基于電工實訓設備的虛擬操作仿真教學平臺的構建

劉林，郗忠梅，施國英，張觀山

（山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安）

一 引言

目前，隨著國家對實驗教學投入不斷增加，新建實驗室、采購設備、更新教學資源等措施使得實驗教學中心面貌煥然一新，實驗教學條件得到了進一步改善。隨著近些年的擴招致使學生基數加大[1]，同時大學里轉專業的火爆[2]，促使某些熱門專業如電氣專業學生人數逐年攀升，再加上人才培養方案隨之改變，例如將很多先前課內實驗轉為獨立設課實驗，使得學生的實驗課時數成倍增加。上述情況致使實驗教學中心現階段乃至很長的一段時間內還難以保證每位學生同時使用一臺/套設備開展實驗，現階段的小班化實驗教學，最大限度也只夠保證2～3 人同時使用一臺/套設備平臺開展實驗，原有的實驗教學模式將難以滿足日益增加的實驗人時數的需求。虛擬仿真教學平臺雖然能夠突破時間和空間的限制，但不可否認其不能取代某些實驗室真實實驗的效果，而虛擬仿真教學平臺作為真實實驗的輔助手段將起到事半功倍的效果。基于此，構建一種虛擬仿真教學平臺，用于學生在實驗課前配合指導書快速熟悉實驗教學設備和操作規程，對于學生進入實驗室后快速轉變角色并按照操作規程完成實驗具有重要意義。

目前市面上相關虛擬仿真教學平臺琳瑯滿目，例如電力電子教學虛擬仿真實驗平臺[3]、供配電與照明仿真教學實驗平臺[4]、發電虛擬仿真教學平臺[5-8]、強電類課程虛擬仿真實踐教學平臺[9]、電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺[10-11]等，它們絕大多數基于matlab、multisum 等軟件，實現了課堂理論教學的虛擬仿真。然而，大多數平臺與實驗室現有的教學設備不匹配。雖然可以直接引入實驗教學，但是這種直接引入現有虛擬仿真教學平臺的模式用于新建實驗室是不錯的選擇。但很多高校經過多年發展，相關實驗室及配套教學設備資源已初具規模，重建實驗室不現實。因此，直接引入現有的虛擬仿真教學平臺將難以與實驗室現有的教學設備資源相匹配，進而無法做到有效銜接，造成教學資源的浪費。

經過文獻檢索發現，姜德晶[12]建設了電工電子虛擬仿真實驗教學平臺，并將虛擬仿真實驗引入課前預習。學生首先通過觀看網絡視頻資源，然后應用虛擬實驗平臺，最后進行真實實驗室實驗，這種實驗教學模式拓寬了實驗教學的空間和時間，取得了良好的效果。然而，如何將虛擬實驗平臺與真實實驗臺具體銜接匹配鮮有相關論述，尤其對于強電真實實驗教學設備平臺中具有嚴格要求的安全性問題，如何在虛擬實驗平臺中得到有效體現顯得尤為重要。為此，基于上述問題，結合強電實驗室及設備自身特點，構建基于電工實訓設備的虛擬操作仿真教學平臺勢在必行。

二 強電實驗室及電工實訓設備特點

相比于電子、通訊類等實驗室，強電實驗室及電工實訓設備具有電壓等級高、危險系數高、對操作人員要求高等特點，相關操作具有嚴格操作規程。同時，在實際生產中，從事相關專業人員必須經過全面系統培訓后持證上崗，非專業人員嚴禁相關操作。為此，在學生剛剛接觸到相關實驗前，應規范操作流程、建立安全意識、嚴格遵守操作規程，對學生今后從事相關專業并逐步養成安全習慣具有重要意義。因而，本虛擬操作仿真教學平臺，在設計之初將學生對實驗過程的整體把握和進入實驗室后開展相關實驗的操作規程放到首要位置，有利于學生今后走上工作崗位后，在新環境下面對相關實驗，減少出現不會操作和誤操作的危險情況。

三 虛擬操作仿真教學平臺結構

基于電工實訓設備的虛擬操作仿真教學平臺主要由實驗室及實訓設備簡介模塊、電源安全操作模塊和實驗操作規程模塊構成。其中實驗室及實訓設備簡介模塊用于介紹實驗室與實訓設備的相關情況，使學生經過課堂理論教學和對本課程知識體系有了較為清晰的認識后，在進入實驗室前對實驗室及設備有一個初步了解，當進入實驗室后能夠快速熟悉和適應實驗室；電源安全操作模塊用于向學生重點介紹在今后實驗過程中涉及到的電源操作環節，切實提高電源操作在整個實驗過程中的核心地位，讓學生重視電源操作，明確直流電源、交流電源操作過程中經常出現的誤操作。筆者從多年實驗教學中發現，絕大多數情況下學生做不出實驗結果或燒毀實驗設備，90%以上的原因是電源操作不當；實驗操作規程模塊主要是對實驗課程中開設的實驗在實訓設備上按照具體操作規程進行強化訓練，包括實驗操作預覽、設備模擬操作、常見錯誤操作和操作過程考核。其中實驗操作預覽能夠快速熟悉實驗步驟以及其中的具體操作注意事項，設備模擬操作是用于學生在設備上模擬本次實驗的具體操作，常見錯誤操作是將近年來學生經常出現的錯誤操作融入到虛擬仿真教學平臺用于展示本實驗中經常出現的不當操作及誤操作，操作過程考核用于檢驗學生是否掌握本實驗操作規程。

四 虛擬操作仿真教學平臺實現

為了能夠最大限度模擬實驗室現場真實操作，利用Solidworks、3ds Max 和Unit 3D 等作為開發工具，按比例構建實驗室及實訓設備平臺三維模型，并進行虛擬仿真交互設計，開發基于電工實訓設備的虛擬操作仿真教學平臺，使平臺能夠真實還原實驗室場景。學生在虛擬平臺上完全能夠模擬真實實驗操作全過程，進入實驗室后，在授課老師或實驗老師的指導下能夠快速轉變角色并按照操作規程完成本次實驗。首先，使用Solidworks 對實驗室、試驗臺及掛件等進行三維建模；然后，將模型導入3d Max 中，對模型進行編輯、貼圖等工作，并導出為.fbx 格式文件；再次，將文件導入Unity 3D 軟件平臺，完成交互式虛擬操作程序設計；最后，生成可應用程序。

圖1 虛擬操作仿真教學平臺結構示意圖

五 虛擬仿真教學平臺操作步驟

為了保證學生能夠嚴格按照操作規程完成實驗，本平臺中涉及的每個模塊之間相互關聯，缺一不可。操作過程依次進行，保證學生能夠結合實驗指導書、全面高效地完成實驗預習。具體操作如下：

（一） 實驗室及實訓設備簡介模塊

進入本模塊，了解本實驗課程對應實驗室基本情況，包括實驗室安全標識（禁止吸煙、請節約水電、人走斷水斷電、實驗室安全信息牌等）、安全衛生制度、學生安全守則和實訓設備整體介紹（包括試驗平臺的組成以及各部分功能特點）等，通過本模塊使學生對實驗室及實訓設備形成一個比較宏觀的認識，只有完成本模塊學習才能進入下一模塊學習。

（二） 電源安全操作模塊

完成實驗室及實訓設備簡介模塊后，進入本模塊。本模塊以電源安全操作為主線展開，使學生在進入實驗室后，面對陌生的實訓設備，能夠從容開展實驗，減少或避免發生電源誤操作。首先，對實訓設備起動與停止操作，主要對實驗設備進行正常供電與斷電操作，并能模擬在由于誤操作發生設備故障或聲信號報警時快速關斷設備電源。經過多年實驗教學發現，雖然設備具有安全保護功能，但仍避免不了由于誤操作引發的設備故障或聲信號報警。為此，模擬本操作十分必要，既能使學生在設備發生故障時及時切斷電源，避免事態擴大，又能節約實驗課上時間，提高實驗效率；然后，對交流電源與直流電源操作，由于將近年來學生經常出現的電源操作問題融入到平臺中，學生可自行查閱相關誤操作及其影響，避免自己進入實驗室真實實驗過程中再犯相同錯誤。最后，對設備掛件操作，本單元主要是對本課程實驗用到的設備掛件模擬接線、上電、調節、數據測量等操作，在涉及交流與直流電源操作時對經常出現的錯誤操作做出重點警示。

（三） 實驗操作規程模塊

完成電源安全操作模塊后，對設備電源及掛件安全操作方面有了更為深刻的認識，當實驗室真實實驗出現誤操作時能夠做到從容鎮定，減少或避免出現慌亂不安的局面。在完成上述兩模塊之后，才能進入實驗操作規程模塊，本模塊針對每個具體實驗都設置了安全操作規程。首先，預覽本次實驗操作全過程，熟悉相關操作規程和注意事項；然后，在虛擬平臺上按照相關操作規程開展本次實驗，強化實驗操作規程；再次，自行查看本次實驗常見錯誤操作及影響，進一步強化實驗操作規程；最后，在熟練掌握操作規程后進行操作過程考核，只有考核合格后，才能進入實驗室開展相關真實實驗。

六 平臺應用

上述基于電工實訓設備的虛擬操作仿真教學平臺已經應用于電機與拖動課程實踐教學環節，相比于前幾屆學生，本屆學生實驗課上操作設備的效率明顯提高，保證組內每位同學都能夠在實驗室真實場景下完成一次設備操作，同時設備故障率明顯降低。除此之外，相比于單一通過指導書課前預習實驗的方式，學生實驗興趣得到明顯提高。這主要是因為以往學生在通過指導書預習時，將大量時間花費在抄寫指導書上，很少有時間和精力用于思考，缺少對實驗過程的整體把握。進入實驗室后，雖然有授課老師或實驗老師開展相關指導，但面對陌生的機器，在課上有限時間內，學生在很多操作方面都無從下手。應用基于電工實訓設備的虛擬操作仿真教學平臺之后，上述問題迎刃而解，老師教學和學生學習質量得到同步提升，課程實踐教學效果顯著。

七 結語

本文構建了基于電工實訓設備的虛擬操作仿真教學平臺，能夠引導學生在實驗課前配合指導書快速熟悉實驗教學設備和操作規程。平臺的應用，激發了學生實驗興趣，進一步提高了實驗課堂教學效果。實踐表明，該虛擬操作仿真教學平臺能夠滿足實驗教學的需求，為其他高校開展相關實驗教學提供參考。