基于虛實結合的電工技術仿真教學資源平臺應用研究

閻 偉，洪曉芳，吳 波

（山東勞動職業技術學院，山東 濟南250300）

山東省在全國率先以省為單位建立起支持職業教育改革發展的政策體系，走在全國前列。進入新時代，山東被確立為國家新舊動能轉換綜合試驗區和自由貿易試驗區，對職業教育改革發展提出新的更高要求。2020年1月《教育部 山東省人民政府關于整省推進提質培優建設職業教育創新發展高地的意見》（簡稱《意見》）印發。《意見》提出，每個設區的市至少建設一個共享性的大型智能（仿真）實習實訓基地，支持5個左右城市、30所左右高職院校、1000家左右企業積極參與產教融合試點。結合我省和我校實際，結合自動化專業的通用性、交叉性、復合性需求，進行了本次應用研究，可有效解決傳統實訓場地數量不夠、建設成本過高、共享性差等問題。

1.研究的目的

1.1 虛擬仿真技術的應用

職業院校實踐教學是培養學生技能的重要環節，實驗教學是學生在校學習認知驗證的重要手段。在課程實驗時，存在一些相對危險的操作環節，我們考慮先通過虛擬仿真系統來傳遞信息，學生先通過上機學習和模擬實驗，熟悉操作工序和操作規范后，再完成具體的實踐操作，這樣可以避免因直接參與實驗或操作的失誤，而產生的危險、損傷人身、損壞儀器或設備的情況發生。

在我國職業教育領域和自動化技術專業教學中，虛擬仿真系統顯現其應用價值，不僅能提供必要的信息，還能使情境化教學和學習無處不在。3D模擬仿真系統是虛擬仿真系統的一種呈現方式。

以虛擬現實技術為基礎，運用計算機對實景進行模擬和仿真，是一種新型的人-機界面方式，即虛實結合，它可以創設良好的學習環境，提供自由、靈活的教學方式。基于虛實結合的仿真教學是使用儀器、設備、計算機虛擬技術，利用場地、環境的布置，模仿出真實的工作環境、工作程序、動作要求、技術指標，進行模擬操作、生產訓練、產品設計和鑒定考核等的綜合過程。

1.2 3D場景構建的電工技術仿真教學軟件設計構想

1.2.1 豐富的資源：創設電工工藝與技能訓練仿真教學資源平臺，有多媒體演示課件和自學型交互課件；模擬企業一線的工作場景創設的視頻單元，所使用的設備與工藝流程均為企業生產廣泛使用的新技術、新工藝。

1.2.2 操作簡單：使用資源平臺下的仿真教學軟件進行學習，就像看產品說明書一樣，元器件、操作步驟設有圖例，直觀易懂。

1.2.3 以3D場景構建的電工技術仿真教學軟件設計，選擇電工技術領域安裝工藝方面典型的工作任務為案例,仿真教學軟件包括創設教學情景、教師演示、學生仿真操作和工藝考核四個模塊。學生仿真操作模塊，學習者需要在規定的時間內完成學習任務。工藝考核模塊是針對學習者學習和訓練成效的檢驗及考取證書而設計。

通過系統化構建的虛實結合仿真教學資源平臺，充分發揮虛擬實驗在實驗組織、實施、評價中，靈活度好、重復性強、成本較低的優勢，讓虛擬仿真實驗作為進入實踐實習的先導、作為崗位實習的部分替代，提升仿真教學的針對性和學生的學習興趣，促進學生的實踐能力和技能水平得以提高。

2.仿真教學資源平臺研究過程

2.1 環境模型搭建

3D模擬仿真技術可以將虛擬環境的矢量模型制作出來，通過燈光、貼圖、烘焙等操作，實現場景模型的虛擬可視化，達到真實、生動的視覺效果，并把制作好的虛擬場景模型發布為FBX文件。隨后把發布好的FBX模型文件導入到unity3d等引擎系統中，進行功能的開發及實現，最后發布基于PC端或者web端的仿真程序。實現基于客戶端或者網頁端的虛擬仿真系統。虛擬仿真系統一般具有的功能有漫游、仿真操作、信息交互、信息采集、實訓考核、考核評定等功能，適合教學、演示和學習。

實訓考核設置選項可為每個任務設置相應的考核內容，例如低壓電器柜安裝和維修實訓中，設置電器柜因電源短路造成前級配電間分柜斷路器跳閘保護，以場景化呈現電工作業人員從接到指令、作業過程、收工整理等工作流程和安全規范，對接人物、任務場景的工作和考核標準等，如圖1、2所示，這樣學生在仿真操作中既學會操作步驟，也培養和提升了職業素養。

圖1 配電間場景3D仿真模型

圖2 電器柜故障排除仿真模型

2.2 電工技術仿真教學資源平臺

2.2.1 模型資源庫搭建場景類、設備類、工具類、導線類、材料類等5類資源模型。在模型資源庫上可進行設備、工具、工藝和材料3D模型查看，可自由拖動、旋轉和縮放模型；可拆解、顯示和隱藏設備和零件模型。包括在不同特定場景環境的匹配安裝；電工工具選擇使用，支持不同工具自動匹配不同的使用場景和使用對象；支持設備、工具、線纜等不同型號的選型使用。

2.2.2 多媒體資源庫可提供圖片類、視頻類、動畫類、文本類、課件類資源模型。進入模型資源庫可以在線打開或下載資源進行查看，也可按實訓模塊分類進行篩選。

2.2.3 設備認知可實現設備、工具和工藝材料3D模型展示，可自由拖動、旋轉和縮放設備模型。

2.2.4 三維場景漫游瀏覽，可實現自由改變視角角度、縮放鏡頭長度距離、漫游速度；支持不同場景的任意切換。

2.2.5 電工技術仿真教學軟件包括以下模塊：

電工安全常識軟件模塊是以學習資源嵌入虛擬場景進行認知性學習。

電工技術軟件模塊主要以學習電工基本技能和實訓操作指導為主。

照明電路的安裝和維修軟件模塊是以學習照明燈具和線路的安裝和維修為主，學生進入不同的虛擬場景，可從模型資源庫中進行器件、工具、材料的選擇，以場景交互的方式，在場景中使用相應的工具，將器件、材料安裝在對應的位置。

室內照明線路的配線軟件模塊是以學習照明線路的配線方法為主，學生選擇不同的實訓場景，選擇不同的器件、工具、線纜和輔材完成管線、器件安裝、接線以及故障檢測。

3.仿真教學資源共享平臺的基本功能

資源共享平臺分為用戶登錄、實訓環境、教學資源以及實訓教學做評價四個部分。用戶登錄包括用戶身份驗證、權限管理以及實驗環境預約等功能；實驗環境系統中學習者根據自身需求，選擇不同實訓環境開展實訓練習；教學資源庫中將教學資源收集匯總后，提供給學生豐富的學習內容；實訓教學做評價為教師評價學生線上線下學習綜合參與度、課堂實訓任務完成情況提供依據。仿真教學資源共享平臺能夠體現教學過程教、學、練、考、評五個方面，是把教學過程系統化的一個平臺。

資源平臺的“教”是通過教程labs模式實現，可以將電工工藝和技能操作過程一步一步分解，從安裝、調試、維護詳細展示，并顯示對應工序的工藝和規范。學生可以系統化的學習知識，提前增加工作的經驗值。

資源平臺的“學”是通過pocket實訓裝置，以移動式的學習模塊進行建設，配合學生的移動終端。教師通過后臺數據，實時掌握學生的學習動態。

資源平臺的“做”是通過虛實結合裝置，以3D場景呈現出生動的工程現場，學生可進行情境化安裝、拆卸或調試，讓學生的模擬訓練和操作訓練對接未來工廠或企業崗位的操作項目。

資源平臺的“考”和“評”是通過仿真軟件，讓學生安排安裝、裝配、設計和驗證，熟悉和體驗未來工廠、企業崗位之間的協作過程，并通過結果驗證，完成對未來工作任務的考核和工作質量的評判，提前熟悉和掌握企業生產和產訓質量的考評環節。設計了實驗報告自動生成功能，教師在實驗項目中實現添加實驗內容，學生在實驗完成后上傳記錄數據，系統根據實驗操作結果與數據，在學生完成提交后，自動評價學生操作結果，得出學生實驗成績，并上傳系統，反饋給學生與教師。

采用線上與線下結合的混合教學模式建設的平臺，也可實現遠程預約練習，同時開展仿真練習，進一步掌握學生整體與個別學情，及時對學生在學習中遇到的瓶頸與問題做出反饋，形成教學過程的良性循環，提升學生學習效果。

4.結語

本次研究通過虛實結合、虛擬仿真形式，替代在高危或極端的環境、不可逆或不可及、高成本、高消耗的操作，可解決“看不見、進不去、難再現”的電工技術實訓教學難題。依托多媒體、人機交互、虛擬現實、數據庫和網絡通信等技術，陸續研究自動化技術虛擬仿真實訓系統，提供沉浸式實習實訓方案。采用虛實結合的仿真教學資源共享平臺，對于不太側重技能訓練的高校教學和社會技能型學員進行培訓，具有良好的培訓效果。

以共享性的大型智能（仿真）實習實訓基地建設為切入點，建立融教學、生產、服務、培訓、科研、成果轉化于一體的學習型、生產性實訓基地，筑牢這個資源共享平臺，滿足區域經濟發展和企業崗位的綜合需要。