基于电工实训设备的虚拟操作仿真教学平台的构建

刘林，郗忠梅，施国英，张观山

（山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安）

一 引言

目前，随着国家对实验教学投入不断增加，新建实验室、采购设备、更新教学资源等措施使得实验教学中心面貌焕然一新，实验教学条件得到了进一步改善。随着近些年的扩招致使学生基数加大[1]，同时大学里转专业的火爆[2]，促使某些热门专业如电气专业学生人数逐年攀升，再加上人才培养方案随之改变，例如将很多先前课内实验转为独立设课实验，使得学生的实验课时数成倍增加。上述情况致使实验教学中心现阶段乃至很长的一段时间内还难以保证每位学生同时使用一台/套设备开展实验，现阶段的小班化实验教学，最大限度也只够保证2～3 人同时使用一台/套设备平台开展实验，原有的实验教学模式将难以满足日益增加的实验人时数的需求。虚拟仿真教学平台虽然能够突破时间和空间的限制，但不可否认其不能取代某些实验室真实实验的效果，而虚拟仿真教学平台作为真实实验的辅助手段将起到事半功倍的效果。基于此，构建一种虚拟仿真教学平台，用于学生在实验课前配合指导书快速熟悉实验教学设备和操作规程，对于学生进入实验室后快速转变角色并按照操作规程完成实验具有重要意义。

目前市面上相关虚拟仿真教学平台琳琅满目，例如电力电子教学虚拟仿真实验平台[3]、供配电与照明仿真教学实验平台[4]、发电虚拟仿真教学平台[5-8]、强电类课程虚拟仿真实践教学平台[9]、电气工程虚拟仿真实验教学平台[10-11]等，它们绝大多数基于matlab、multisum 等软件，实现了课堂理论教学的虚拟仿真。然而，大多数平台与实验室现有的教学设备不匹配。虽然可以直接引入实验教学，但是这种直接引入现有虚拟仿真教学平台的模式用于新建实验室是不错的选择。但很多高校经过多年发展，相关实验室及配套教学设备资源已初具规模，重建实验室不现实。因此，直接引入现有的虚拟仿真教学平台将难以与实验室现有的教学设备资源相匹配，进而无法做到有效衔接，造成教学资源的浪费。

经过文献检索发现，姜德晶[12]建设了电工电子虚拟仿真实验教学平台，并将虚拟仿真实验引入课前预习。学生首先通过观看网络视频资源，然后应用虚拟实验平台，最后进行真实实验室实验，这种实验教学模式拓宽了实验教学的空间和时间，取得了良好的效果。然而，如何将虚拟实验平台与真实实验台具体衔接匹配鲜有相关论述，尤其对于强电真实实验教学设备平台中具有严格要求的安全性问题，如何在虚拟实验平台中得到有效体现显得尤为重要。为此，基于上述问题，结合强电实验室及设备自身特点，构建基于电工实训设备的虚拟操作仿真教学平台势在必行。

二 强电实验室及电工实训设备特点

相比于电子、通讯类等实验室，强电实验室及电工实训设备具有电压等级高、危险系数高、对操作人员要求高等特点，相关操作具有严格操作规程。同时，在实际生产中，从事相关专业人员必须经过全面系统培训后持证上岗，非专业人员严禁相关操作。为此，在学生刚刚接触到相关实验前，应规范操作流程、建立安全意识、严格遵守操作规程，对学生今后从事相关专业并逐步养成安全习惯具有重要意义。因而，本虚拟操作仿真教学平台，在设计之初将学生对实验过程的整体把握和进入实验室后开展相关实验的操作规程放到首要位置，有利于学生今后走上工作岗位后，在新环境下面对相关实验，减少出现不会操作和误操作的危险情况。

三 虚拟操作仿真教学平台结构

基于电工实训设备的虚拟操作仿真教学平台主要由实验室及实训设备简介模块、电源安全操作模块和实验操作规程模块构成。其中实验室及实训设备简介模块用于介绍实验室与实训设备的相关情况，使学生经过课堂理论教学和对本课程知识体系有了较为清晰的认识后，在进入实验室前对实验室及设备有一个初步了解，当进入实验室后能够快速熟悉和适应实验室；电源安全操作模块用于向学生重点介绍在今后实验过程中涉及到的电源操作环节，切实提高电源操作在整个实验过程中的核心地位，让学生重视电源操作，明确直流电源、交流电源操作过程中经常出现的误操作。笔者从多年实验教学中发现，绝大多数情况下学生做不出实验结果或烧毁实验设备，90%以上的原因是电源操作不当；实验操作规程模块主要是对实验课程中开设的实验在实训设备上按照具体操作规程进行强化训练，包括实验操作预览、设备模拟操作、常见错误操作和操作过程考核。其中实验操作预览能够快速熟悉实验步骤以及其中的具体操作注意事项，设备模拟操作是用于学生在设备上模拟本次实验的具体操作，常见错误操作是将近年来学生经常出现的错误操作融入到虚拟仿真教学平台用于展示本实验中经常出现的不当操作及误操作，操作过程考核用于检验学生是否掌握本实验操作规程。

四 虚拟操作仿真教学平台实现

为了能够最大限度模拟实验室现场真实操作，利用Solidworks、3ds Max 和Unit 3D 等作为开发工具，按比例构建实验室及实训设备平台三维模型，并进行虚拟仿真交互设计，开发基于电工实训设备的虚拟操作仿真教学平台，使平台能够真实还原实验室场景。学生在虚拟平台上完全能够模拟真实实验操作全过程，进入实验室后，在授课老师或实验老师的指导下能够快速转变角色并按照操作规程完成本次实验。首先，使用Solidworks 对实验室、试验台及挂件等进行三维建模；然后，将模型导入3d Max 中，对模型进行编辑、贴图等工作，并导出为.fbx 格式文件；再次，将文件导入Unity 3D 软件平台，完成交互式虚拟操作程序设计；最后，生成可应用程序。

图1 虚拟操作仿真教学平台结构示意图

五 虚拟仿真教学平台操作步骤

为了保证学生能够严格按照操作规程完成实验，本平台中涉及的每个模块之间相互关联，缺一不可。操作过程依次进行，保证学生能够结合实验指导书、全面高效地完成实验预习。具体操作如下：

（一） 实验室及实训设备简介模块

进入本模块，了解本实验课程对应实验室基本情况，包括实验室安全标识（禁止吸烟、请节约水电、人走断水断电、实验室安全信息牌等）、安全卫生制度、学生安全守则和实训设备整体介绍（包括试验平台的组成以及各部分功能特点）等，通过本模块使学生对实验室及实训设备形成一个比较宏观的认识，只有完成本模块学习才能进入下一模块学习。

（二） 电源安全操作模块

完成实验室及实训设备简介模块后，进入本模块。本模块以电源安全操作为主线展开，使学生在进入实验室后，面对陌生的实训设备，能够从容开展实验，减少或避免发生电源误操作。首先，对实训设备起动与停止操作，主要对实验设备进行正常供电与断电操作，并能模拟在由于误操作发生设备故障或声信号报警时快速关断设备电源。经过多年实验教学发现，虽然设备具有安全保护功能，但仍避免不了由于误操作引发的设备故障或声信号报警。为此，模拟本操作十分必要，既能使学生在设备发生故障时及时切断电源，避免事态扩大，又能节约实验课上时间，提高实验效率；然后，对交流电源与直流电源操作，由于将近年来学生经常出现的电源操作问题融入到平台中，学生可自行查阅相关误操作及其影响，避免自己进入实验室真实实验过程中再犯相同错误。最后，对设备挂件操作，本单元主要是对本课程实验用到的设备挂件模拟接线、上电、调节、数据测量等操作，在涉及交流与直流电源操作时对经常出现的错误操作做出重点警示。

（三） 实验操作规程模块

完成电源安全操作模块后，对设备电源及挂件安全操作方面有了更为深刻的认识，当实验室真实实验出现误操作时能够做到从容镇定，减少或避免出现慌乱不安的局面。在完成上述两模块之后，才能进入实验操作规程模块，本模块针对每个具体实验都设置了安全操作规程。首先，预览本次实验操作全过程，熟悉相关操作规程和注意事项；然后，在虚拟平台上按照相关操作规程开展本次实验，强化实验操作规程；再次，自行查看本次实验常见错误操作及影响，进一步强化实验操作规程；最后，在熟练掌握操作规程后进行操作过程考核，只有考核合格后，才能进入实验室开展相关真实实验。

六 平台应用

上述基于电工实训设备的虚拟操作仿真教学平台已经应用于电机与拖动课程实践教学环节，相比于前几届学生，本届学生实验课上操作设备的效率明显提高，保证组内每位同学都能够在实验室真实场景下完成一次设备操作，同时设备故障率明显降低。除此之外，相比于单一通过指导书课前预习实验的方式，学生实验兴趣得到明显提高。这主要是因为以往学生在通过指导书预习时，将大量时间花费在抄写指导书上，很少有时间和精力用于思考，缺少对实验过程的整体把握。进入实验室后，虽然有授课老师或实验老师开展相关指导，但面对陌生的机器，在课上有限时间内，学生在很多操作方面都无从下手。应用基于电工实训设备的虚拟操作仿真教学平台之后，上述问题迎刃而解，老师教学和学生学习质量得到同步提升，课程实践教学效果显著。

七 结语

本文构建了基于电工实训设备的虚拟操作仿真教学平台，能够引导学生在实验课前配合指导书快速熟悉实验教学设备和操作规程。平台的应用，激发了学生实验兴趣，进一步提高了实验课堂教学效果。实践表明，该虚拟操作仿真教学平台能够满足实验教学的需求，为其他高校开展相关实验教学提供参考。