基于VR技术的实践课程案例开发研究—以“供配电技术”课程为例

张科强 池雄飞 石艳玲

摘 要：针对高职高专理工科实践教学存在的问题，文章提出一种基于虚拟现实技术的实践课程案例开发方法。利用3ds Max软件建立三维模型、动画制作，模型优化等完成三维场景的开发。文章通过虚拟现实开发平台UE4、Unity3D完成人机交互和实践操作。实践教学结果表明：本实践课程案例，使学生沉浸在实操的“真实的场景”中，提高了实操的互动性、学习积极性，同时节约实训设备购置费用和解决了场地问题。

关键词：实践课程案例;三维模型;虚拟现实技术;

0 引言

近几年，高职院校实践教学整体水平有较大的提高，但对工程实践性很强的课程如机械装配技术、供配电技术等，这些实践课程占地广、购置设备费用高，对学生人身安全要求高等条件的限制，极大地减少了学生现场实践的次数，实践效果大打折扣。而VR虚拟现实教学的出现很好地解决这一难题，VR教学基于虚拟现实技术，佩戴虚拟设备，使学生沉浸在高度仿真的“真实的场景”中完成实践操作，提高学生实操的“身临其境”感，有效降低学习难度，且不会发生人身安全事故，同时解决了因设备购置费用高、占地面积大而无法购置设备导致实训课程无法开展的难题[1]。

1案例开发过程

1.1  案例的职业岗位工作流程研究

案例的开发为实践教学服务，而实践教学主要是培养学生的操作技能，为学生将来就业提供一定的工作能力，而这种能力的培养，要求实践教学的内容符合职业岗位的要求。所以案例开发之前必须到企业了解“供配电技术”课程的对应职业岗位工作流程，如中小型工厂10 kV高压配电所手车式高压开关柜操作。从企业对实际操作的规范和要求，梳理出实践操作的知识点和流程。比如户内真空断路器如何储能、合闸、分闸，倒闸顺序及在操作过程中注意的安全知识。

1.2  三维建模

实践教学将讲授的知识点附在实训设备上的操作上，而VR教学是将实践知识点在三维模型上体现出来，使知识点实现可视化。图1为手车式高压开关柜，真空断路器如何实现自动分合闸操作，涉及相应的设备，如电流电压互感器、智能保护装置等，三维建模将这些设备的结构零件和实际尺寸按比例，通过三维可视化模型展示出来，最大程度上再现硬件设备。三维建模软件有Pro/E，UG，Maya等，与这些软件相比，3ds Max软件由于其上手容易、渲染效果好等优势，被广泛用在三维建模中。本课题采用3ds Max软件完成建模。图1是设备原图。图2是高压断路器ZN63A设备正面的结构建模。图2将高压断路器的储能弹簧、储能显示标志、合闸和断闸操作按钮、合闸和断闸操作联动机构、合闸和断闸显示标志、手工储能标志、断路器进出手工操作标志等部件建模后，就可以将断路器的主要功能和原理显示出来。

1.2.1  模型贴图

在三维建模中材质和贴图可以模拟出真实材料的质感特性，表现出设备的外观纹理，使模型具有真实材料纹理的视觉效果，常常在模型上通过贴图来表示。比如给家里精美地砖建模，在建模后，由于其图案结构精细复杂，用建模的方式很难展示出来，将地砖表面的花纹用相机拍成图片，用贴图的方式将花纹图片附在模型上，完美精确的表示出地砖模型。真空断路器ZN63A设备如储能弹簧、显示储能标志的部件的表面就用贴图的方式表现出设备表面颜色、纹理、光照等，较好的再显了设备材质、纹理，提高了模型的逼真度，如图2所示。

1.2.2  模型优化

模型优化主要是为减少模型的占用空间，在模型导入虚拟现实引擎Unity3D后能顺利运行。模型优化方法主要有：减少模型面、边，模型贴图。本课题在建模时，对设备的主要部件建模，而对一些小部件或对设备功能原理影响不大的部件忽略或用贴图直接表示。真空断路器ZN63A设备结构如图1所示，真空断路器ZN63A的模型如图2所示，通过对  图1和图2的对比，可以发现，在模型中忽略了一些部件。大大减少模型后期的优化工作。

1.2.3  模型动画制作

在虚拟场景中，设备进行持续的运动，在三维建模中，用模型的动画制作来表示。在虚拟现实引擎Unity3D，UE4中，虽然具有制作动画的功能，但是比3Ds Max中动画制作功能要弱得多，所以动画制作主要在开发模型中完成。图3为手车高压开关柜的真空断路器更换动画。该动画形象直观地展示了检修断路器时，如何更换断路器操作。

2    虚拟现实互动软件开发

利用3Ds Max建模生成虚拟的三维场景，如果学生与场景中的设备进行互动，需要将3Ds Max模型、动画导入虚拟现实引擎软件中完成互动开发。本文用UE4完成案例的虚拟现实场景的互动，互动核心包括设备的拆装互动仿真和手动模拟操作。

2.1  模型的拆装互动仿真

在“供配电技术”教学中，由于其设备结构复杂、价格高、体积庞大不适合多次拆装，学生很难直观了解其结构和工作原理。而VR技术可以较好地解决这个难题。通过虚拟现实引擎和VR眼镜等设备，学生可以“身临其境”感触设备的整体结构和单个部件结构，也可以对设备进行拆解和组装。这样可以使学生详细的掌握设备仪器的结构和工作原理[2-3]。同时，用三维数字模型替代实物，降低实训设备成本。图4为真空断路器ZN63A设备的拆装，将梅花触头、触臂、极柱给拆解开。

2.2  手动模拟操作

在实践教学中，学生能否直接动手操作，决定了学生实践效果。在供配电中，对线路的检查和维修是一项基本技能，通过VR技术虚拟现实引擎Unity3D或UE，学生如同在真实线路面前一样，沉浸在其中，分析线路运行原理，亲自动手模拟演练可能存在的问题，再现实际操作过程，最后根据模拟的结果找出问题所在[4]。这极大的提高學生实际动手操作能力，同时积累了一定的实战经验。

3    结语

本文通过建模、模型贴图、优化、动画制作完成设备的三维可视化的建模。通过模型的拆装互动仿真和手动模拟操作完成人机交互和实践动作操作。该案例有效地提高了“供配电技术”实训课的实操性，降低了学习难度。

[参考文献]

[1]姚玉斌.基于VR技术的机械产品制造过程教学案例开发[D].济南：山东建筑大学，2017.

[2]宋殿义，张炜，龚佑兴，等.基于虚拟现实技术的实践教学初探[J].高教学刊，2020（20）：114-116.

[3]蔡晓薇，郑世豪.基于增强现实技术在变电站维修培训的应用研究[J].科学技术创新，2019（34）：165-166.

[4]李军，锋熊山，刘晓，等.VR和AR技术助力电力仿真培训[J].中国电力教育，2017（2）：22-27.

（编辑 姚 鑫）