基于Web的電工實訓仿真教學平臺構建

程鵬飛

（漯河技師學院，河南 漯河 462000）

0 引 言

在學生掌握電工技術知識與技能后，需要對其進行電工實訓教學，幫助其熟練掌握所學知識與技能[1]。通過開展電工實訓教學，可幫助學生提升其自身的實踐能力。但實際電工實訓教學過程中，因為電工實訓需要接觸的設備較為危險，且教師數量有限，無法全程指導每名學生，所以在學生出現錯誤操作情況下，可能會影響學生的健康安全[2]。為降低電工實訓的危險性，各高校僅開展弱電操作，降低強電操作次數，但這樣不利于學生全方位掌握電工技能[3]。仿真技術屬于網絡與信息處理技術的結合體，通過仿真軟件搭建仿真環境，以虛擬技術呈現實際物體。仿真技術具備成本低、安全性高的優勢，不需要學生在實時環境中操作，也能夠獲取精準的操作結果[4]。將仿真技術與電工實訓教學結合到一起，不僅能夠提升電工實訓操作的安全性，還能夠加深學生對電工知識與技能的印象[5]。為此，構建基于Web的電工實訓仿真教學平臺，提升電工實訓教學效果。

1 電工實訓仿真教學平臺

利用Web的技術架構，構建電工實訓仿真教學平臺，該平臺中共包含三部分，分別是Web客戶端、服務器端和數據庫?；赪eb的電工實訓仿真教學平臺的結構如圖1所示。

圖1 電工實訓仿真教學平臺的結構

Web客戶端負責為用戶提供信息訪問與遠程服務功能。Web客戶端會為用戶提供瀏覽器，用戶在提供的瀏覽器內輸入網址，便可登錄電工實訓仿真教學平臺，進入虛擬環境[6]，同時在Web客戶端選擇需要進行的電工實訓方案，進行電工實訓仿真教學。完成電工實訓方案選擇后，Web客戶端會將選擇結果反饋至服務器端。

服務器端會依據用戶選擇的電工實訓方案，控制用戶的指令流與數據流，進行調度管理與任務分配，制定電工實訓仿真教學流程[7]。按照用戶選擇的電工實訓方案與用戶指令，調整電工實訓器材的狀態，模擬生成電工實訓場景，完成電工實訓仿真教學。其中，交互界面設計模塊，以最大視覺傳達指數為目標，建立視覺感知的人機交互界面設計模型，利用粒子群算法求解該模型，得到最大視覺傳達指數對應的人機交互界面設計結果，提升交互界面設計的合理性。

數據庫負責存儲電工實訓仿真教學產生的相關數據。

1.1 電工實訓仿真教學的實現流程

基于Web的電工實訓仿真教學平臺的實現流程如圖2所示。

為降低通信代價，加快響應時間，該平臺選擇集中與分布相結合的方式進行平臺結構設計。在數據庫內集中存儲全部電工實訓仿真教學相關的數據[8]，在Web客戶端內分布式存儲各用戶的相關信息。

電工實訓仿真教學平臺實現的具體步驟如下：

步驟1：學生先在Web客戶端提供的瀏覽器內登錄電工實訓仿真教學平臺，然后輸入用戶基本信息，并注冊賬號。

步驟2：學生根據老師布置的電工實訓需求，制定電工實訓過程中的相關參數[9]。

步驟3：根據電工實訓需求，在虛擬實訓器材庫內，選擇需要的虛擬實訓器材，在交互界面設計模塊的交互界面內，進行實訓仿真操作。

步驟4：老師對學生的電工實訓結果進行評定，并生成實訓報告，存儲至數據庫內[10]。

步驟5：學生可在數據庫內調取實訓報告，查看老師的評定結果，根據老師的評定結果及時發現自身存在的不足，提升學生對電工知識與技能的掌握程度。

1.2 電工實訓仿真教學人機交互界面設計

服務器端的人機交互界面設計模塊，以最大視覺傳達指數Q為目標，建立人機交互界面設計模型，公式如下：

式中：n是視覺感知元素數量；di是第i個視覺感知元素重要度；xj是第j個交互界面區域的感知強度等級；m是交互界面區域劃分數量；hij是i在j內占據的單元格數量。

式（1）的約束條件為：

式中：hj是j內單元格數量；ai是i的面積。

利用粒子群算法求解式（1），得到最大視覺傳達指數對應的人機交互界面設計結果，步驟如下：

步驟1：參數初始化。

步驟2：計算粒子適應度，如果當下粒子適應度大于個體極值，那么將該粒子作為個體極值；如果當下個體極值大于全局極值，那么將該個體作為全局極值。

步驟3：更新粒子速度與位置。

步驟4：處理每次迭代產生的最佳粒子與最差粒子。

步驟5：當迭代次數達到最大值時，則輸出人機交互界面設計模型的最佳解；反之，返回步驟2。

2 實驗分析

以某高校的電氣工程學院為實驗對象，利用本文平臺對該學院的學生進行電工實訓仿真教學，分析本文平臺的電工實訓仿真教學效果。

在該高校的電氣工程學院內隨機選擇一名學生，以電動機的實訓操作為例，根據老師布置的電工實訓內容進行電動機連線操作，并合上電動機的電源開關，按動按鈕，令電動機正常運行。學生應用本文平臺進行電工實訓仿真教學，電工實訓仿真教學的交互界面如圖3所示。

圖3 電工實訓仿真教學的交互界面

分析圖3可知，本文平臺可有效設計人機交互界面，且界面非常清晰。學生應用本文平臺，可有效完成老師布置的電工實訓內容，完成電動機的連線操作。實驗證明：本文平臺可有效進行電工實訓仿真教學，且人機交互界面非常清晰。

分析本文平臺在不同查全概率下的數據查詢完整性損失（Loss of Data Query Integrity，LDQI），LDQI越低，說明平臺的數據查詢誤差越低，數據查詢效果越好，分析結果如圖4所示。

圖4 LDQI的分析結果

分析圖4可知，隨著查全概率的提升，LDQI隨之下降；在不同查全概率下，本文平臺的LDQI均低于LDQI閾值。實驗證明：在不同查全概率下，本文平臺的LDQI均較低，數據查詢性能較優。

平臺運行時，用戶不可操作容量越小，預留空間越大，平臺硬件的耐用性越強。利用放大系數衡量平臺的預留空間，放大系數越小，預留空間越大。分析本文平臺在不同并發請求數量下的放大系數，分析結果如圖5所示，放大系數閾值為0.5。

圖5 不同并發請求數量下放大系數的變化情況

根據圖5可知，隨著并發請求數量的增加，本文平臺的放大系數不斷提升，當并發請求數量達到50個/s左右時，本文平臺的放大系數穩定在0.45左右，并未超過放大系數閾值。實驗證明：在不同系統并發請求數量下，本文平臺的放大系數均較小，即平臺的預留空間較大，平臺硬件的耐用性較強。

3 結 語

傳統電工實訓教學的限制因素較多，出現安全事故的概率較高。為解決這一問題，構建基于Web的電工實訓仿真教學平臺，將仿真技術與電工理論教學完美結合到一起，在降低安全事故發生概率的同時，還能加深學生對電工知識與技能的印象，提升電工實訓教學效果，加強學生的實操能力。