據(jù)概覽：是對該平臺用戶訪問情況、資源的使用和開放共享情況，以及資源的評價情況進行數(shù)據(jù)的匯總分析。提供實驗項目使用統(tǒng)計的功能。通過統(tǒng)計最近7天、最近30天、最近1年實驗項目的使用量和瀏覽量。以及平均使用量和平均瀏覽量。提供實驗項目人群輻射范圍的功能。實驗項目人群輻射范圍通過用戶訪問的IP所在地來統(tǒng)計該網(wǎng)站在全國各省份的用戶數(shù)，來監(jiān)測示范項目管理平臺在全國的輻射范圍及開放共享情況。通過排名可以展示出哪些省份被開放共享的程度高。提供實驗綜合使用效果評價的功能。實驗綜合使用效果評價：通過統(tǒng)計用戶在完成各實驗后給出的評價情況，包含星級評價和點贊功能，綜合展示該平臺實驗教學項目整體的資源質(zhì)量以及開放共享的效果。

為方便與學校的教務教學系統(tǒng)對接，平臺B/S架構設計，采用J2EE技術開發(fā)，支持網(wǎng)頁界面操作方式，軟件首頁支持學生、課程教師、教務管理員、系統(tǒng)管理員使用不同的身份登錄軟件;不同的身份具有不同的操作權限;提供系統(tǒng)管理功能，包括用戶、分組、角色、權限、日志管理等。平臺提供虛擬實驗教務管理功能，包括：課程庫維護、培養(yǎng)計劃維護、開課管理等功能。教務管理人員可以根據(jù)學校的教學計劃和教學大綱進行開課計劃、開課審核的查看、增加、刪除、修改、發(fā)布，同時可查詢每學期的開課情況，同時可以設置新課程的適用對象，編輯適用班級、上課的學生數(shù)、課時數(shù)等。

平臺提供虛擬實驗教學管理功能，包括虛擬實驗資源信息的維護，虛擬實驗安排、實驗批改、成績管理、實驗報告管理（包含批改、查看、導出）等。教師可以根據(jù)實驗教學大綱和自身的要求，對系統(tǒng)預加的課程實驗進行引用，引用后，教師可對“我的實驗庫”中實驗資源進行查看、修改、刪除，同時也可以根據(jù)教學要求，從“我的實驗庫”中選擇相應的實驗安排給學生，并且可以設置實驗的開始時間和截止時間，設置實驗成績比重，包括實驗報告成績比例和實驗成績比例。教師可以根據(jù)學生提供的實驗結果及電子版實驗報告手動給予分數(shù)及評語。平臺支持的實驗類型有虛擬實驗、鏈接實驗、演示實驗、客戶端實驗、三維仿真實驗、應用虛擬化實驗。平臺提供實驗前理論學習功能，包括實驗前學生通過練習、自測等方式學習實驗理論知識。教師可維護理論學習知識點，設定策略組卷方式，維護習題庫，組卷試卷并查看學生理論測試分數(shù)。平臺提供實驗報告管理功能，支持學生在線提交實驗報告，教師可對實驗報告進行在線批注和批改，學生可導出單個實驗的報告，教師可批量導出單個實驗的所有報告;平臺提供實驗成績統(tǒng)計結果的查詢等功能：可以以實驗為單位統(tǒng)計班級成績情況。教師發(fā)布成績后，學生可查看成績。實驗成績可按單個實驗導出，也可選擇多個實驗導出;平臺提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，可以查看所有課程成績、開課成績，搜索并查詢單個學生成績，查看各開課的教學情況一覽，歷年實驗平均成績對比圖，實驗學習時長、次數(shù)和請求指導次數(shù)統(tǒng)計圖，學生在線學習實驗的情況分布圖。平臺提供實時答疑功能，使得教師和學生可通過文本實時在線交流;平臺提供非實時答疑功能，教師可將問題與回答錄入到問題庫中，方便學生通過關鍵字查找問題。