電力場景化互動虛擬仿真課件的構建方法與創新教學探究

盧茜 孫蓉 唐錦

摘要：

在傳統的電力教學模式中，課堂缺乏互動性，理論課程教學難度較大，實踐操作難以實施。特別是對于電力行業的職業培訓而言，更多需要的是進行理論的延伸和實踐，需要結合工程實際情況來進行實踐教學，電力專業理論知識在理解上難度偏大，工程設備結構復雜，傳統的教學方式很難達到十分理想的教學效果。因而提出了基于虛擬現實技術的電力場景化仿真課件的構建，利用Unity 3D技術結合重大工程實際案例創新教學方法，設計了34課時的課程內容。為了了解該教學方法教學效果，通過對2019年9月的最新一批入職員工的教學培訓對照實驗，可以看出基于虛擬仿真課件的教學方法相較于傳統教學方法擁有更好的教學效果。

關鍵詞：

場景化; 虛擬現實; 電力; 課件; 創新教學

中圖分類號： TP 399

文獻標志碼： A

Research on the Construction Method and Innovative Teaching of

Electric Power Scene Interactive Virtual Simulation Courseware

LU Qian， SUN Rong， TANG Jin

（Research Institute， Stare Grid Jiangsu Electric Power Co. Led.， Nanjing， Jiangsu 211100， China）

Abstract：

In the traditional electric power teaching mode， the classroom lacks interaction， the theory course teaching is difficult， and the practice operation is difficult to implement. Especially for the vocational training in the power industry， it needs more theoretical extension and practice， and practical teaching should be combined with the actual situation of the project. The theoretical knowledge of power specialty is difficult to understand， the structure of engineering equipment is complex， and the traditional teaching method is difficult to achieve very ideal teaching effect. Therefore， this paper puts forward the construction of electric power scene simulation courseware based on virtual reality technology， and uses Unity 3D technology and innovative teaching methods of major engineering practical cases to design contents of 34 classes. In order to understand the teaching effect of this teaching method， we can see that the teaching method based on virtual simulation courseware has better teaching effect than the traditional teaching method through the contrast experiment of the latest batch of employees teaching and training in September 2019.

Key words：

scene; virtual reality; power; courseware; innovative teaching

0引言

隨著現代互聯網技術的快速發展，現代信息技術越來越多的應用到教學之中，新的教學模式改變了傳統教學中許多的教學方式，不但能夠更吸引學生的興趣，而且也能夠改變傳統的學習思維方式[12]。基于虛擬現實技術的智慧課堂，能夠提高學習者動手實踐能力，進一步提高學生的自主性思考。與此同時，也能夠增進師生關系，提高師生感情[3]。當前，江蘇省的電網范圍之中，有著諸多創新工程項目在建或已投入運行，包括了UPFC工程、同里新能源小鎮、各類新型變電站工程、電網側儲能電站等。這些具有科技先進行的重大工程對于民眾甚至是部分專業的電網建設人員而言，都擁有一定的神秘感。這就使得許多電力專業人員對于重大工程的相關技術不了解，存在著十分嚴重認知上的滯后性，為了能夠改變當前的現狀，需要對這些電網電力人員進行專業知識培訓，對他們進行電力相關的創新成果和前沿技術教學[4]。傳統的教學模式難以滿足當前的電力行業教學要求，因此此次采用Unity 3D技術來制作虛擬仿真課件，以創新的教學方法來開展電力行業教學培訓。

1基于虛擬現實技術電力教學的必要性

當前電力企業的技術、設備更新速度快，特別是計算機技術的發展，推動了電力技術的革命性更新發展。隨著改革開放的不斷深入，電力企業改革正在深化，為了能夠適應更為激烈的市場競爭環境，電力企業必須要加強員工專業技術培訓，提升綜合素質能力。對于電力企業而言，員工代表了企業的核心競爭力，只有做好員工的培訓工作，才能夠使其在市場中占據一席之地，在行業中具備一定的優勢。特別是重大工程的專業培訓，有助于提升員工對高新技術的認知，了解行業產業發展趨勢[5]。但是當前電力企業對員工的重大工程培訓項目具有非常多的缺點，主要表現為培訓缺乏有效連接，沒能形成一個配套的培訓設施來進行國家電網員工的綜合培訓，既有的培訓表現的是缺乏合作，沒有適當當前培訓需要的教學體系。在培訓課程的具體實施過程中，甚至有的員工技術培訓只是為了應付培訓任務而走走過場。之所以會這樣，除了是因為傳統培訓體系所存在的不足和缺陷，另一方面是因為傳統的課程教學模式難以吸引到學員，不能夠形成學習過程中的相互配合，更難以體驗實際工程教學環境。

電力專業的課堂教學和其他專業學科相較而言，存在著更多的特殊性和復雜性，現代電力企業的知識培訓目前重點是開展電力巡查和檢修，這些專業知識具有很強的抽象性，知識點的相關性和相連性相對較弱，教學體驗效果差，再加上許多新加入的員工配合度偏低，就會受到環境空間和時間的限制影響而難以進行實踐教學，甚至有可能因為實踐教學而出現操作不當出現一定損失的情況[6]。為了改變傳統的電力教學中存在的不足，那么就必須利用現代教學技術實現場景化教學，如此可以有效解決傳統教學中存在的問題，利用對環境的改變和虛擬，結合相應的圖文和視頻資料，從而開發出具有操作性、針對性、建議性的培訓教學課件。

2虛擬仿真課件的構建

2.1課件設計整體思路

課件的制作采用的是Unity 3D進行開發，具體包含了《變電站工程》、《走進電網側儲能電站》和《走進GIL管廊工程》等課程，完成重大工程場景化的課件的開發。整個課件的構建和設計，需要滿足于對重大工程場景的認知和培訓，能夠實現課程內容和現場實際生產的同步性，包含了整個工程從設計規劃到生產設計及運營的各個階段，從而實現電力企業的優質化培訓資源建設。體驗式教學課件的設計所采用的主流引擎為市面上目前常用的Unity 3D技術，該項技術具有場景下效果真實、穩定性好、使用流暢等特點。在制定場景化教學課程內容的時候，需要根據重大工程及相關項目的世紀建設需要來進行設計，課程的內容包含了需要制定課件的專題內容以及課程中的互動形式策劃方案。為了能夠制作更高質量的虛擬仿真課件，從而實現沉浸式教學的高質量教學效果，需要采用可視化場景美術資源、動畫特效資源、程序算法資源以及語音引導資源等。為了能夠提升教學效果，需要實現場景的策劃交互，采用多種交互體驗的方式來進行場景化體驗教學，包括了獨立的展示結構認知和路線規劃式巡視漫游等。

2.2課件課程內容設計

課程內容主要包含了全景圖查看器、模型可高亮交互，教師能夠利用PPT插件將全景圖打包后，利用全景圖查看瀏覽器。教師可以利用全景圖資源在教學系統平臺上拖動全景圖來改變視角，學生可以利用教學系統學生端實現和教師的同步視角。為了便于進行視圖的轉換切換，系統支持利用手柄來進行視圖的操作，系統會默認使用凝視交互，檢測到了手柄后就會自動切換到手柄交互。在利用VR課程進行教學的時候，教師能夠高亮VR課程里面的模型進行互動，互動內容可以根據教學的需要來進行定制。為了能夠更好使用教學資源，課程需要提前上傳到教學管理系統中，必須經由教學管理系統才能夠將其啟動。為了便于課程資源的分享以及課程內容的擴充，需要提供接入教學管理系統的SDK。課程內容較多，因此需要能夠將文字內容自動轉換成為語音內容。為了滿足虛擬現實技術的課程教學，其硬件配套設備，如表1所示。

課件根據具體的工程需要和課程需要，一共設計了三個課件，分別是《走進特高壓變電工程》《走進電網側儲能電站》《走進特高壓GIL綜合管廊工程》，總計劃課時為34課時，如表2所示。

2.3課件設計關鍵技術

此次的課件制作主要采用的是Unity3D技術，這是一套集虛擬場景和三維物體的綜合游戲引擎，具有功能全面而強大的編輯器，在利用3D建模軟件構建模型的時候可以十分方便就導入到unity之中。利用它可以實現三維游戲和三維動畫的開發，同時也可以實現建筑的可視化操作，具有非常強的交互性，同時也能夠在PC端和移動端平臺進行發布。Unity屬于功能強大，容易學會和掌握，主要包含了5個視圖，即場景視圖、層次面板、檢視面板、工程面板和游戲視圖。

場景視圖是一個包含了物體、環境以及攝像機等布置的交互式視圖，利用該視圖可以選擇不同的繪制模式和渲染模式，并且利用其中的燈光按鈕來控制場景中的光照。層次面板中包含了虛擬場景所有物體，可以實現物體的移動、旋轉、添加、刪除等操作。工程面板包含了項目中所有的三維模型、音頻文件、場景等資源等資源文件，對于比較常用的資源文件，則可以將物體保存成為Perfab格式，從而實現物體的實例化。Unity場景中的物體包含了聲音、位置、光源等多種屬性，在檢視面板中，可以查看所有物體包含的屬性信息及附加腳本，通過檢視面板能夠直接設定屬性數值。

為了能夠讓用戶產生更好的沉浸感，就需要在一個逼真虛擬環境中讓用戶忘記自己實際所處的真實環境，能夠更好進入到教學環境之中。為了能夠實現這種教學效果，就需要利用虛擬模型來構建虛擬的實驗室、實驗室儀器等，對操作影響較少的模型應當盡可能多的減少多邊形數量。三維模型構建的流程，如圖1所示。

一般有四個步驟：首先是地形地貌的構建，在unity進行物體物理特性的構建，就必須依托于地形的承載，否則會導致其他模型的墜落。其次是要進行三維模型外形的實現，如果是幾何特性顯著的物體，就可以選擇多邊形建模，對于物體特別復雜的，就需要根據物體的外形特性來進行選擇。第三，進行虛擬物體的模型構建，考慮到變電站實物的復雜性和教學需要，因此要求虛擬物體要要和實物非常詳盡，無論是結構形態還是表面材質都要力求一致。在模型構建完成，需要將模型導出，導出的模型采用fbx模式，在導出之前必須要對其進行檢查，查看模型法線的正確性，模型對象的名字等，要保證不同材質物體能夠組合，且不同片面熟在64 k以內，檢查確認合格后才可以將模型導出。

3虛擬仿真課件的教學效果分析

3.1教學對比實驗

為了驗證此次提出的虛擬仿真課件在實際教學中的應用效果，此次對其進行了教學對比實驗。此次選取2019年9月新一批員工進行入職教學培訓的效果觀察，采用課堂觀察法來進行不同教學效果的觀察研究。分為教學實驗組和教學對照組，其中的教學實驗組為一班共42人，教學對照組為二班共41人。教學的地點選擇電科院中心實驗室虛擬現實沉浸式互動教室和實訓路多媒體教室，實驗組教學內容是開展新員工的場景體驗教學，具體的教學課程是“走進重大工程”的體驗式教學方式。教學對照組采用的傳統的教學課件和傳統的教學方法，教學的課時長和教學內容與教學實驗組一致。為了進行教學效果的對比分析，通過問卷調查的方式了解采用虛擬仿真課件的教學效果，具體包括了受培訓人員對教學課程知識點的掌握情況及學習成績水平的考核。