基于VR虛擬實驗技術的電氣實驗教學研究

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，新技術的出現和發展將促進教育改革和創新[1]。虛擬現實（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，逐步實現了從虛擬到現實的新教育技術[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代教育發展的必然要求。

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、協同工作的分布式解決問題的環境，幫助學生對真實環境中抽象性專業知識進行理解，進而構成虛擬實驗實訓教學環境三大要素：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技術創造的虛擬世界中使用語言、動作等交流方式，實現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世界具有很強的保真度和實時性。VR實現人機交互原理如圖1所示。

圖1 VR實現人機交互原理

1.1 VR技術應用到電氣實驗教學的優勢

VR技術應用到電氣實驗教學的優勢大致有三類：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，這與培養學生全面發展的宗旨是相違背的。而通過模擬虛擬電氣操作流程和環境，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展

由于原始真實場景實驗設備和實驗環境的限制，難以滿足高校教師對實驗教學項目進行自主研究的需求，影響了高校科研工作者進一步進行技術研發的動力和興趣。隨著VR技術的引入，虛擬環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環境，激發教師對電氣實驗教學方式進行創新的研究動機和興趣[4]。

1.1.3 提高實驗結果的轉化率

傳統的電氣實驗教學備課時，教師通過真實環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，并在現實環境中進行驗證，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，建立與現實世界1∶1 的三維模型，實現與現實世界同等的視覺、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微課、慕課、VR 技術等數字化培訓資源，完善專業教學資源庫，進一步擴大優質資源覆蓋面，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境中全身心地學習自己的角色，沉浸式VR系統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環境，實現逼真的技術效果，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

電氣行業的工作環境通常具有極其惡劣的特點，涉及高壓作業，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，這樣才能更好發揮虛擬實驗室的優勢。

分布式架構的基于VR 技術的電氣虛擬實驗室可以實現技術共享、遠程協作和環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、儀器模型等創設；管理層具備系統管理、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，加強交流環節，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 設備后運行系統可執行文件。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新的途徑之一。利用計算機虛擬現實功能，可實現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，為中國現代化教育事業的持續發展提供技術支持和保障，高校教育教學改革勢在必行。