劉安平 苑鵬濤 師楠 曲芳 梁志強

摘要： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍；在Maya軟件建?；A(chǔ)上，通過Unity3D軟件構(gòu)建虛擬世界，制作電工技能訓(xùn)練3D課件，完成虛擬演示平臺設(shè)計，取得了初步的研究成果。

Abstract： The application of virtual reality technology in education is a leap in the development of modern education technology. On the basis of Maya software modeling， the virtual world was built through Unity3D software， and the 3D courseware of electrical skill training was made， and the design of the virtual demonstration platform was completed， and the preliminary research results were obtained.

關(guān)鍵詞： VR技術(shù)；Unity3D；電工技能訓(xùn)練；虛擬演示平臺

Key words： VR technology；Unity3D；electrical skill training；virtual demonstration platform

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0211-03

1 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。

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計者可以構(gòu)建一個虛擬的三維世界，在這個的虛擬世界里，所有的物體都是可見的，即具有現(xiàn)實性；隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展，沉浸在虛擬世界里的人，在產(chǎn)生視覺的基礎(chǔ)上，還會產(chǎn)生觸覺、力覺、味覺等多方面的感知效果，有如身臨其境，即具有多感知性；虛擬世界里的多個物體以及參與虛擬世界的若干人，他們之間可以相互影響，即具有交互性。

1.2 Unity3D虛擬現(xiàn)實軟件

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。其編輯器運行在Windows和Mac OS X系統(tǒng)下，玩家可以輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、可視化建筑、三維實時動畫等內(nèi)容，并發(fā)布至Windows、Mac或Android等多個平臺；也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。

Unity3D軟件，既能開發(fā)娛樂型游戲，使游戲玩家獲得娛樂和放松為目的，例如《鏡之邊緣》、《神廟逃亡2》等；也能開發(fā)嚴(yán)肅型游戲，以用戶獲得虛擬體驗以及虛擬教育為目的，例如應(yīng)用于軍事國防、醫(yī)療模擬、教育培訓(xùn)以及城市漫游等方面的交互型應(yīng)用程序。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

①虛擬實驗室。虛擬實驗室是指依托于Web和VR虛擬技術(shù)搭建的現(xiàn)代化的實驗場所。與傳統(tǒng)實驗過程不同的是，該實驗室為學(xué)生搭建的實驗平臺、素材和器材等均為虛擬的。教師不再需要為學(xué)生提供實驗的實體器材、素材以及場所等，可利用虛擬數(shù)據(jù)庫中的器材庫和素材庫等為學(xué)生搭建實驗平臺，學(xué)生直接進入該平臺即可進行實驗[1]。

②虛擬現(xiàn)實場景再現(xiàn)。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教師可以把知識內(nèi)容形成三維立體圖片或動畫，將平面或抽象的理論知識和實踐操作變成多角度可視的立體圖片或者形象生動的動畫演示。比如文科歷史課本中的人物形象、歷史景觀，理工科數(shù)控機床的車、鉆、銑、刨、磨，等等，都可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬演示。

③虛擬現(xiàn)實技能訓(xùn)練。在虛擬世界中，為學(xué)生提供在現(xiàn)實世界技能訓(xùn)練時能用到的所有工具、儀器儀表和加工對象，并能用語句實現(xiàn)交互控制，學(xué)生就可以進行虛擬訓(xùn)練了。例如醫(yī)學(xué)課堂的手術(shù)操作、數(shù)控機床的機械加工、汽車維修課程的拆裝實踐，等等，都可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)虛擬技能訓(xùn)練，在熟練掌握一定的操作技能后，再進行實際操作，進而達到預(yù)期的實踐效果。

3 電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺制作

電工技能訓(xùn)練課程是面向我校大文科類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門電氣工程實踐課，主要內(nèi)容是照明電路的安裝及故障檢修。在電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺（3D課件）制作過程中，將電工技能訓(xùn)練用到的電器元件和導(dǎo)線采用Maya2016軟件進行3D建模，并導(dǎo)入到由Unity3D Pro（5.6.4f1個人版）軟件構(gòu)建的虛擬世界中[2]。

電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺（3D課件）的主菜單界面見圖1，這是Unity3D軟件自帶的圖形與用戶界面（GUI）窗口[3]。利用Unity3D技術(shù)，將每個電工技能訓(xùn)練項目設(shè)計成一個游戲場景，每個游戲場景有3個實踐環(huán)節(jié)，分別是線管穿線、燈具連接和電路檢測。點擊訓(xùn)練項目按鈕，進入對應(yīng)訓(xùn)練項目的游戲場景，可以演示電工技能訓(xùn)練的全部操作過程。下面以第一個訓(xùn)練項目“一控一燈電路”（即一個開關(guān)控制一盞燈電路）為例，加以闡述。

3.1 元器件認識

3.1.1 元器件建模

電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺，由配電箱、桌面、帶有6個接線盒的網(wǎng)板組成，是利用Maya2016參照電工技能訓(xùn)練實踐臺，按1∶1比例建模而成；演示平臺上的元器件，包括單相電度表、斷路器、燈座、燈泡、燈開關(guān)，也是由Maya2016完成建模。

3.1.2 使元器件在場景中移動和旋轉(zhuǎn)

學(xué)生在進行電工技能訓(xùn)練時，對燈開關(guān)和燈泡都不陌生，但對于哪個接線柱對應(yīng)單刀雙擲燈開關(guān)的動觸點，斷路器應(yīng)該如何接線，不是很容易弄清。可以將在電工技能訓(xùn)練中用到的元器件，利用Maya2016建模，導(dǎo)出為FBX文件，再導(dǎo)入到Unity3D場景中，通過腳本語言來控制元器件在場景中移動和旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)學(xué)生對元器件的認識。

3.2 計量配線

這里的計量配線，指的就是單相電度表的進線（來自配電箱）和引出線（連接斷路器）；按國標(biāo)要求，火線1進2出，零線3進4出。學(xué)生在進行電工技能訓(xùn)練時，首先要進行計量配線，然后再依次進行各個訓(xùn)練項目的實踐操作。計量配線的3D模型導(dǎo)入到Unity3D的場景中，通過腳本語言控制攝像機在場景中移動和旋轉(zhuǎn)，為學(xué)生演示這一實踐操作環(huán)節(jié)。關(guān)于計量配線的實踐操作演示，只在第一個訓(xùn)練項目進行，后面的訓(xùn)練項目，這一環(huán)節(jié)不再重復(fù)演示。

3.3 線管穿線

電工技能訓(xùn)練演示平臺桌面的網(wǎng)板上有6個接線盒，接線盒之間，是用線管相通的。線管穿線，就是將導(dǎo)線按器件布置圖，將斷路器、燈開關(guān)和燈座之間的連線，通過線管，從接線盒內(nèi)穿引出來；導(dǎo)線模型也是由Maya2016建模并導(dǎo)入到Unity3D場景中的。通過攝像機場景漫游，學(xué)生可以看到線管穿線是如何實現(xiàn)的：火線去燈開關(guān)，零線去燈座，控制火線就是由燈開關(guān)去燈座的導(dǎo)線。若是電路中某個接線盒的位置需要接插座，火線、零線和地線都要從這個接線盒中引出來。

3.4 燈具連接

3.4.1 導(dǎo)線連接建模

燈具連接的導(dǎo)線建模，是在線管穿線建模的基礎(chǔ)上完成的。導(dǎo)線是和用電器件的接線柱相連的，不同的接線柱，導(dǎo)線的封端是不同的。對于針孔式接線柱，導(dǎo)線線頭部分要剝離絕緣層，若導(dǎo)線過細，導(dǎo)線線頭要對折；對于螺釘平壓式接線柱，導(dǎo)線的線頭在剝離絕緣層的基礎(chǔ)上，要做成接線圈（俗稱羊眼圈）。另外，導(dǎo)線絕緣層的剝離長度不能過長（不同導(dǎo)線相接觸，可能引起短路），也不能過短（導(dǎo)線絕緣層壓在接線柱上，引起斷路）。這些要求，都要在導(dǎo)線建模的時候體現(xiàn)出來。

3.4.2 場景漫游

燈具連接這一實踐環(huán)節(jié)完成后，照明電路的連接也就完成了。通過腳本語言控制，使攝像機在場景中漫游，向?qū)W生展示電路連接的各個部分。通過3D課件展示，讓學(xué)生理解并看清楚，燈開關(guān)的動觸點接線柱是哪一個以及如何接線；燈座的兩個接線柱哪一個應(yīng)該接零線，哪一個應(yīng)該接控制火線，等等。

3.5 電路檢測

照明電路連接完成之后，要用萬用表進行電路檢測，排除短路或斷路故障，然后再送電試燈。短路故障，就是火線和零線，沒有經(jīng)過用電器，直接通過導(dǎo)線和燈開關(guān)形成了回路，送電后會跳閘或燒斷熔斷器；斷路故障，就是撥動燈開關(guān)，火線、零線和用電器沒有形成回路，即處于開路狀態(tài)，送電后，燈泡不亮。在3D課件制作時，主要采用腳本語言和按鈕，實現(xiàn)交互控制。

3.5.1 萬用表建模

根據(jù)設(shè)計要求，萬用表電路檢測建模，主要是對應(yīng)三種檢測狀態(tài)：短路狀態(tài)（校表）萬用表顯示屏讀數(shù)是“0”；斷路狀態(tài)（燈開關(guān)斷開）萬用表讀數(shù)是“1”；工作狀態(tài)（燈開關(guān)閉合）萬用表讀數(shù)是燈泡電阻。

3.5.2 電路檢測

這一環(huán)節(jié)向?qū)W生演示的是，停電檢測電路的過程。點擊“校表”按鈕，萬用表的紅黑表筆短接在一起，萬用表的示數(shù)是“0”。點擊“電路檢測”按鈕，萬用表紅黑表筆分別接觸斷路器下端的兩個接線柱，然后點擊按鈕“撥動燈開關(guān)”：當(dāng)燈開關(guān)上端按下時，萬用表的示數(shù)是“1”；當(dāng)燈開關(guān)下端按下時，萬用表的示數(shù)68.5歐，即燈泡的電阻值。

3.5.3 送電試燈

此環(huán)節(jié)向?qū)W生演示的是，送電檢測電路的過程。點擊按鈕“閉合電源開關(guān)”，配電箱上的三相電源開關(guān)閉合，三個電源指示燈發(fā)光。點擊按鈕“閉合負載開關(guān)”，實踐臺桌面網(wǎng)板上的斷路器閉合，然后點擊按鈕“撥動燈開關(guān)”：當(dāng)燈開關(guān)上端按下時，燈泡不發(fā)光；當(dāng)燈開關(guān)下端按下時，燈泡發(fā)光。

4 電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺特點

4.1 課件形象生動，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

3D課件，將平面圖片和語言說教變成了立體生動的景觀和動畫，是一種形象直觀的信息傳遞方式。學(xué)生通過親臨其境的交互行為，在一定程度上提高了學(xué)習(xí)的興趣[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)，促進了教育手段方式的變化，同樣也提供了豐富的聽覺材料，營造了一種自主學(xué)習(xí)的環(huán)境氛圍。3D課件可以在多媒體投影儀上播放，也可以在平板電腦、手機上播放；學(xué)生可以通過自學(xué)，掌握實踐操作步驟和技能，進而指導(dǎo)自己的實踐操作。

4.2 演示全方位，避免學(xué)生盲目實踐

在虛擬世界里，為學(xué)生提供全方位的實踐操作演示，便于學(xué)生更好地掌握實踐技能，避免了學(xué)生盲目實踐。虛擬演示教育，和教師在實踐臺上進行真實的演示教育相比，同樣具有現(xiàn)實性、多感知性、交互性、開放性和可重復(fù)性；同時，虛擬演示教育，沒有操作風(fēng)險，沒有設(shè)備、材料損耗，還可以讓更多學(xué)生同時觀摩，演示效果更理想[5]。

5 結(jié)語

電氣工程訓(xùn)練室的數(shù)字化建設(shè)，是黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心發(fā)展的需要。作為電氣工程訓(xùn)練室數(shù)字化建設(shè)的重要組成部分，電工技能訓(xùn)練虛擬演示平臺（3D課件）投入使用以來，極大地提高了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)興趣，實踐效果很好。由于經(jīng)費和我們掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)水平的限制，我們制作的3D課件還有許多不盡人意的地方（比如互動環(huán)節(jié)較少），我們會在不斷學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，加以更新和完善。

參考文獻：

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[3]常金光，顧若陽，孟麗麗，等.基于Unity3D的機械設(shè)計基礎(chǔ)虛擬實驗平臺設(shè)計[J].機械工程師，2017（2）：95-97.

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[5]陳建軍，辜永紅，韓慶文，等.基于虛擬儀器的實踐教學(xué)平臺建設(shè)[J].教育教學(xué)論壇，2017（21）：180-181.