基于虚实结合的电工技术仿真教学资源平台应用研究

阎 伟，洪晓芳，吴 波

（山东劳动职业技术学院，山东 济南250300）

山东省在全国率先以省为单位建立起支持职业教育改革发展的政策体系，走在全国前列。进入新时代，山东被确立为国家新旧动能转换综合试验区和自由贸易试验区，对职业教育改革发展提出新的更高要求。2020年1月《教育部 山东省人民政府关于整省推进提质培优建设职业教育创新发展高地的意见》（简称《意见》）印发。《意见》提出，每个设区的市至少建设一个共享性的大型智能（仿真）实习实训基地，支持5个左右城市、30所左右高职院校、1000家左右企业积极参与产教融合试点。结合我省和我校实际，结合自动化专业的通用性、交叉性、复合性需求，进行了本次应用研究，可有效解决传统实训场地数量不够、建设成本过高、共享性差等问题。

1.研究的目的

1.1 虚拟仿真技术的应用

职业院校实践教学是培养学生技能的重要环节，实验教学是学生在校学习认知验证的重要手段。在课程实验时，存在一些相对危险的操作环节，我们考虑先通过虚拟仿真系统来传递信息，学生先通过上机学习和模拟实验，熟悉操作工序和操作规范后，再完成具体的实践操作，这样可以避免因直接参与实验或操作的失误，而产生的危险、损伤人身、损坏仪器或设备的情况发生。

在我国职业教育领域和自动化技术专业教学中，虚拟仿真系统显现其应用价值，不仅能提供必要的信息，还能使情境化教学和学习无处不在。3D模拟仿真系统是虚拟仿真系统的一种呈现方式。

以虚拟现实技术为基础，运用计算机对实景进行模拟和仿真，是一种新型的人-机界面方式，即虚实结合，它可以创设良好的学习环境，提供自由、灵活的教学方式。基于虚实结合的仿真教学是使用仪器、设备、计算机虚拟技术，利用场地、环境的布置，模仿出真实的工作环境、工作程序、动作要求、技术指标，进行模拟操作、生产训练、产品设计和鉴定考核等的综合过程。

1.2 3D场景构建的电工技术仿真教学软件设计构想

1.2.1 丰富的资源：创设电工工艺与技能训练仿真教学资源平台，有多媒体演示课件和自学型交互课件；模拟企业一线的工作场景创设的视频单元，所使用的设备与工艺流程均为企业生产广泛使用的新技术、新工艺。

1.2.2 操作简单：使用资源平台下的仿真教学软件进行学习，就像看产品说明书一样，元器件、操作步骤设有图例，直观易懂。

1.2.3 以3D场景构建的电工技术仿真教学软件设计，选择电工技术领域安装工艺方面典型的工作任务为案例,仿真教学软件包括创设教学情景、教师演示、学生仿真操作和工艺考核四个模块。学生仿真操作模块，学习者需要在规定的时间内完成学习任务。工艺考核模块是针对学习者学习和训练成效的检验及考取证书而设计。

通过系统化构建的虚实结合仿真教学资源平台，充分发挥虚拟实验在实验组织、实施、评价中，灵活度好、重复性强、成本较低的优势，让虚拟仿真实验作为进入实践实习的先导、作为岗位实习的部分替代，提升仿真教学的针对性和学生的学习兴趣，促进学生的实践能力和技能水平得以提高。

2.仿真教学资源平台研究过程

2.1 环境模型搭建

3D模拟仿真技术可以将虚拟环境的矢量模型制作出来，通过灯光、贴图、烘焙等操作，实现场景模型的虚拟可视化，达到真实、生动的视觉效果，并把制作好的虚拟场景模型发布为FBX文件。随后把发布好的FBX模型文件导入到unity3d等引擎系统中，进行功能的开发及实现，最后发布基于PC端或者web端的仿真程序。实现基于客户端或者网页端的虚拟仿真系统。虚拟仿真系统一般具有的功能有漫游、仿真操作、信息交互、信息采集、实训考核、考核评定等功能，适合教学、演示和学习。

实训考核设置选项可为每个任务设置相应的考核内容，例如低压电器柜安装和维修实训中，设置电器柜因电源短路造成前级配电间分柜断路器跳闸保护，以场景化呈现电工作业人员从接到指令、作业过程、收工整理等工作流程和安全规范，对接人物、任务场景的工作和考核标准等，如图1、2所示，这样学生在仿真操作中既学会操作步骤，也培养和提升了职业素养。

图1 配电间场景3D仿真模型

图2 电器柜故障排除仿真模型

2.2 电工技术仿真教学资源平台

2.2.1 模型资源库搭建场景类、设备类、工具类、导线类、材料类等5类资源模型。在模型资源库上可进行设备、工具、工艺和材料3D模型查看，可自由拖动、旋转和缩放模型；可拆解、显示和隐藏设备和零件模型。包括在不同特定场景环境的匹配安装；电工工具选择使用，支持不同工具自动匹配不同的使用场景和使用对象；支持设备、工具、线缆等不同型号的选型使用。

2.2.2 多媒体资源库可提供图片类、视频类、动画类、文本类、课件类资源模型。进入模型资源库可以在线打开或下载资源进行查看，也可按实训模块分类进行筛选。

2.2.3 设备认知可实现设备、工具和工艺材料3D模型展示，可自由拖动、旋转和缩放设备模型。

2.2.4 三维场景漫游浏览，可实现自由改变视角角度、缩放镜头长度距离、漫游速度；支持不同场景的任意切换。

2.2.5 电工技术仿真教学软件包括以下模块：

电工安全常识软件模块是以学习资源嵌入虚拟场景进行认知性学习。

电工技术软件模块主要以学习电工基本技能和实训操作指导为主。

照明电路的安装和维修软件模块是以学习照明灯具和线路的安装和维修为主，学生进入不同的虚拟场景，可从模型资源库中进行器件、工具、材料的选择，以场景交互的方式，在场景中使用相应的工具，将器件、材料安装在对应的位置。

室内照明线路的配线软件模块是以学习照明线路的配线方法为主，学生选择不同的实训场景，选择不同的器件、工具、线缆和辅材完成管线、器件安装、接线以及故障检测。

3.仿真教学资源共享平台的基本功能

资源共享平台分为用户登录、实训环境、教学资源以及实训教学做评价四个部分。用户登录包括用户身份验证、权限管理以及实验环境预约等功能；实验环境系统中学习者根据自身需求，选择不同实训环境开展实训练习；教学资源库中将教学资源收集汇总后，提供给学生丰富的学习内容；实训教学做评价为教师评价学生线上线下学习综合参与度、课堂实训任务完成情况提供依据。仿真教学资源共享平台能够体现教学过程教、学、练、考、评五个方面，是把教学过程系统化的一个平台。

资源平台的“教”是通过教程labs模式实现，可以将电工工艺和技能操作过程一步一步分解，从安装、调试、维护详细展示，并显示对应工序的工艺和规范。学生可以系统化的学习知识，提前增加工作的经验值。

资源平台的“学”是通过pocket实训装置，以移动式的学习模块进行建设，配合学生的移动终端。教师通过后台数据，实时掌握学生的学习动态。

资源平台的“做”是通过虚实结合装置，以3D场景呈现出生动的工程现场，学生可进行情境化安装、拆卸或调试，让学生的模拟训练和操作训练对接未来工厂或企业岗位的操作项目。

资源平台的“考”和“评”是通过仿真软件，让学生安排安装、装配、设计和验证，熟悉和体验未来工厂、企业岗位之间的协作过程，并通过结果验证，完成对未来工作任务的考核和工作质量的评判，提前熟悉和掌握企业生产和产训质量的考评环节。设计了实验报告自动生成功能，教师在实验项目中实现添加实验内容，学生在实验完成后上传记录数据，系统根据实验操作结果与数据，在学生完成提交后，自动评价学生操作结果，得出学生实验成绩，并上传系统，反馈给学生与教师。

采用线上与线下结合的混合教学模式建设的平台，也可实现远程预约练习，同时开展仿真练习，进一步掌握学生整体与个别学情，及时对学生在学习中遇到的瓶颈与问题做出反馈，形成教学过程的良性循环，提升学生学习效果。

4.结语

本次研究通过虚实结合、虚拟仿真形式，替代在高危或极端的环境、不可逆或不可及、高成本、高消耗的操作，可解决“看不见、进不去、难再现”的电工技术实训教学难题。依托多媒体、人机交互、虚拟现实、数据库和网络通信等技术，陆续研究自动化技术虚拟仿真实训系统，提供沉浸式实习实训方案。采用虚实结合的仿真教学资源共享平台，对于不太侧重技能训练的高校教学和社会技能型学员进行培训，具有良好的培训效果。

以共享性的大型智能（仿真）实习实训基地建设为切入点，建立融教学、生产、服务、培训、科研、成果转化于一体的学习型、生产性实训基地，筑牢这个资源共享平台，满足区域经济发展和企业岗位的综合需要。