基于虛擬現實技術的工程體驗式教學在電工課程中的應用

周晶 ,江新

（1.東莞職業技術學院 機電工程系，廣東 東莞 523808;2.東莞三星電機有限公司，廣東 東莞 523413）

0 引言

現在的機械設備已經越來越離不開電工電子技術，只有機電一體化產品才能提高生產效率。工廠對機械工人的要求也從機械類單一工種，轉變為機電類復合人才。因此，電工電子已經成為機械類專業的一門理論性和實踐性都非常強的重要基礎課程［1］，但其基本概念難理解，系統工作過程抽象，使該門課程教學較難。而且電工實訓需要通電操作，在學生不熟悉的情況下有可能因誤操作而帶來危險。而采用機電控制仿真軟件的虛擬實訓教學可以幫助解決這一系列問題［2］。

1 虛擬實訓機電控制軟件

一般常用的機電控制軟件包括：美國國家儀器（NI）有限公司的Multisim、宇龍機電控制仿真軟件等。其中，Multisim 是以Windows 為基礎的仿真工具，適用于模擬電路和數字電路板的設計工作，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的元件庫和極強的仿真分析能力［3］。

圖1 三相異步交流電動機正反轉控制電路

宇龍機電控制仿真軟件是用于機電一體化教學和實訓的仿真軟件，可以搭建電路、油路和氣路的綜合系統，學生能夠將所學到的電工電子知識，與各種控制對象融合成機電一體化系統，從而對該課程在專業中的地位有更深刻的理解。軟件中的元器件庫是一個開放式的資源庫，可按照用戶的需求添加新元件或控制對象，使學生能接觸到新元件和新技術，跟上日新月異的發展潮流。用該軟件搭建的三相異步交流電動機正反轉控制電路如圖1 所示［4］。

2 體驗感在教學中的重要性

工科類課程與工程實際是緊密相關的，先從實踐中精煉出理論知識，再進一步將理論知識應用到實踐中，反復驗證才能形成有用的理論，因此學習理論知識時一定要和工程實踐有機結合起來，才能更深刻地領會理論的精髓，這就是為什么企業培訓員工都是卓有成效的。因為一般企業在培訓員工時，都是有針對性地、根據崗位培訓相關的內容，員工因為自身興趣和工作壓力要求，對知識的渴求是主動地，而且知道自己缺乏哪方面知識，因此在學習時效率很高，并且在遇到難點時會自發地查詢資料解決問題，有效地應用在工作中。

而現有的培養大學生的方法都是按照既定的人才培養方案來執行，學生一進校門就已經確定了要上哪些課程，而且大都是理論性很強的課程，比較抽象，如果沒有工程實際經驗，對于為什么要學習這門課程，學好課程有什么用，前修課程和后續課程有什么聯系，很多學生都是一知半解的，只有畢業走上工作崗位后，在實際工作中用到相關的理論知識，才發現這些課程的重要性，如果之前沒有學好，就要花更多的時間去復習，這對他們的職業生涯是不利的。

3 虛擬實訓與工程體驗結合的可行性

以虛擬現實技術為基礎開發工程體驗式教學項目，可以改善教學質量，使理論分析得以驗證。同時，仿真模擬可以讓受訓者在沒有任何危險的情況下，直接感受到自己依據所掌握的知識和技能，采取行動、反應或操作導致成功或者不成功的結果。還可以模擬真實條件下難以出現的環境條件，完成重要訓練科目，而風險和成本都大大低于真實環境。能有效地解決實踐環節教學資源短缺、設備不能及時更新、實踐耗材不足、存在污染、不可能智能化等問題。

學生可以通過鼠標操作，從虛擬仿真軟件的元器件庫中選擇所需要的各種元器件（如各種開關、電氣元件、電機等）放入到仿真工作區，然后用導線連接各種電路元器件搭建所需要的控制系統，在模型的建立過程中可以讓學生掌握電氣系統的組成部分、常用元件的圖形符號、功能與重要參數、軟件的基本使用方法等。同時，也可以在元器件上設置不同的屬性，修改繼電器、導線、熔斷器、開關的相關參數，從而實現各種不同的故障現象，用于故障檢測訓練。這可以幫助學生通過萬用表、鉗表等儀表觀察具體數據的變化，分析其中的原因。

在項目實施過程中還要充分考慮到以下幾點：

1）項目設計緊密結合專業定位和就業需求。首先通過企業調研，了解行業的新信息和新技術，選取源于企業實際應用的項目，注重典型性、挑戰性、可行性、趣味性，然后經過選擇與改造，形成適合學生的學習型工作任務，使以學生為主體的教學理念落到實處。學生能接觸到企業實際的機電設備設計流程與方法，以設計人員的身份介入到企業中，實現課程教學內容與崗位工作的零對接，提高課程的職業性和實踐性。

2）強化虛實結合。以現有的電工電子實驗臺為課程教學提供了電子與電氣元件實物識別、電氣回路組建與調試的平臺。學生可進行點動控制、繼電器控制等模式的回路搭建，既可進行驗證性的基礎實驗，還可開發新項目，進行拓展性、創新性的實驗。

工程體驗感教學設計如圖2 所示，將工程文化貫穿于整個課程的實施及課程評價中，營造一種類似于實際生產的過程，使學生獲得接近于未來工作崗位的工程體驗，培養其團隊協作能力、溝通能力以及嚴謹樸實的工作作風［4］。

圖2 工程體驗式教學設計

4 實施效果

采用虛擬現實技術構建工程實訓項目，并在教學項目設計過程當中，充分注重虛實結合的問題，優化虛擬實驗教學過程中虛實轉換的方式方法。在真實到虛擬的教學過程中，學生能將所學的理論、原理運用到虛擬實驗當中，做到“學以致用”。在虛擬到真實的過程中，學生能深化理解理論、原理、規則、方法，掌握技能和方法。虛實結合、虛實互補，共同提升了實踐教學的水平。

5 結語

實踐證明，虛擬實驗教學中，虛擬實驗作為創設的良好先進媒介，將原來單一的師生界面交互變為多向的人機界面交互、人人界面交互。教學內容、教學目標貫穿于創設的整個虛擬實驗的情景和任務當中，學生可以做到知識學習、實驗操作、技能訓練的隨機通達，形成教師、學生、教學內容、媒介的四位一體，教師組織實驗教學的過程變得更加開放、透明，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果。

［1］徐琳.德國職業學校專業教學法研究［D］.天津：天津大學，2009.

［2］周運金.虛擬技術在高職實訓中的應用研究［J］.企業科技與發展，2009（24）：66-68.

［3］孫樹文，楊建武，張慧慧.機電一體化教學培訓系統的設計與實現［J］.中國現代教育裝備，2007（6）：79-84.

［4］張順堂.工業工程專業實驗系統的設計與實現［J］.中國現代教育裝備，2006（7）：23-28.