薛菁 代妮娜 譚澤富 雷國平 蔡黎

(重慶三峽學院 重慶 404100)

教育是發(fā)展進程的基石和軸心。高等教育為學生提供兩類知識：理論背景和實踐技能。從過去的教育歷史和教育改革來看，新技術的出現(xiàn)和發(fā)展將促進教育改革和創(chuàng)新[1]。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術是繼多媒體和計算機網絡之后的一門全新的技術，它是一種非常適合電氣教學的新模式，逐步實現(xiàn)了從虛擬到現(xiàn)實的新教育技術[2]。電氣實驗技術課程是電子信息工程、通信工程和電氣工程及其自動化專業(yè)的實踐性必修課程，也是基礎實驗課程。

在電氣實驗教學過程中，由于時間、設備和空間的限制，學生無法進行一些特殊工況下的操作，這對提高學生的動手能力和實踐能力無疑是一種束縛。VR 技術的實驗室不僅可以讓學生擺脫時間和空間的限制，完成和真實環(huán)境中一樣的實驗項目，并能取得非常好的效果，還可以根據情況隨時更新設備，這將大大縮減高校購置儀器和維護設備的預算，因此，建立各種功能齊全的虛擬實驗室是現(xiàn)代教育發(fā)展的必然要求。

虛擬實驗室是一種綜合運用VR、虛擬儀器、網絡技術以及多媒體技術等多種技術，提供實驗者一個科學研究、協(xié)同工作的分布式解決問題的環(huán)境，幫助學生對真實環(huán)境中抽象性專業(yè)知識進行理解，進而構成虛擬實驗實訓教學環(huán)境三大要素：實驗實訓場景、虛擬角色以及其他要素[3]。

1 VR技術

又稱虛擬現(xiàn)實（VR）技術，是計算機科學技術的一種新形式，它具有沉浸感、互動性、多感知和概念性4種特性。用戶通過佩戴頭盔、手套等傳感器設備，就可以讓人們在VR技術創(chuàng)造的虛擬世界中使用語言、動作等交流方式，實現(xiàn)與計算機的實時對話。另外，VR技術也是一門跨學科的高科技技術，它被認為是多媒體應用中最好的技術，它所構建的三維動態(tài)世界具有很強的保真度和實時性。VR實現(xiàn)人機交互原理如圖1所示。

圖1 VR實現(xiàn)人機交互原理

1.1 VR技術應用到電氣實驗教學的優(yōu)勢

VR技術應用到電氣實驗教學的優(yōu)勢大致有三類：提升學生的實踐能力、促進高校教師的科研與發(fā)展、提高實驗結果的轉化率。

1.1.1 提升學生的實踐能力

在電氣實驗教學活動中，通常會因為考慮學生的安全而不得不放棄一些有危險的實驗操作，這與培養(yǎng)學生全面發(fā)展的宗旨是相違背的。而通過模擬虛擬電氣操作流程和環(huán)境，可以減少實驗安全隱患，同時增強學生的實際操作能力和水平。

1.1.2 促進高校教師科研與發(fā)展

由于原始真實場景實驗設備和實驗環(huán)境的限制，難以滿足高校教師對實驗教學項目進行自主研究的需求，影響了高?？蒲泄ぷ髡哌M一步進行技術研發(fā)的動力和興趣。隨著VR技術的引入，虛擬環(huán)境不僅可以模擬所使用的各種先進的電氣實驗和分析設備，還可以使高校教師利用沉浸式的研發(fā)環(huán)境，激發(fā)教師對電氣實驗教學方式進行創(chuàng)新的研究動機和興趣[4]。

1.1.3 提高實驗結果的轉化率

傳統(tǒng)的電氣實驗教學備課時，教師通過真實環(huán)境實驗獲得實驗結果的周期長，重復率高。在虛擬仿真實驗室中基于VR 技術和計算機算法分析可以縮短了實驗周期，提供快速的實驗結果，并在現(xiàn)實環(huán)境中進行驗證，促進了教學成果的轉化[5]。

1.2 VR技術在高校電氣實驗教學中的應用背景

VR技術是在對人體五感細致分析的基礎上，建立與現(xiàn)實世界1∶1 的三維模型，實現(xiàn)與現(xiàn)實世界同等的視覺、聽覺、觸覺和麻醉感官，使體驗更容易沉浸在情境中，突破傳統(tǒng)計算機控制的交互行為，通過虛擬世界的構建來達到你想要的效果。

教育部的相關政策也指出要積極開發(fā)微課、慕課、VR 技術等數字化培訓資源，完善專業(yè)教學資源庫，進一步擴大優(yōu)質資源覆蓋面，這也印證了VR技術與電氣實驗教學相結合的必要性。VR 技術是計算機人工智能技術的深化，建立虛擬實驗室并將其應用到高校電氣實驗教學中，是對高校電氣試驗教學模式的一種新探索，改變了傳統(tǒng)意義上面對面的教學方式，對提高學生的動手能力意義深遠[6]。VR技術可以大大縮短高校電氣實驗教學教師單方面講授知識的場景，既能達到真實直觀的教學效果，使學生沉浸到豐富有趣的電氣實驗操作中，又促進教師學生雙向互動意識，從而推動高校電氣實驗教學的順利實施。

VR 技術的可行性而言，VR 技術的一個特點是讓學生在虛擬的學習環(huán)境中全身心地學習自己的角色，沉浸式VR系統(tǒng)允許運用任何類型的技術，給學生一種完全置身于虛擬空間的感覺。使用頭盔上的顯示器或其他設備包圍參與者的視覺、聽覺等感官，提供一個新的虛擬感官空間，使用位置追蹤數據手套等設備輸入聲音，更能讓參與者沉浸其中的VR環(huán)境，實現(xiàn)逼真的技術效果，這樣就可以利用VR來完成電氣實驗教學活動，對實用技能教學產生強大的推動作用[7]。

1.3 虛擬實驗室功能設計與特色布局

電氣行業(yè)的工作環(huán)境通常具有極其惡劣的特點，涉及高壓作業(yè)，實驗教學過程需要跟上技術前沿。因此，虛擬實驗室的功能設計和特色布局需要滿足現(xiàn)實實驗室的條件和要求，同時克服實際實驗過程的不足。

虛擬實驗室在電氣教學的課前預習、課堂學習以及課后復習均可以應用，關鍵要根據實驗內容采取適宜的教學模式，這樣才能更好發(fā)揮虛擬實驗室的優(yōu)勢。

分布式架構的基于VR 技術的電氣虛擬實驗室可以實現(xiàn)技術共享、遠程協(xié)作和環(huán)境場景虛擬控制的功能[8]。數據層、基礎層和資源層為管理層、功能層、應用層和服務層奠基，從而實現(xiàn)信息整合和情境交互。數據層由三維建模技術、立體顯示技術、人機交互技術、數據分析技術支撐；基礎層由HTC Vive 設備與Steam VR平臺搭建；資源層由3D角色、手柄模型、場景模型、儀器模型等創(chuàng)設；管理層具備系統(tǒng)管理、信息管理、預約管理和實驗管理四大管理模塊；功能層主要包括人機交互、師生交互和生生交互；應用層由電氣實驗平臺構成；服務層則主要包括教師指導模式、學生訓練模式、學生探究模式等多種模式。其中，數據層為資源層提供技術支撐，資源層為功能層提供資源服務。虛擬實驗室體系架構設計如圖2所示。

圖2 虛擬實驗室體系架構設計圖

2 實驗實例

虛擬實驗具有很強的自由度和包容性，這表現(xiàn)在豐富的實驗方法選擇上。在虛擬實驗教學中，學生可以根據自己的實際實驗課題進行不同的學習，不僅提高了針對性，而且從根本上改變了原來一節(jié)課只能選擇一種實驗的模式。另外，關于實驗的時間和地點，學生可以根據自己的實際學習需要和習慣進行自主選擇，只要學校允許使用開放實驗室就可以安排時間。最后是實驗模型組，由于虛擬實驗的針對性較強，學生往往會按興趣自主選擇分組，因此在小組的分配方面也有更多的自由度，而獨立小組也可以通過課外的學習方式來討論，加強交流環(huán)節(jié)，更好地調動學生的積極性。

虛擬實驗室的軟件采用HTC Vive 作為終端顯示設備。Web 上的虛擬實驗室軟件是通過PC 上的瀏覽器訪問的，目前不支持移動訪問[9]。由于場景大，加載時間長，建議使用性能更高的CPU 和較大的RAM PC。虛擬實驗室的軟件運行在Windows平臺上，在PC上安裝Steam VR 軟件，并在連接VR 設備后運行系統(tǒng)可執(zhí)行文件。用戶可以佩戴VR 設備，使用手柄進行實驗[10]。圖3是使用PC上的系統(tǒng)進行電力變壓器綜合虛擬實驗測試模式選擇。

圖3 PC上系統(tǒng)進行電力變壓器綜合虛擬實驗測試模式選擇圖

Web 上的虛擬實驗軟件運行在服務器上，可以通過瀏覽器訪問。虛擬實驗室是基于Unity 開發(fā)的。因為Unity 最終生成的是“webgl”文件，推薦使用谷歌瀏覽器或與“webgl”文件兼容的Microsoft Edge 9。圖4是一個學生在VR上做虛擬實驗的場景。

圖4 一個學生在VR上做虛擬實驗的場景

就網絡虛擬實驗室而言，學生的評論都是積極的：“感覺很好，學到的知識扎實牢靠”“學習方法很新穎，很有趣”“期待下節(jié)課的實驗”等。

3 結語

在實際教學中，全面提升學生的實踐能力，需要持續(xù)的鍛煉，但實際上要達到更好的電氣實驗教學效果是很困難的。將計算機虛擬現(xiàn)實技術應用到高校電氣實驗教學中，是高校電氣實驗教學改革和創(chuàng)新的途徑之一。利用計算機虛擬現(xiàn)實功能，可實現(xiàn)對高校教學空間和時間的有效利用，增強學生的積極性和主動性，達到提高學生動手能力的教學目標。VR 技術在高校電氣實驗教學中的應用尚處于起步階段，但隨著VR技術和計算機技術的發(fā)展，其在高校教育教學中的應用將更加深入和廣泛，相信隨著國家相關政策的不斷出臺，未來虛擬實驗室也將成為中國高校電氣實驗教學的核心模式，為中國現(xiàn)代化教育事業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供技術支持和保障，高校教育教學改革勢在必行。