VR技術(shù)在供配電實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

基金項目：遼寧開放大學(xué)課題；項目名稱：智能制造專業(yè)群雙元制本土化人才培養(yǎng)模式研究與實踐；項目編號：2021XB-50。

作者簡介：王帥（1994—），男，助教，碩士，研究方向：電力自動化，電力電子。

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的高速發(fā)展，它在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也日益受到關(guān)注。文章旨在探討VR技術(shù)在供配電實驗教學(xué)中的應(yīng)用，并評估其對學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量的影響。通過VR技術(shù)可以模擬真實的工廠供配電環(huán)境，避免了實際操作中可能存在的危險和風(fēng)險，降低了意外事故的發(fā)生概率。學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行實驗，無需購買昂貴的實驗設(shè)備和材料，這降低了實驗成本。VR技術(shù)又可以提供與真實環(huán)境相似的交互體驗，學(xué)生通過操作虛擬設(shè)備、調(diào)整參數(shù)和觀察實驗結(jié)果，增強實踐能力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；供配電實驗；教學(xué)應(yīng)用；學(xué)習(xí)效果；教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：TP39文獻標(biāo)志碼：A

0引言

在新的國際環(huán)境形勢下，我國堅持科教興國，落實科學(xué)發(fā)展觀，大力發(fā)展職業(yè)教育。職業(yè)教育注重培養(yǎng)學(xué)生掌握實用技能和知識，使其具備從事特定職業(yè)所需的實際能力。教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合實際工作需求，注重職業(yè)素養(yǎng)和實踐操作技能的培養(yǎng)，旨在通過實踐性和導(dǎo)向性的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生特定職業(yè)所需的技能和素養(yǎng)，為其職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建了教學(xué)新形式，通過電腦技術(shù)和仿真環(huán)境建設(shè)虛擬的實驗室，使學(xué)生可以沉浸在一個虛擬的三維實驗室中，利用頭戴式顯示設(shè)備、手柄、感應(yīng)器等設(shè)備模擬視覺、聽覺和觸覺等感官來創(chuàng)造身臨其境的體驗，為學(xué)生提供更加真實、安全和豐富的實驗體驗。通過學(xué)生對虛擬仿真新興技術(shù)的好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，寓教于樂，提高學(xué)生的實踐能力和綜合素質(zhì)。

1研究背景

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，教育領(lǐng)域也開始積極探索和應(yīng)用新的技術(shù)手段來提高學(xué)習(xí)效果。虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)因其沉浸式、交互性強的特點在教育領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，被認為是教育領(lǐng)域的創(chuàng)新工具之一。通過模擬真實的環(huán)境和情境，為學(xué)生提供身臨其境的學(xué)習(xí)體驗，極大地豐富了傳統(tǒng)教學(xué)模式。

供配電技術(shù)是電力工程中的重要分支，主要研究電能從輸電系統(tǒng)進入用戶終端的分配和控制技術(shù)。供配電實驗是電氣工程專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)實踐課程之一，對于電力專業(yè)學(xué)生來說，培養(yǎng)實踐動手能力和電工知識的應(yīng)用具有重要作用。傳統(tǒng)的供配電實驗教學(xué)方式主要以實驗室為主，受實驗設(shè)備、實驗時間和空間限制，存在著實驗設(shè)備成本高、安全隱患大、實驗室資源有限等問題。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新的途徑。

在供配電實驗教學(xué)中，VR技術(shù)的應(yīng)用潛力巨大。傳統(tǒng)的供配電實驗教學(xué)無法使每個學(xué)生都親身參與到實際操作和面對真實的電力設(shè)備。而VR技術(shù)的引入可以有效地解決這些問題，為學(xué)生提供更加安全、便捷和實踐性的實驗教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和參與度。此外，VR技術(shù)還可以實時記錄和分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和反應(yīng)，為教師提供個性化的指導(dǎo)和反饋。因此，本文聚焦VR技術(shù)在供配電教學(xué)中的應(yīng)用是受到教育技術(shù)發(fā)展、供配電教學(xué)的挑戰(zhàn)和需求、VR技術(shù)的優(yōu)勢以及之前的研究和實踐經(jīng)驗的共同驅(qū)動。希望通過這些研究來改進供配電教學(xué)的方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和安全性，以改善傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足。

2傳統(tǒng)供配電技術(shù)實驗教學(xué)中存在的問題

供配電技術(shù)實訓(xùn)室是電氣自動化技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心技能培養(yǎng)、實驗實踐的主要場地，是基于電工技能之上的供配電技術(shù)專業(yè)技能訓(xùn)練的基地，其建設(shè)和完善有著不可替代的重要作用。主要培養(yǎng)學(xué)生對電力系統(tǒng)中發(fā)電機的啟動、并網(wǎng)、帶負荷穩(wěn)定運行的操作和控制技能，以及對電力系統(tǒng)線路故障時的綜合分析和故障處理能力；對供配電系統(tǒng)中35kV總降壓變電所、10kV高壓配電所及車間用電等電氣一次系統(tǒng)的投切操作、倒閘操作以及運行控制的能力；訓(xùn)練學(xué)生安裝和使用工廠供電系統(tǒng)的繼電保護裝置、備用電源自動投入裝置的能力；培養(yǎng)學(xué)生對變壓器、電動機組、電流互感器、電壓互感器的維護和檢修能力。然而，傳統(tǒng)供配電技術(shù)實驗教學(xué)中存在一些問題影響了實驗教學(xué)的效果和安全性［1］。

21實驗設(shè)備不足和場地受限

截至2023年，大學(xué)生在校總?cè)藬?shù)超過4430萬人，全國電氣類專業(yè)計劃超8萬人，較2022年增加了26%，伴隨著人員的增多，實驗室內(nèi)存在的問題也日益暴露出來。由于供配電實驗室場地受限、所需的設(shè)備和材料較為昂貴，學(xué)校通常無法提供足夠的實驗設(shè)備和材料給每個學(xué)生使用，導(dǎo)致學(xué)生只能通過觀摩或者模擬實驗來學(xué)習(xí)，無法真正親自動手進行實驗操作，限制了學(xué)生對實際操作的理解和掌握程度。以某廠家生產(chǎn)的實訓(xùn)設(shè)備為例，如表1所示為供配電實驗所需的4種設(shè)備的占地面積與價格，若一個30人的班級每種設(shè)備需要10套才能滿足實驗要求；職業(yè)院校每年的資金投入有限，實驗設(shè)備成本高，難以為每個學(xué)生提供足夠的設(shè)備與場地，因而無法達到預(yù)期的實驗效果［2］。

22實驗操作難度大、過程單一

供配電技術(shù)實驗涉及復(fù)雜的電路和設(shè)備，需要學(xué)生具備一定的電工技能和操作經(jīng)驗。然而，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)往往缺乏適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和練習(xí)機會，學(xué)生很難掌握正確的操作方法。這導(dǎo)致學(xué)生在實驗操作中容易出錯或者遇到困難［3］，影響了他們對實驗內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)效果。且傳統(tǒng)的供配電實驗往往只是簡單地實現(xiàn)一些基本的電路連接和測量，通過儀器測量得到一些數(shù)值結(jié)果，學(xué)生很難直觀地觀察和理解實驗現(xiàn)象。這樣的實驗結(jié)果對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和認識程度有一定的限制。學(xué)生無法直接觀察到電流的變化、電壓的波動等實驗現(xiàn)象，往往只能通過數(shù)字和圖表來得到實驗結(jié)果，缺乏創(chuàng)新的思維和實踐能力培養(yǎng)。學(xué)生只是按照預(yù)定的步驟進行操作，缺乏對實驗過程的探索和發(fā)現(xiàn)的機會，限制了學(xué)生對實驗過程的理解和認知。這樣的實驗教學(xué)往往無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，限制了學(xué)生對供配電知識的深入理解。

23實驗室安全風(fēng)險高

本文通過百度、微軟必應(yīng)、搜狗、中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、維普等搜索引擎及信息資源系統(tǒng)進行檢索［4］。檢索關(guān)鍵詞包括大學(xué)實驗室事故、高校實驗室事故等詞條，對每項資料或文獻進行閱讀和質(zhì)量評估、關(guān)鍵性統(tǒng)計指標(biāo)進行收集，剔除重復(fù)、信息少或無法利用的數(shù)據(jù)，從事故類型、事故原因及事故發(fā)生時間等方面對2003—2022年國內(nèi)高校及研究院所實驗室安全事故進行研究和分析［5］。

事故總體情況如圖1所示，2003—2022年發(fā)生的109起實驗室事故共造成199人受到不同程度的傷亡。在2006—2015年事故較多，而2016—2019年事故總數(shù)有所降低，2020年為特殊年份，科研人員居家辦公、學(xué)生居家學(xué)習(xí)，實驗室停用無安全事故，2021—2022年事故數(shù)量有所升高。

如圖2所示，實驗室事故多發(fā)生于第二季度和第四季度，分別占比3226%和2852%，第一季度和第三季度分別為2001%和1921%。實驗室安全事故多發(fā)生在第二季度和第四季度，可能有以下幾個原因：（1）第二季度和第四季度通常是學(xué)術(shù)研究和科研項目的高峰期，實驗室的工作量會相應(yīng)增加。這意味著實驗室人員需要處理更多的實驗和樣品，而這些實驗和樣品可能帶來更多的風(fēng)險和安全隱患。（2）第二季度和第四季度也是學(xué)術(shù)界和科研機構(gòu)人員流動的高峰期。新進人員可能對實驗室環(huán)境和實驗操作不夠熟悉，容易犯錯或忽視安全規(guī)范。（3）第二季度和第四季度通常是項目截止日期和學(xué)術(shù)會議的時間節(jié)點，實驗室人員可能面臨較大的時間壓力和工作強度。（4）第二季度和第四季度通常也是氣溫升高和氣候變化的季節(jié)，這可能導(dǎo)致實驗室內(nèi)部溫度升高，實驗操作環(huán)境變得更加復(fù)雜。高溫和濕度可能對實驗儀器和試劑的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，增加了實驗操作的難度和風(fēng)險。

如圖3所示，109起實驗室事故危險因素發(fā)生比例從高到低依次為危險化學(xué)品事故（615%）、設(shè)備事故（2483%）、線路安全事故（72%）、生物安全事故（485%）和其他事故（162%）。其中，設(shè)備事故可能與實驗室內(nèi)的電氣設(shè)備操作不當(dāng)、電線老化和維護不當(dāng)有關(guān)。而供配電實驗涉及高壓電源和高功率設(shè)備，操作不當(dāng)可能導(dǎo)致電擊、短路等安全事故，會給師生、學(xué)校和社會帶來負面影響。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中教師在講解教學(xué)過程無法顧及每個學(xué)生，且學(xué)生的實驗安全意識較低、好奇心較重，容易發(fā)生意外事故。給學(xué)生的身體安全和心理健康帶來了一定的風(fēng)險，影響了學(xué)習(xí)效果的提升。

3VR技術(shù)在供配電實驗中的應(yīng)用

供配電系統(tǒng)中存在一些危險操作，例如高壓設(shè)備操作、接地操作等。這些操作如果不規(guī)范執(zhí)行，可能會導(dǎo)致事故發(fā)生［6］。傳統(tǒng)實驗中，學(xué)生需要面對這些風(fēng)險進行實際操作，容易發(fā)生意外事故。而VR技術(shù)可以提供更加安全的實驗環(huán)境，通過VR技術(shù)學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進行實驗，避免了實際操作中可能出現(xiàn)的安全問題，保障了學(xué)生的人身安全［7］。

31虛擬實驗室的建設(shè)

傳統(tǒng)的供配電實驗通常需要大量的實驗設(shè)備和場地，而VR技術(shù)可以通過模擬實驗設(shè)備和場地的方式，將實驗室搬到虛擬環(huán)境中。通過VR技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬實驗室中進行實驗操作，不僅可以節(jié)省實驗設(shè)備和場地，還可以提高實驗的靈活性和可重復(fù)性。首先，需要明確虛擬實驗室的建設(shè)目標(biāo)和需求，包括所需實驗設(shè)備、實驗場景、實驗內(nèi)容等。其次，根據(jù)需求進行虛擬環(huán)境的設(shè)計。可以利用三維建模軟件進行場景建模，包括實驗室的布局、實驗設(shè)備的模型等。利用虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺開發(fā)相應(yīng)的實驗?zāi)K，如Unity或UnrealEngine［8］。配置相應(yīng)的硬件設(shè)備，主要包括頭戴式顯示器、手柄、觸摸屏以及計算機和服務(wù)器等設(shè)備。完成虛擬實驗室的開發(fā)后，需進行測試和優(yōu)化，包括功能測試、性能測試等，確保虛擬實驗室的穩(wěn)定性和可用性。根據(jù)測試結(jié)果進行優(yōu)化，提高虛擬實驗室的性能和用戶體驗。最后，在完成測試和優(yōu)化后，將虛擬實驗室部署到相應(yīng)的服務(wù)器或云平臺上，供用戶訪問和使用。同時，需要進行定期的維護和更新，確保虛擬實驗室的正常運行。

32實時交互

根據(jù)實驗需求，在虛擬場景中添加適合的交互元素，如按鈕、開關(guān)、手柄等、觸控屏等設(shè)備，實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的實時交互。再進行交互邏輯編程，編寫交互邏輯的代碼，實現(xiàn)用戶的操作能夠?qū)崟r影響虛擬環(huán)境中的元素和場景。將開發(fā)好的VR應(yīng)用程序加載到電腦和VR頭顯中，啟動應(yīng)用程序。學(xué)生戴上VR頭顯，使用手柄或其他跟蹤設(shè)備進行操作，以便實時將學(xué)生的操作反饋到虛擬環(huán)境中［9］。在觸摸屏幕實時查看實驗數(shù)據(jù)，與虛擬環(huán)境中的交互元素進行實時交互，幫助學(xué)生更好地理解實驗原理和操作技巧。

33調(diào)試和改進

在場景完成后，進行測試和調(diào)試，確保場景的穩(wěn)定性和可行性。檢查交互元素是否正常工作、模型是否呈現(xiàn)準(zhǔn)確以及場景是否符合實驗要求。在一切準(zhǔn)備就緒后，使進行實驗學(xué)會進入VR模擬器，進行實驗運行。記錄數(shù)據(jù)、觀察結(jié)果，并根據(jù)需要進行調(diào)整和改進。測試后收集學(xué)生的反饋意見，了解學(xué)生對實時交互的體驗和需求。根據(jù)學(xué)生反饋和實驗室需求，對實時交互的設(shè)計進行優(yōu)化和改進，提升用戶體驗和操作效率。且在進行VR實驗室實時交互時，確保學(xué)生的安全和舒適感，避免長時間使用VR設(shè)備導(dǎo)致眩暈或不適［10］。另外，及時維護和更新硬件和軟件，以保證實時交互的穩(wěn)定性和流暢性［11］。

4學(xué)習(xí)效果評估與教學(xué)質(zhì)量提升

本文進行了一組實驗，分別采用傳統(tǒng)實驗教學(xué)和VR實驗教學(xué)2種方式進行［12］。再通過對學(xué)生填寫調(diào)查表的方式對比傳統(tǒng)實驗教學(xué)和VR實驗教學(xué)的學(xué)習(xí)效果，評估VR技術(shù)在供配電實驗中的應(yīng)用效果［13］。對2022級大一第二學(xué)期的工廠供配電的“高低壓開關(guān)柜的故障分析”實驗教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)的74名學(xué)生，與2021級大二第一學(xué)期接受傳統(tǒng)教學(xué)方法的133名學(xué)生進行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

通過實驗和調(diào)查比較發(fā)現(xiàn)，在工廠供配電實驗課程中應(yīng)用VR技術(shù)的教學(xué)效果顯著，能夠有效提升學(xué)生的實踐能力、理論知識的掌握，并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。具體來看，應(yīng)用VR技術(shù)教學(xué)模式后，學(xué)生的平均分數(shù)明顯提高，理論成績和實訓(xùn)成績分別提高了88分和146分。這進一步印證了VR技術(shù)在提升學(xué)生成績方面的有效性。另外，應(yīng)用VR技術(shù)教學(xué)模式后，學(xué)生對工作原理的理解程度提高了123%，這說明VR技術(shù)在提升學(xué)生理論知識掌握方面的有效性。同時，通過運用VR技術(shù)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，教師與學(xué)生的互動關(guān)系得到了改善，從而提高了學(xué)生的滿意度。學(xué)生對課程的滿意度提高了229%，對學(xué)習(xí)內(nèi)容的滿意度提高了152%。這些數(shù)據(jù)和舉例都表明了在工廠供配電教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)的教學(xué)效果顯著。

5結(jié)語

本文研究了VR技術(shù)在供配電實驗教學(xué)中的應(yīng)用，通過虛擬的實驗環(huán)境、安全的實驗平臺和靈活的教學(xué)手段，為實驗教學(xué)帶來了全新的體驗和改進，提升了實驗教學(xué)的互動性和趣味性，提高了學(xué)生的實踐能力和理論知識的掌握。對比傳統(tǒng)實驗教學(xué)和VR實驗教學(xué)的差異，探討了VR技術(shù)在提高學(xué)生實踐能力和教學(xué)效果方面的優(yōu)勢。評估結(jié)果顯示，VR技術(shù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量均有顯著提升。通過實驗結(jié)果的分析，證明了VR技術(shù)在供配電實驗教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價值，具備廣闊的發(fā)展前景，在未來的教育領(lǐng)域中，VR技術(shù)將會成為一種重要而又不可或缺的教育工具，為培養(yǎng)高素質(zhì)的電氣工程技術(shù)人才做出更大的貢獻。

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（編輯沈強）