VR技術在供配電實驗教學中的應用研究

基金項目：遼寧開放大學課題；項目名稱：智能制造專業群雙元制本土化人才培養模式研究與實踐；項目編號：2021XB-50。

作者簡介：王帥（1994—），男，助教，碩士，研究方向：電力自動化，電力電子。

摘要：隨著虛擬現實（VR）技術的高速發展，它在教育領域的應用也日益受到關注。文章旨在探討VR技術在供配電實驗教學中的應用，并評估其對學生學習效果和教學質量的影響。通過VR技術可以模擬真實的工廠供配電環境，避免了實際操作中可能存在的危險和風險，降低了意外事故的發生概率。學生在虛擬環境中進行實驗，無需購買昂貴的實驗設備和材料，這降低了實驗成本。VR技術又可以提供與真實環境相似的交互體驗，學生通過操作虛擬設備、調整參數和觀察實驗結果，增強實踐能力。

關鍵詞：虛擬現實；供配電實驗；教學應用；學習效果；教學質量

中圖分類號：TP39文獻標志碼：A

0引言

在新的國際環境形勢下，我國堅持科教興國，落實科學發展觀，大力發展職業教育。職業教育注重培養學生掌握實用技能和知識，使其具備從事特定職業所需的實際能力。教學內容緊密結合實際工作需求，注重職業素養和實踐操作技能的培養，旨在通過實踐性和導向性的教學，培養學生特定職業所需的技能和素養，為其職業發展打下堅實的基礎。虛擬現實技術構建了教學新形式，通過電腦技術和仿真環境建設虛擬的實驗室，使學生可以沉浸在一個虛擬的三維實驗室中，利用頭戴式顯示設備、手柄、感應器等設備模擬視覺、聽覺和觸覺等感官來創造身臨其境的體驗，為學生提供更加真實、安全和豐富的實驗體驗。通過學生對虛擬仿真新興技術的好奇心，激發學生學習興趣，寓教于樂，提高學生的實踐能力和綜合素質。

1研究背景

隨著信息技術的迅猛發展，教育領域也開始積極探索和應用新的技術手段來提高學習效果。虛擬現實（VirtualReality，VR）技術因其沉浸式、交互性強的特點在教育領域得到了廣泛的關注和應用，被認為是教育領域的創新工具之一。通過模擬真實的環境和情境，為學生提供身臨其境的學習體驗，極大地豐富了傳統教學模式。

供配電技術是電力工程中的重要分支，主要研究電能從輸電系統進入用戶終端的分配和控制技術。供配電實驗是電氣工程專業學生的基礎實踐課程之一，對于電力專業學生來說，培養實踐動手能力和電工知識的應用具有重要作用。傳統的供配電實驗教學方式主要以實驗室為主，受實驗設備、實驗時間和空間限制，存在著實驗設備成本高、安全隱患大、實驗室資源有限等問題。而虛擬現實技術的出現為解決這些問題提供了新的途徑。

在供配電實驗教學中，VR技術的應用潛力巨大。傳統的供配電實驗教學無法使每個學生都親身參與到實際操作和面對真實的電力設備。而VR技術的引入可以有效地解決這些問題，為學生提供更加安全、便捷和實踐性的實驗教學環境，提高學生學習的效果和參與度。此外，VR技術還可以實時記錄和分析學生的學習行為和反應，為教師提供個性化的指導和反饋。因此，本文聚焦VR技術在供配電教學中的應用是受到教育技術發展、供配電教學的挑戰和需求、VR技術的優勢以及之前的研究和實踐經驗的共同驅動。希望通過這些研究來改進供配電教學的方式，提高學生的學習效果和安全性，以改善傳統教學模式的不足。

2傳統供配電技術實驗教學中存在的問題

供配電技術實訓室是電氣自動化技術及相關專業的專業核心技能培養、實驗實踐的主要場地，是基于電工技能之上的供配電技術專業技能訓練的基地，其建設和完善有著不可替代的重要作用。主要培養學生對電力系統中發電機的啟動、并網、帶負荷穩定運行的操作和控制技能，以及對電力系統線路故障時的綜合分析和故障處理能力；對供配電系統中35kV總降壓變電所、10kV高壓配電所及車間用電等電氣一次系統的投切操作、倒閘操作以及運行控制的能力；訓練學生安裝和使用工廠供電系統的繼電保護裝置、備用電源自動投入裝置的能力；培養學生對變壓器、電動機組、電流互感器、電壓互感器的維護和檢修能力。然而，傳統供配電技術實驗教學中存在一些問題影響了實驗教學的效果和安全性［1］。

21實驗設備不足和場地受限

截至2023年，大學生在校總人數超過4430萬人，全國電氣類專業計劃超8萬人，較2022年增加了26%，伴隨著人員的增多，實驗室內存在的問題也日益暴露出來。由于供配電實驗室場地受限、所需的設備和材料較為昂貴，學校通常無法提供足夠的實驗設備和材料給每個學生使用，導致學生只能通過觀摩或者模擬實驗來學習，無法真正親自動手進行實驗操作，限制了學生對實際操作的理解和掌握程度。以某廠家生產的實訓設備為例，如表1所示為供配電實驗所需的4種設備的占地面積與價格，若一個30人的班級每種設備需要10套才能滿足實驗要求；職業院校每年的資金投入有限，實驗設備成本高，難以為每個學生提供足夠的設備與場地，因而無法達到預期的實驗效果［2］。

22實驗操作難度大、過程單一

供配電技術實驗涉及復雜的電路和設備，需要學生具備一定的電工技能和操作經驗。然而，傳統的實驗教學往往缺乏適當的指導和練習機會，學生很難掌握正確的操作方法。這導致學生在實驗操作中容易出錯或者遇到困難［3］，影響了他們對實驗內容的理解和學習效果。且傳統的供配電實驗往往只是簡單地實現一些基本的電路連接和測量，通過儀器測量得到一些數值結果，學生很難直觀地觀察和理解實驗現象。這樣的實驗結果對學生的學習效果和認識程度有一定的限制。學生無法直接觀察到電流的變化、電壓的波動等實驗現象，往往只能通過數字和圖表來得到實驗結果，缺乏創新的思維和實踐能力培養。學生只是按照預定的步驟進行操作，缺乏對實驗過程的探索和發現的機會，限制了學生對實驗過程的理解和認知。這樣的實驗教學往往無法激發學生的學習興趣，限制了學生對供配電知識的深入理解。

23實驗室安全風險高

本文通過百度、微軟必應、搜狗、中國知網、萬方數據庫、維普等搜索引擎及信息資源系統進行檢索［4］。檢索關鍵詞包括大學實驗室事故、高校實驗室事故等詞條，對每項資料或文獻進行閱讀和質量評估、關鍵性統計指標進行收集，剔除重復、信息少或無法利用的數據，從事故類型、事故原因及事故發生時間等方面對2003—2022年國內高校及研究院所實驗室安全事故進行研究和分析［5］。

事故總體情況如圖1所示，2003—2022年發生的109起實驗室事故共造成199人受到不同程度的傷亡。在2006—2015年事故較多，而2016—2019年事故總數有所降低，2020年為特殊年份，科研人員居家辦公、學生居家學習，實驗室停用無安全事故，2021—2022年事故數量有所升高。

如圖2所示，實驗室事故多發生于第二季度和第四季度，分別占比3226%和2852%，第一季度和第三季度分別為2001%和1921%。實驗室安全事故多發生在第二季度和第四季度，可能有以下幾個原因：（1）第二季度和第四季度通常是學術研究和科研項目的高峰期，實驗室的工作量會相應增加。這意味著實驗室人員需要處理更多的實驗和樣品，而這些實驗和樣品可能帶來更多的風險和安全隱患。（2）第二季度和第四季度也是學術界和科研機構人員流動的高峰期。新進人員可能對實驗室環境和實驗操作不夠熟悉，容易犯錯或忽視安全規范。（3）第二季度和第四季度通常是項目截止日期和學術會議的時間節點，實驗室人員可能面臨較大的時間壓力和工作強度。（4）第二季度和第四季度通常也是氣溫升高和氣候變化的季節，這可能導致實驗室內部溫度升高，實驗操作環境變得更加復雜。高溫和濕度可能對實驗儀器和試劑的穩定性產生影響，增加了實驗操作的難度和風險。

如圖3所示，109起實驗室事故危險因素發生比例從高到低依次為危險化學品事故（615%）、設備事故（2483%）、線路安全事故（72%）、生物安全事故（485%）和其他事故（162%）。其中，設備事故可能與實驗室內的電氣設備操作不當、電線老化和維護不當有關。而供配電實驗涉及高壓電源和高功率設備，操作不當可能導致電擊、短路等安全事故，會給師生、學校和社會帶來負面影響。傳統的實驗教學中教師在講解教學過程無法顧及每個學生，且學生的實驗安全意識較低、好奇心較重，容易發生意外事故。給學生的身體安全和心理健康帶來了一定的風險，影響了學習效果的提升。

3VR技術在供配電實驗中的應用

供配電系統中存在一些危險操作，例如高壓設備操作、接地操作等。這些操作如果不規范執行，可能會導致事故發生［6］。傳統實驗中，學生需要面對這些風險進行實際操作，容易發生意外事故。而VR技術可以提供更加安全的實驗環境，通過VR技術學生可以在虛擬環境中進行實驗，避免了實際操作中可能出現的安全問題，保障了學生的人身安全［7］。

31虛擬實驗室的建設

傳統的供配電實驗通常需要大量的實驗設備和場地，而VR技術可以通過模擬實驗設備和場地的方式，將實驗室搬到虛擬環境中。通過VR技術，學生可以在虛擬實驗室中進行實驗操作，不僅可以節省實驗設備和場地，還可以提高實驗的靈活性和可重復性。首先，需要明確虛擬實驗室的建設目標和需求，包括所需實驗設備、實驗場景、實驗內容等。其次，根據需求進行虛擬環境的設計。可以利用三維建模軟件進行場景建模，包括實驗室的布局、實驗設備的模型等。利用虛擬現實開發平臺開發相應的實驗模塊，如Unity或UnrealEngine［8］。配置相應的硬件設備，主要包括頭戴式顯示器、手柄、觸摸屏以及計算機和服務器等設備。完成虛擬實驗室的開發后，需進行測試和優化，包括功能測試、性能測試等，確保虛擬實驗室的穩定性和可用性。根據測試結果進行優化，提高虛擬實驗室的性能和用戶體驗。最后，在完成測試和優化后，將虛擬實驗室部署到相應的服務器或云平臺上，供用戶訪問和使用。同時，需要進行定期的維護和更新，確保虛擬實驗室的正常運行。

32實時交互

根據實驗需求，在虛擬場景中添加適合的交互元素，如按鈕、開關、手柄等、觸控屏等設備，實現與虛擬環境的實時交互。再進行交互邏輯編程，編寫交互邏輯的代碼，實現用戶的操作能夠實時影響虛擬環境中的元素和場景。將開發好的VR應用程序加載到電腦和VR頭顯中，啟動應用程序。學生戴上VR頭顯，使用手柄或其他跟蹤設備進行操作，以便實時將學生的操作反饋到虛擬環境中［9］。在觸摸屏幕實時查看實驗數據，與虛擬環境中的交互元素進行實時交互，幫助學生更好地理解實驗原理和操作技巧。

33調試和改進

在場景完成后，進行測試和調試，確保場景的穩定性和可行性。檢查交互元素是否正常工作、模型是否呈現準確以及場景是否符合實驗要求。在一切準備就緒后，使進行實驗學會進入VR模擬器，進行實驗運行。記錄數據、觀察結果，并根據需要進行調整和改進。測試后收集學生的反饋意見，了解學生對實時交互的體驗和需求。根據學生反饋和實驗室需求，對實時交互的設計進行優化和改進，提升用戶體驗和操作效率。且在進行VR實驗室實時交互時，確保學生的安全和舒適感，避免長時間使用VR設備導致眩暈或不適［10］。另外，及時維護和更新硬件和軟件，以保證實時交互的穩定性和流暢性［11］。

4學習效果評估與教學質量提升

本文進行了一組實驗，分別采用傳統實驗教學和VR實驗教學2種方式進行［12］。再通過對學生填寫調查表的方式對比傳統實驗教學和VR實驗教學的學習效果，評估VR技術在供配電實驗中的應用效果［13］。對2022級大一第二學期的工廠供配電的“高低壓開關柜的故障分析”實驗教學中應用VR技術的74名學生，與2021級大二第一學期接受傳統教學方法的133名學生進行對比分析，結果如圖4所示。

通過實驗和調查比較發現，在工廠供配電實驗課程中應用VR技術的教學效果顯著，能夠有效提升學生的實踐能力、理論知識的掌握，并激發其學習興趣。具體來看，應用VR技術教學模式后，學生的平均分數明顯提高，理論成績和實訓成績分別提高了88分和146分。這進一步印證了VR技術在提升學生成績方面的有效性。另外，應用VR技術教學模式后，學生對工作原理的理解程度提高了123%，這說明VR技術在提升學生理論知識掌握方面的有效性。同時，通過運用VR技術優化教學設計，教師與學生的互動關系得到了改善，從而提高了學生的滿意度。學生對課程的滿意度提高了229%，對學習內容的滿意度提高了152%。這些數據和舉例都表明了在工廠供配電教學中應用VR技術的教學效果顯著。

5結語

本文研究了VR技術在供配電實驗教學中的應用，通過虛擬的實驗環境、安全的實驗平臺和靈活的教學手段，為實驗教學帶來了全新的體驗和改進，提升了實驗教學的互動性和趣味性，提高了學生的實踐能力和理論知識的掌握。對比傳統實驗教學和VR實驗教學的差異，探討了VR技術在提高學生實踐能力和教學效果方面的優勢。評估結果顯示，VR技術對學生的學習效果和教學質量均有顯著提升。通過實驗結果的分析，證明了VR技術在供配電實驗教學中具有重要的應用價值，具備廣闊的發展前景，在未來的教育領域中，VR技術將會成為一種重要而又不可或缺的教育工具，為培養高素質的電氣工程技術人才做出更大的貢獻。

參考文獻

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（編輯沈強）