張科強(qiáng) 池雄飛 石艷玲

摘 要：針對高職高專理工科實(shí)踐教學(xué)存在的問題，文章提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐課程案例開發(fā)方法。利用3ds Max軟件建立三維模型、動畫制作，模型優(yōu)化等完成三維場景的開發(fā)。文章通過虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺UE4、Unity3D完成人機(jī)交互和實(shí)踐操作。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果表明：本實(shí)踐課程案例，使學(xué)生沉浸在實(shí)操的“真實(shí)的場景”中，提高了實(shí)操的互動性、學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)節(jié)約實(shí)訓(xùn)設(shè)備購置費(fèi)用和解決了場地問題。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐課程案例;三維模型;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);

0 引言

近幾年，高職院校實(shí)踐教學(xué)整體水平有較大的提高，但對工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程如機(jī)械裝配技術(shù)、供配電技術(shù)等，這些實(shí)踐課程占地廣、購置設(shè)備費(fèi)用高，對學(xué)生人身安全要求高等條件的限制，極大地減少了學(xué)生現(xiàn)場實(shí)踐的次數(shù)，實(shí)踐效果大打折扣。而VR虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的出現(xiàn)很好地解決這一難題，VR教學(xué)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，佩戴虛擬設(shè)備，使學(xué)生沉浸在高度仿真的“真實(shí)的場景”中完成實(shí)踐操作，提高學(xué)生實(shí)操的“身臨其境”感，有效降低學(xué)習(xí)難度，且不會發(fā)生人身安全事故，同時(shí)解決了因設(shè)備購置費(fèi)用高、占地面積大而無法購置設(shè)備導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)課程無法開展的難題[1]。

1案例開發(fā)過程

1.1? 案例的職業(yè)崗位工作流程研究

案例的開發(fā)為實(shí)踐教學(xué)服務(wù)，而實(shí)踐教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生的操作技能，為學(xué)生將來就業(yè)提供一定的工作能力，而這種能力的培養(yǎng)，要求實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容符合職業(yè)崗位的要求。所以案例開發(fā)之前必須到企業(yè)了解“供配電技術(shù)”課程的對應(yīng)職業(yè)崗位工作流程，如中小型工廠10 kV高壓配電所手車式高壓開關(guān)柜操作。從企業(yè)對實(shí)際操作的規(guī)范和要求，梳理出實(shí)踐操作的知識點(diǎn)和流程。比如戶內(nèi)真空斷路器如何儲能、合閘、分閘，倒閘順序及在操作過程中注意的安全知識。

1.2? 三維建模

實(shí)踐教學(xué)將講授的知識點(diǎn)附在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上的操作上，而VR教學(xué)是將實(shí)踐知識點(diǎn)在三維模型上體現(xiàn)出來，使知識點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可視化。圖1為手車式高壓開關(guān)柜，真空斷路器如何實(shí)現(xiàn)自動分合閘操作，涉及相應(yīng)的設(shè)備，如電流電壓互感器、智能保護(hù)裝置等，三維建模將這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)零件和實(shí)際尺寸按比例，通過三維可視化模型展示出來，最大程度上再現(xiàn)硬件設(shè)備。三維建模軟件有Pro/E，UG，Maya等，與這些軟件相比，3ds Max軟件由于其上手容易、渲染效果好等優(yōu)勢，被廣泛用在三維建模中。本課題采用3ds Max軟件完成建模。圖1是設(shè)備原圖。圖2是高壓斷路器ZN63A設(shè)備正面的結(jié)構(gòu)建模。圖2將高壓斷路器的儲能彈簧、儲能顯示標(biāo)志、合閘和斷閘操作按鈕、合閘和斷閘操作聯(lián)動機(jī)構(gòu)、合閘和斷閘顯示標(biāo)志、手工儲能標(biāo)志、斷路器進(jìn)出手工操作標(biāo)志等部件建模后，就可以將斷路器的主要功能和原理顯示出來。

1.2.1? 模型貼圖

在三維建模中材質(zhì)和貼圖可以模擬出真實(shí)材料的質(zhì)感特性，表現(xiàn)出設(shè)備的外觀紋理，使模型具有真實(shí)材料紋理的視覺效果，常常在模型上通過貼圖來表示。比如給家里精美地磚建模，在建模后，由于其圖案結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，用建模的方式很難展示出來，將地磚表面的花紋用相機(jī)拍成圖片，用貼圖的方式將花紋圖片附在模型上，完美精確的表示出地磚模型。真空斷路器ZN63A設(shè)備如儲能彈簧、顯示儲能標(biāo)志的部件的表面就用貼圖的方式表現(xiàn)出設(shè)備表面顏色、紋理、光照等，較好的再顯了設(shè)備材質(zhì)、紋理，提高了模型的逼真度，如圖2所示。

1.2.2? 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化主要是為減少模型的占用空間，在模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity3D后能順利運(yùn)行。模型優(yōu)化方法主要有：減少模型面、邊，模型貼圖。本課題在建模時(shí)，對設(shè)備的主要部件建模，而對一些小部件或?qū)υO(shè)備功能原理影響不大的部件忽略或用貼圖直接表示。真空斷路器ZN63A設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，真空斷路器ZN63A的模型如圖2所示，通過對? 圖1和圖2的對比，可以發(fā)現(xiàn)，在模型中忽略了一些部件。大大減少模型后期的優(yōu)化工作。

1.2.3? 模型動畫制作

在虛擬場景中，設(shè)備進(jìn)行持續(xù)的運(yùn)動，在三維建模中，用模型的動畫制作來表示。在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity3D，UE4中，雖然具有制作動畫的功能，但是比3Ds Max中動畫制作功能要弱得多，所以動畫制作主要在開發(fā)模型中完成。圖3為手車高壓開關(guān)柜的真空斷路器更換動畫。該動畫形象直觀地展示了檢修斷路器時(shí)，如何更換斷路器操作。

2? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)互動軟件開發(fā)

利用3Ds Max建模生成虛擬的三維場景，如果學(xué)生與場景中的設(shè)備進(jìn)行互動，需要將3Ds Max模型、動畫導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎軟件中完成互動開發(fā)。本文用UE4完成案例的虛擬現(xiàn)實(shí)場景的互動，互動核心包括設(shè)備的拆裝互動仿真和手動模擬操作。

2.1? 模型的拆裝互動仿真

在“供配電技術(shù)”教學(xué)中，由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、體積龐大不適合多次拆裝，學(xué)生很難直觀了解其結(jié)構(gòu)和工作原理。而VR技術(shù)可以較好地解決這個(gè)難題。通過虛擬現(xiàn)實(shí)引擎和VR眼鏡等設(shè)備，學(xué)生可以“身臨其境”感觸設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)和單個(gè)部件結(jié)構(gòu)，也可以對設(shè)備進(jìn)行拆解和組裝。這樣可以使學(xué)生詳細(xì)的掌握設(shè)備儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理[2-3]。同時(shí)，用三維數(shù)字模型替代實(shí)物，降低實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本。圖4為真空斷路器ZN63A設(shè)備的拆裝，將梅花觸頭、觸臂、極柱給拆解開。

2.2? 手動模擬操作

在實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生能否直接動手操作，決定了學(xué)生實(shí)踐效果。在供配電中，對線路的檢查和維修是一項(xiàng)基本技能，通過VR技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity3D或UE，學(xué)生如同在真實(shí)線路面前一樣，沉浸在其中，分析線路運(yùn)行原理，親自動手模擬演練可能存在的問題，再現(xiàn)實(shí)際操作過程，最后根據(jù)模擬的結(jié)果找出問題所在[4]。這極大的提高學(xué)生實(shí)際動手操作能力，同時(shí)積累了一定的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

3? ? 結(jié)語

本文通過建模、模型貼圖、優(yōu)化、動畫制作完成設(shè)備的三維可視化的建模。通過模型的拆裝互動仿真和手動模擬操作完成人機(jī)交互和實(shí)踐動作操作。該案例有效地提高了“供配電技術(shù)”實(shí)訓(xùn)課的實(shí)操性，降低了學(xué)習(xí)難度。

[參考文獻(xiàn)]

[1]姚玉斌.基于VR技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品制造過程教學(xué)案例開發(fā)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2017.

[2]宋殿義，張煒，龔佑興，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)初探[J].高教學(xué)刊，2020（20）：114-116.

[3]蔡曉薇，鄭世豪.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在變電站維修培訓(xùn)的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（34）：165-166.

[4]李軍，鋒熊山，劉曉，等.VR和AR技術(shù)助力電力仿真培訓(xùn)[J].中國電力教育，2017（2）：22-27.

（編輯 姚 鑫）