劉世睿 原浩 趙施楠 孫磊

（航天工程大學(xué)士官學(xué)校 北京市 102200）

1 簡介

人們在進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槭д`或操作不當(dāng)，造成設(shè)備不同程度的損壞，輕則造成設(shè)備故障，重則將釀成重大災(zāi)難；尤其是涉及到電路等具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)時(shí)，某些不經(jīng)意的失誤甚至?xí){到人身安全。同時(shí)，實(shí)體的實(shí)驗(yàn)器材也存在著易損耗、攜帶不便等特點(diǎn)，使得相關(guān)訓(xùn)練在某些特殊環(huán)境下無法有序進(jìn)行。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，前述問題找到了目前的相對(duì)最優(yōu)解。結(jié)合日趨成熟的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)以及交互設(shè)計(jì)知識(shí)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是本文給出的解決方案。

Unreal Engine 4（UE4）作為一款成熟的引擎，以其強(qiáng)大的畫面渲染、多樣化接口提供、以及方便的藍(lán)圖（Blueprint）編程征服了市場，并通過了眾多項(xiàng)目的考驗(yàn)。因此，本文將基于UE4 進(jìn)行相關(guān)虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，在軟件中模擬現(xiàn)實(shí)電工操作臺(tái)環(huán)境，使學(xué)生能夠進(jìn)行模擬練習(xí)并對(duì)其操作進(jìn)行評(píng)定；針對(duì)解決相關(guān)電學(xué)實(shí)驗(yàn)安全性、器材易消耗以及實(shí)訓(xùn)場地不便等問題。

2 需求分析

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為教學(xué)平臺(tái)，目標(biāo)用戶主要分為兩類：教師與學(xué)生。為確保本虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性，本文對(duì)于目標(biāo)用戶需求進(jìn)行了分析，并擬使用構(gòu)建平臺(tái)解決目標(biāo)用戶需求。

2.1 教師方需求分析

教師作為教學(xué)活動(dòng)的組織者，其關(guān)鍵需求在于知識(shí)的有效傳授，也就是通常意義上我們所說的有效教學(xué)。那么何為有效教學(xué)，不同環(huán)境下可能會(huì)有不同的界定。在本文中，有效教學(xué)則指符合教學(xué)規(guī)律、有效果、有效益、有效率的教學(xué)[1]。

（1）符合教學(xué)規(guī)律：遵循傳授知識(shí)的循序漸進(jìn)原則，以“基礎(chǔ)傳授——實(shí)操訓(xùn)練——夯實(shí)知識(shí)”為關(guān)鍵線索，進(jìn)行虛擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（2）有效果、有效益的教學(xué)：教師能夠在教學(xué)活動(dòng)中及時(shí)獲得相關(guān)教學(xué)效果的反饋，為達(dá)到此需求，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將設(shè)置相應(yīng)評(píng)分系統(tǒng)，以量化的方式及時(shí)給予教師反饋結(jié)果。

（3）有效率的教學(xué)：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際組織中，教師與學(xué)生通常為一對(duì)多的關(guān)系，學(xué)生的指導(dǎo)需求與教師的分身乏術(shù)是此類教學(xué)中的主要矛盾點(diǎn)之一，也是造成相關(guān)教學(xué)效率不高的原因之一。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要有一定的輔助指導(dǎo)能力。

2.2 學(xué)生方需求分析

學(xué)生作為教學(xué)活動(dòng)的重要參與者和受眾，其主要需求在于知識(shí)的有效獲取。本文中，將知識(shí)的有效獲取界定為：知其然，知其所以然。

（1）知其然：即習(xí)得知識(shí)、知道A 是A。因此，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將會(huì)對(duì)重點(diǎn)知識(shí)以文字提示的方式展示給學(xué)生，結(jié)合教師的講解，以加深學(xué)生印象，使其“知其然”。

（2）知其所以然：即學(xué)會(huì)知識(shí)、知道A 為什么是A。為達(dá)到此需求，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將會(huì)內(nèi)置對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的測試，用于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解程度；并通過設(shè)置“練習(xí)版”與“考試版”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與教師進(jìn)行配合，從而確保學(xué)生能夠“知其所以然”。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)為“總—分”結(jié)構(gòu)，分為主界面（關(guān)卡）以及各分實(shí)驗(yàn)界面（關(guān)卡），如圖1。

圖1：虛擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)

各界面（關(guān)卡）實(shí)現(xiàn)遵循如下流程：

a.關(guān)卡內(nèi)容設(shè)計(jì)。

b.關(guān)卡內(nèi)要素建立與美化。

c.藍(lán)圖編程實(shí)現(xiàn)步驟a 所設(shè)計(jì)的功能。

d.UI 設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3.1 主界面（關(guān)卡）設(shè)計(jì)

主界面主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：實(shí)驗(yàn)選擇、虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)熟悉，各功能塊分布如圖2所示。

圖2：主界面設(shè)計(jì)

3.1.1 菜單

基于本平臺(tái)結(jié)構(gòu)為“總—分”結(jié)構(gòu)，主界面在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初便承擔(dān)了跳轉(zhuǎn)至其他界面的作用。考慮到后續(xù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擴(kuò)展、添加實(shí)驗(yàn)種類的需求。菜單設(shè)計(jì)沒有直接使用按鈕的平鋪，而是設(shè)置成了點(diǎn)擊下拉式。

為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊按鈕出現(xiàn)下拉菜單效果，本文使用了動(dòng)畫K 幀與藍(lán)圖編程結(jié)合的方式；使用N Flip Flop 函數(shù)與動(dòng)畫倒放實(shí)現(xiàn)按鈕菜單收回效果。按鈕跳轉(zhuǎn)功能則使用到的是創(chuàng)建控件接口，同時(shí)為點(diǎn)擊按鈕增加了動(dòng)畫，提升用戶使用感，如圖3。

圖3：關(guān)卡跳轉(zhuǎn)按鈕藍(lán)圖編程（部分）

3.1.2 主視口

主視口主要用于展示電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并為用戶提供互動(dòng)權(quán)限。基于前期對(duì)于目標(biāo)用戶的需求分析，主視口內(nèi)置通過鍵盤控制攝像機(jī)功能，以及單擊對(duì)應(yīng)功能區(qū)出現(xiàn)浮窗提示界面功能，如圖4。

圖4：功能提示界面

其中，浮窗提示功能界面的編程使用到了OnClicked 接口、OnReleased 接口、設(shè)置可視性接口以及從類生成Actor 接口。

材質(zhì)方面，由于浮窗提示的主要功能為提示用戶平臺(tái)模型上各相應(yīng)功能區(qū)的功能與作用，所以其外觀應(yīng)滿足：

（1）相對(duì)醒目，可以吸引用戶注意力；

（2）作為整個(gè)虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一部分，不能過于脫離整體。

因此，本平臺(tái)將浮窗提示窗口設(shè)置成了半透明發(fā)光效果，以期實(shí)現(xiàn)上述要點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)過程中主要對(duì)于自發(fā)光、不透明度、基礎(chǔ)顏色等參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

3.2 分實(shí)驗(yàn)界面（關(guān)卡）設(shè)計(jì)

分實(shí)驗(yàn)界面主要實(shí)現(xiàn)五部分功能：實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)提示、UI 功能區(qū)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型、背包、成績結(jié)算，各功能塊分布如圖5所示。

圖5：分實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

為使得實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各實(shí)驗(yàn)設(shè)置符合教學(xué)規(guī)律，基于前述需求分析。在進(jìn)入本平臺(tái)各單個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前，設(shè)置了實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)界面，主要用于提示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的原理以及關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方式使用到的是按鈕跳轉(zhuǎn)以及控件藍(lán)圖。

3.2.2 UI 功能區(qū)

本平臺(tái)中，UI 功能區(qū)主要分為三部分：提示區(qū)、用戶填入?yún)^(qū)、按鍵區(qū)。

提示區(qū)的作用在于為用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)做出必要的提示。以本平臺(tái)中的“串聯(lián)實(shí)驗(yàn)”關(guān)卡為例，在提示區(qū)會(huì)對(duì)于用戶設(shè)置的電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)并顯示，以達(dá)到用戶能夠順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目的，增加平臺(tái)的使用友好度。

用戶填入?yún)^(qū)是根據(jù)前期的需求分析而設(shè)置的，其設(shè)置目的在于檢測學(xué)生對(duì)于相關(guān)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。以本平臺(tái)中的“并聯(lián)實(shí)驗(yàn)”關(guān)卡為例，平臺(tái)會(huì)要求學(xué)生在設(shè)置電壓、選擇電阻后，計(jì)算電流的結(jié)果，從而加深學(xué)生對(duì)于歐姆定律及其變體公式的掌握。值得注意的是，本虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)對(duì)比用戶填入的答案與標(biāo)準(zhǔn)答案，并將對(duì)比結(jié)果納入平臺(tái)的結(jié)果反饋。

按鍵區(qū)由多個(gè)功能按鈕組成，包括完成實(shí)驗(yàn)、查看成績、清除當(dāng)前數(shù)據(jù)、返回主界面等。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型

這一部分主要實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型的交互?；陔姽て脚_(tái)的特點(diǎn)，按鈕功能主要通過使用盒體觸發(fā)器以及為各對(duì)象添加事件來實(shí)現(xiàn)，顯示器則使用到了3D 文本對(duì)象，同時(shí)使用藍(lán)圖編程以及全局變量進(jìn)行按鈕、顯示文本和提示燈的鏈接控制，使得他們能夠聯(lián)動(dòng)反應(yīng)，達(dá)到按鈕控制顯示器、指示燈的效果。

3.2.4 背包

在進(jìn)行實(shí)際電工實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以外，學(xué)生們?nèi)匀恍枰姸嗥骶哌M(jìn)行輔助實(shí)驗(yàn)。于是在本平臺(tái)中，引入了背包的功能，其作用類似于工具包。通過按鍵可以對(duì)于工具包的打開和關(guān)閉進(jìn)行控制，并通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊選取使用背包中的工具。以本平臺(tái)中的“串聯(lián)實(shí)驗(yàn)”為例，其電阻的選取和使用就是在背包功能中完成的。在本平臺(tái)中，背包的實(shí)現(xiàn)方法為：通過控件藍(lán)圖繪制背包展開界面，使用結(jié)構(gòu)體自定義背包中的物體變量，創(chuàng)建物體類，細(xì)化編輯單個(gè)具體物體。

3.2.5 成績結(jié)算

成績結(jié)算界面是教師獲得學(xué)生學(xué)習(xí)效果、以及學(xué)生自測學(xué)習(xí)效果的重要界面，是本平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助平臺(tái)的重要組成部分。作為成績結(jié)算界面，只有總成績的反饋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了給予用戶更為詳盡的信息，使得師生能夠及時(shí)了解學(xué)生在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)的薄弱點(diǎn)，并進(jìn)行查缺補(bǔ)漏和加強(qiáng)學(xué)習(xí)，本平臺(tái)為成績結(jié)算界面設(shè)置了扣分點(diǎn)的顯示，如圖6。

圖6：成績結(jié)算界面

整個(gè)成績結(jié)算平臺(tái)使用到了控件藍(lán)圖設(shè)計(jì)UI，程序部分則采用了全局變量以及分支邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

4 測試

本平臺(tái)測試采用了黑、白盒測試方式進(jìn)行測試，從功能表現(xiàn)以及測試用例結(jié)果反饋來看，本平臺(tái)目前無顯著漏洞，各關(guān)卡之間跳轉(zhuǎn)正常，臨界條件下反映良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

本文基于UE4 構(gòu)建了一款虛擬電工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在于解決電工平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中設(shè)備極端條件下不易布置、易損壞、易出事故的問題，使教學(xué)環(huán)境更加便捷安全可靠。大量的現(xiàn)實(shí)案例證實(shí)模擬訓(xùn)練的有效性和必要性。將電工操作平臺(tái)數(shù)字化，在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)際操作，以更低的成本、在更小的威脅的環(huán)境中為受訓(xùn)者增加更多的經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，本項(xiàng)目平臺(tái)內(nèi)提供的評(píng)分系統(tǒng)也可為師生們及時(shí)提供教學(xué)反饋，使學(xué)生能夠查缺補(bǔ)漏，提升自己。但本平臺(tái)仍然存在一些不足，目前平臺(tái)內(nèi)僅內(nèi)置了四個(gè)實(shí)驗(yàn)界面（關(guān)卡），實(shí)驗(yàn)關(guān)卡數(shù)量與種類的進(jìn)一步添加和細(xì)化將會(huì)是下一步需要努力的方向。