基于游戏闯关式自动化技术3D仿真教学软件的设计研究

阎伟 周照君 张红午

摘要：以3D场景构建的游戏闯关式自动化技术仿真教学软件设计，选择技术领域典型实践项目设计为一个大的游戏关卡，按照任务点设计出若干个子任务-小的关卡。学习者在规定的时间内完成知识点和技能点的学习，取得相应的“闯关积分”，闯关晋级后取得对应课程线上阶段的学习成绩。仿真教学软件的研究目的是充分发挥虚拟实验在组织、实施、评价中灵活度好、重复性强、成本较低的优势，调动学生的学习兴趣，促进其实践能力进一步提升。

关键词：游戏闯关;虚实结合;自动化技术;仿真教学软件

1 研究目的

1.1 我国职业教育和实践教学现状分析

当前，我国职业教育行业的发展规模已居全球首位。2019年全国中等职业学校有1.01万所，在校生1576.47万人;全国高职（专科）院校1423所，在校生人数达到1249.7万。职业院校的实训基地建设通常是以人才培养目标、学科知识体系、专业建设为纲领，以学生和社会人才技能培训和提升为宗旨。实践教学是职业院校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。

传统的教學中，一般是教师先进行授课，学生再通过实验进行操作。专业课教学实验中，存在着一些相对危险、抽象的实验和操作环节，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、操作的失误，而产生危险、损伤人身、损坏仪器或设备的情况发生。

1.2 国内外虚拟仿真实验系统在自动化专业应用状况

国内外开发和经营虚拟仿真教学软件的公司不计其数，适合高校使用的较多，但适合职业院校使用的却很少，尤其是电气自动化技术方面的比较少。

（1）3D模拟仿真系统是虚拟仿真系统的一种呈现方式。国外对于3D模拟仿真平台的研究，主要集中在用户感知、虚拟场景界面和场景支撑。与发达国家相比，我国在这方面的研究还存在一些差距。

（2）虚拟现实技术主要分为虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）三类。VR是模拟的虚拟世界，AR是一种“虚实结合”的技术，它在真实环境上叠加虚拟世界，MR融合虚拟现实的沉浸感和增强现实的实用性特征，无缝对接虚拟与真实世界。

（3）数字孪生（数字双胞胎）也可以被称为“数字镜像”“数字双胞胎”，比如一个工厂的厂房和生产线，在没有建造之前，可先完成数字化模型。在虚拟的空间中，对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设，二者继续进行信息交互。

以上都属于虚拟仿真系统，目前在我国职业教育领域和智能制造、自动化技术等专业教学中显现其应用价值，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。

2 研究内容

虚实结合理念是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，正逐步应用在教育领域。它可以创设良好的学习环境，提供自由、灵活的教学方式。基于虚实结合的实验教学是指使用仪器、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、动作要求、工作程序、技术指标，进行模拟生产、教学训练、工业设计和鉴定考核等的综合过程。

自动化技术仿真教学软件把“学生为主体、技能培养为核心”作为设计理念，坚持“虚实结合、能实不虚”的基本原则，根据地域、学校、学科、专业分布和学校的持续发展、教学改革需求、经费等进行整体规划，构建具有高度真实感、直观性和精确性的职业教育3D游戏互动平台，实现虚实结合的仿真教学系统与企业生产-自动化技术培训的有机结合。

以3D场景构建的自动化技术仿真教学软件设计，选择技术领域安装工艺方面典型实践项目设计为一个大的游戏关卡，在这个大的游戏关卡内，按照任务点设计出若干个实训子任务-小关卡。学习者需要在规定的时间内完成相关知识和模拟实训的学习，取得相应的“闯关积分”，实现过关晋级后，进而取得对应课程线上阶段的学习成绩。仿真教学软件可以创设教学情景、教师演示、学生仿真操作和工艺考核四个模块。仿真操作模块采用“游戏闯关”进行设计，学习者取得相应的“闯关积分”实现过关晋级。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职业资格证书而设计。

通过系统化构建的虚实结合仿真教学软件，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。

3 研究过程

3.1 电气自动化3D仿真教学软件

（1）模型资源库包含Labs的模型资源库的查看功能，Creator的模型资源库还包括模型资源管理功能。用户可新建、编辑或删除模型的参数、图片等数据。

（2）多媒体资源库包含Labs的多媒体资源库的查看功能，Creator的多媒体资源库还包括多媒体资源管理功能。用户可上传、编辑或删除多媒体资源。例如教师可根据教学需求，上传教学资源。

（3）功能包括场景开发，根据教学需求，重新开发编辑实训场景，并保存到平台。可设置设备损坏故障，线路短路、断路、程序点位错位等故障，由学生使用相应的工具去排除故障。考核设置可为每个任务设置相应的考核内容。设计软件融入学生职业素养的培养元素，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，对接人物、任务场景的工作和考核内容。

3.2 电工技术仿真教学资源平台

（1）模型资源库搭建了场景类、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工具、器材和工艺3D模型查看，可自由拖动、旋转和缩放模型;支持设备、工具、线缆等不同型号的选型使用。

（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查看。

（3）功能包括设备认知，可实现设备、工具和工艺材料3D模型展示;可拆解、显示和隐藏设备零件模型和模型标签。

（4）三维场景漫游浏览，可实现自由改变视角角度，不同场景的任意切换。包括不同常见设备在不同特定场景环境的匹配安装，场景提供工具选择使用，支持不同工具自动匹配不同的使用场景和使用对象。故障调试支持设备、线路单点调试，支持常用虚拟仪器仪表的场景检测使用。

（5）电工安全常识软件模块主要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为主。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，学生选择不同的實训场景，选择不同的设备、工具、线缆和辅料完成操作工艺、管线敷设工艺、设备安装接线及故障处理。

4 仿真教学软件的特点

基于我国职业教育和职业院校的特点，此次设计的仿真教学软件资源共享平台能够体现教学过程各个方面，是把教学过程系统化的一个平台。建设资源共享平台的实施，分为教、学、练、考、评五个环节。

教--资源平台可以将电气工程或电工作业场景一步步分解，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。

学——资源平台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。

练——资源平台以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、调试或编程，模拟训练和操作训练可对接未来工厂或企业岗位的操作项目。

考和评——资源平台可以让学生分组安排设计、安装、装配和验证，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。

以3D场景构建的自动化技术仿真教学软件设计，以任务为主线，长期优化、提炼有效于教学过程的实训任务，融合游戏设计的核心元素，将经验、角色、关卡、等级等融入任务实施中，使仿真教学的过程不失严肃性，又增加了趣味性，不断激发学生的学习兴趣。

5 结论

采用虚实结合的实践教学体系和仿真教学软件，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，可增强培训效果，为社会技术服务方面提供高效、优质、便捷的条件。

将虚实结合的自动化技术3D仿真教学软件应用于教学，能解决教师用语言表述抽象的操作工艺、教师操作演示局限性等弊端。使用计算机直观地、近距离地呈现给学生，通过情景融入、游戏闯关等环节的设计，引导学生的兴趣、提高其主动参与学习的积极性。按照“互联网+职业教育”发展需求，运用现代信息技术改进教学方法，推进虚实结合的仿真教学系统资源平台建设和应用研究，不断提升新时代职业教育现代化水平。

参考文献：

[1] 陈璐.高职院校实践教学管理系统的设计与开发[D].成都：电子科技大学，2013.

[2] 张玲，李丽，王春华，等.基于课程体系的实验平台综合实训的改革探讨[J].中国继续医学教育，2019，11（36）：3-6.

[3] 张金磊，张宝辉.游戏化学习理念在翻转课堂教学中的应用研究[J].远程教育杂志，2013，31（1）：73-78.

[4] 赵威扬，钟掖，余萱，等.基于实训环境建设信息技术专业人员实训平台项目设计[J].现代信息科技，2019，3（22）：150-152，155.

【通联编辑：代影】