劉林，郗忠梅，施國(guó)英，張觀山

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安）

一 引言

目前，隨著國(guó)家對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入不斷增加，新建實(shí)驗(yàn)室、采購(gòu)設(shè)備、更新教學(xué)資源等措施使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面貌煥然一新，實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件得到了進(jìn)一步改善。隨著近些年的擴(kuò)招致使學(xué)生基數(shù)加大[1]，同時(shí)大學(xué)里轉(zhuǎn)專業(yè)的火爆[2]，促使某些熱門專業(yè)如電氣專業(yè)學(xué)生人數(shù)逐年攀升，再加上人才培養(yǎng)方案隨之改變，例如將很多先前課內(nèi)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)成倍增加。上述情況致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心現(xiàn)階段乃至很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)還難以保證每位學(xué)生同時(shí)使用一臺(tái)/套設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)階段的小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最大限度也只夠保證2～3 人同時(shí)使用一臺(tái)/套設(shè)備平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)，原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將難以滿足日益增加的實(shí)驗(yàn)人時(shí)數(shù)的需求。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)雖然能夠突破時(shí)間和空間的限制，但不可否認(rèn)其不能取代某些實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果，而虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的輔助手段將起到事半功倍的效果?；诖?，構(gòu)建一種虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，用于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前配合指導(dǎo)書快速熟悉實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和操作規(guī)程，對(duì)于學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后快速轉(zhuǎn)變角色并按照操作規(guī)程完成實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

目前市面上相關(guān)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)琳瑯滿目，例如電力電子教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3]、供配電與照明仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4]、發(fā)電虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)[5-8]、強(qiáng)電類課程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[9]、電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[10-11]等，它們絕大多數(shù)基于matlab、multisum 等軟件，實(shí)現(xiàn)了課堂理論教學(xué)的虛擬仿真。然而，大多數(shù)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備不匹配。雖然可以直接引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是這種直接引入現(xiàn)有虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的模式用于新建實(shí)驗(yàn)室是不錯(cuò)的選擇。但很多高校經(jīng)過多年發(fā)展，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室及配套教學(xué)設(shè)備資源已初具規(guī)模，重建實(shí)驗(yàn)室不現(xiàn)實(shí)。因此，直接引入現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)將難以與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備資源相匹配，進(jìn)而無法做到有效銜接，造成教學(xué)資源的浪費(fèi)。

經(jīng)過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，姜德晶[12]建設(shè)了電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入課前預(yù)習(xí)。學(xué)生首先通過觀看網(wǎng)絡(luò)視頻資源，然后應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最后進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間和時(shí)間，取得了良好的效果。然而，如何將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體銜接匹配鮮有相關(guān)論述，尤其對(duì)于強(qiáng)電真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備平臺(tái)中具有嚴(yán)格要求的安全性問題，如何在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中得到有效體現(xiàn)顯得尤為重要。為此，基于上述問題，結(jié)合強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備自身特點(diǎn)，構(gòu)建基于電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)勢(shì)在必行。

二 強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室及電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備特點(diǎn)

相比于電子、通訊類等實(shí)驗(yàn)室，強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)室及電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備具有電壓等級(jí)高、危險(xiǎn)系數(shù)高、對(duì)操作人員要求高等特點(diǎn)，相關(guān)操作具有嚴(yán)格操作規(guī)程。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中，從事相關(guān)專業(yè)人員必須經(jīng)過全面系統(tǒng)培訓(xùn)后持證上崗，非專業(yè)人員嚴(yán)禁相關(guān)操作。為此，在學(xué)生剛剛接觸到相關(guān)實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)規(guī)范操作流程、建立安全意識(shí)、嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，對(duì)學(xué)生今后從事相關(guān)專業(yè)并逐步養(yǎng)成安全習(xí)慣具有重要意義。因而，本虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)，在設(shè)計(jì)之初將學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的整體把握和進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)程放到首要位置，有利于學(xué)生今后走上工作崗位后，在新環(huán)境下面對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，減少出現(xiàn)不會(huì)操作和誤操作的危險(xiǎn)情況。

三 虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

基于電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)主要由實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)設(shè)備簡(jiǎn)介模塊、電源安全操作模塊和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程模塊構(gòu)成。其中實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)設(shè)備簡(jiǎn)介模塊用于介紹實(shí)驗(yàn)室與實(shí)訓(xùn)設(shè)備的相關(guān)情況，使學(xué)生經(jīng)過課堂理論教學(xué)和對(duì)本課程知識(shí)體系有了較為清晰的認(rèn)識(shí)后，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前對(duì)實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備有一個(gè)初步了解，當(dāng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后能夠快速熟悉和適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室；電源安全操作模塊用于向?qū)W生重點(diǎn)介紹在今后實(shí)驗(yàn)過程中涉及到的電源操作環(huán)節(jié)，切實(shí)提高電源操作在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的核心地位，讓學(xué)生重視電源操作，明確直流電源、交流電源操作過程中經(jīng)常出現(xiàn)的誤操作。筆者從多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)情況下學(xué)生做不出實(shí)驗(yàn)結(jié)果或燒毀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，90%以上的原因是電源操作不當(dāng)；實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程模塊主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)的實(shí)驗(yàn)在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上按照具體操作規(guī)程進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，包括實(shí)驗(yàn)操作預(yù)覽、設(shè)備模擬操作、常見錯(cuò)誤操作和操作過程考核。其中實(shí)驗(yàn)操作預(yù)覽能夠快速熟悉實(shí)驗(yàn)步驟以及其中的具體操作注意事項(xiàng)，設(shè)備模擬操作是用于學(xué)生在設(shè)備上模擬本次實(shí)驗(yàn)的具體操作，常見錯(cuò)誤操作是將近年來學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作融入到虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)用于展示本實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的不當(dāng)操作及誤操作，操作過程考核用于檢驗(yàn)學(xué)生是否掌握本實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程。

四 虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

為了能夠最大限度模擬實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)操作，利用Solidworks、3ds Max 和Unit 3D 等作為開發(fā)工具，按比例構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)設(shè)備平臺(tái)三維模型，并進(jìn)行虛擬仿真交互設(shè)計(jì)，開發(fā)基于電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)，使平臺(tái)能夠真實(shí)還原實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景。學(xué)生在虛擬平臺(tái)上完全能夠模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作全過程，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，在授課老師或?qū)嶒?yàn)老師的指導(dǎo)下能夠快速轉(zhuǎn)變角色并按照操作規(guī)程完成本次實(shí)驗(yàn)。首先，使用Solidworks 對(duì)實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)臺(tái)及掛件等進(jìn)行三維建模；然后，將模型導(dǎo)入3d Max 中，對(duì)模型進(jìn)行編輯、貼圖等工作，并導(dǎo)出為.fbx 格式文件；再次，將文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 軟件平臺(tái)，完成交互式虛擬操作程序設(shè)計(jì)；最后，生成可應(yīng)用程序。

圖1 虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

五 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)操作步驟

為了保證學(xué)生能夠嚴(yán)格按照操作規(guī)程完成實(shí)驗(yàn)，本平臺(tái)中涉及的每個(gè)模塊之間相互關(guān)聯(lián)，缺一不可。操作過程依次進(jìn)行，保證學(xué)生能夠結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、全面高效地完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。具體操作如下：

（一） 實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)設(shè)備簡(jiǎn)介模塊

進(jìn)入本模塊，了解本實(shí)驗(yàn)課程對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室基本情況，包括實(shí)驗(yàn)室安全標(biāo)識(shí)（禁止吸煙、請(qǐng)節(jié)約水電、人走斷水?dāng)嚯?、?shí)驗(yàn)室安全信息牌等）、安全衛(wèi)生制度、學(xué)生安全守則和實(shí)訓(xùn)設(shè)備整體介紹（包括試驗(yàn)平臺(tái)的組成以及各部分功能特點(diǎn)）等，通過本模塊使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)設(shè)備形成一個(gè)比較宏觀的認(rèn)識(shí)，只有完成本模塊學(xué)習(xí)才能進(jìn)入下一模塊學(xué)習(xí)。

（二） 電源安全操作模塊

完成實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)設(shè)備簡(jiǎn)介模塊后，進(jìn)入本模塊。本模塊以電源安全操作為主線展開，使學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，面對(duì)陌生的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，能夠從容開展實(shí)驗(yàn)，減少或避免發(fā)生電源誤操作。首先，對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備起動(dòng)與停止操作，主要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行正常供電與斷電操作，并能模擬在由于誤操作發(fā)生設(shè)備故障或聲信號(hào)報(bào)警時(shí)快速關(guān)斷設(shè)備電源。經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)備具有安全保護(hù)功能，但仍避免不了由于誤操作引發(fā)的設(shè)備故障或聲信號(hào)報(bào)警。為此，模擬本操作十分必要，既能使學(xué)生在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切斷電源，避免事態(tài)擴(kuò)大，又能節(jié)約實(shí)驗(yàn)課上時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率；然后，對(duì)交流電源與直流電源操作，由于將近年來學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)的電源操作問題融入到平臺(tái)中，學(xué)生可自行查閱相關(guān)誤操作及其影響，避免自己進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中再犯相同錯(cuò)誤。最后，對(duì)設(shè)備掛件操作，本單元主要是對(duì)本課程實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備掛件模擬接線、上電、調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)測(cè)量等操作，在涉及交流與直流電源操作時(shí)對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作做出重點(diǎn)警示。

（三） 實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程模塊

完成電源安全操作模塊后，對(duì)設(shè)備電源及掛件安全操作方面有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤操作時(shí)能夠做到從容鎮(zhèn)定，減少或避免出現(xiàn)慌亂不安的局面。在完成上述兩模塊之后，才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程模塊，本模塊針對(duì)每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)都設(shè)置了安全操作規(guī)程。首先，預(yù)覽本次實(shí)驗(yàn)操作全過程，熟悉相關(guān)操作規(guī)程和注意事項(xiàng)；然后，在虛擬平臺(tái)上按照相關(guān)操作規(guī)程開展本次實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程；再次，自行查看本次實(shí)驗(yàn)常見錯(cuò)誤操作及影響，進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程；最后，在熟練掌握操作規(guī)程后進(jìn)行操作過程考核，只有考核合格后，才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

六 平臺(tái)應(yīng)用

上述基于電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，相比于前幾屆學(xué)生，本屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)課上操作設(shè)備的效率明顯提高，保證組內(nèi)每位同學(xué)都能夠在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)場(chǎng)景下完成一次設(shè)備操作，同時(shí)設(shè)備故障率明顯降低。除此之外，相比于單一通過指導(dǎo)書課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的方式，學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣得到明顯提高。這主要是因?yàn)橐酝鶎W(xué)生在通過指導(dǎo)書預(yù)習(xí)時(shí)，將大量時(shí)間花費(fèi)在抄寫指導(dǎo)書上，很少有時(shí)間和精力用于思考，缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的整體把握。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，雖然有授課老師或?qū)嶒?yàn)老師開展相關(guān)指導(dǎo)，但面對(duì)陌生的機(jī)器，在課上有限時(shí)間內(nèi)，學(xué)生在很多操作方面都無從下手。應(yīng)用基于電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)之后，上述問題迎刃而解，老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量得到同步提升，課程實(shí)踐教學(xué)效果顯著。

七 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)，能夠引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前配合指導(dǎo)書快速熟悉實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和操作規(guī)程。平臺(tái)的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果。實(shí)踐表明，該虛擬操作仿真教學(xué)平臺(tái)能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，為其他高校開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。