基于Unity3D的电工技能训练虚拟演示平台制作

刘安平 苑鹏涛 师楠 曲芳 梁志强

摘要： 虚拟现实技术在教育领域的应用，是现代教育技术发展的一个飞跃；在Maya软件建模基础上，通过Unity3D软件构建虚拟世界，制作电工技能训练3D课件，完成虚拟演示平台设计，取得了初步的研究成果。

Abstract： The application of virtual reality technology in education is a leap in the development of modern education technology. On the basis of Maya software modeling， the virtual world was built through Unity3D software， and the 3D courseware of electrical skill training was made， and the design of the virtual demonstration platform was completed， and the preliminary research results were obtained.

关键词： VR技术；Unity3D；电工技能训练；虚拟演示平台

Key words： VR technology；Unity3D；electrical skill training；virtual demonstration platform

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0211-03

1 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术，是计算机仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的交叉集合，是一门富有挑战性的前沿学科和研究领域。

1.1 虚拟现实技术的特点

通过虚拟现实技术，设计者可以构建一个虚拟的三维世界，在这个的虚拟世界里，所有的物体都是可见的，即具有现实性；随着虚拟现实技术的进一步发展，沉浸在虚拟世界里的人，在产生视觉的基础上，还会产生触觉、力觉、味觉等多方面的感知效果，有如身临其境，即具有多感知性；虚拟世界里的多个物体以及参与虚拟世界的若干人，他们之间可以相互影响，即具有交互性。

1.2 Unity3D虚拟现实软件

Unity3D是由Unity Technologies开发的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。其编辑器运行在Windows和Mac OS X系统下，玩家可以轻松创建三维视频游戏、可视化建筑、三维实时动画等内容，并发布至Windows、Mac或Android等多个平台；也可以利用Unity web player插件发布网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览。

Unity3D软件，既能开发娱乐型游戏，使游戏玩家获得娱乐和放松为目的，例如《镜之边缘》、《神庙逃亡2》等；也能开发严肃型游戏，以用户获得虚拟体验以及虚拟教育为目的，例如应用于军事国防、医疗模拟、教育培训以及城市漫游等方面的交互型应用程序。

2 虚拟现实技术在教育领域的应用

①虚拟实验室。虚拟实验室是指依托于Web和VR虚拟技术搭建的现代化的实验场所。与传统实验过程不同的是，该实验室为学生搭建的实验平台、素材和器材等均为虚拟的。教师不再需要为学生提供实验的实体器材、素材以及场所等，可利用虚拟数据库中的器材库和素材库等为学生搭建实验平台，学生直接进入该平台即可进行实验[1]。

②虚拟现实场景再现。通过虚拟现实技术，教师可以把知识内容形成三维立体图片或动画，将平面或抽象的理论知识和实践操作变成多角度可视的立体图片或者形象生动的动画演示。比如文科历史课本中的人物形象、历史景观，理工科数控机床的车、钻、銑、刨、磨，等等，都可以采用虚拟现实技术进行虚拟演示。

③虚拟现实技能训练。在虚拟世界中，为学生提供在现实世界技能训练时能用到的所有工具、仪器仪表和加工对象，并能用语句实现交互控制，学生就可以进行虚拟训练了。例如医学课堂的手术操作、数控机床的机械加工、汽车维修课程的拆装实践，等等，都可以利用虚拟现实技术实现虚拟技能训练，在熟练掌握一定的操作技能后，再进行实际操作，进而达到预期的实践效果。

3 电工技能训练虚拟演示平台制作

电工技能训练课程是面向我校大文科类专业学生开设的一门电气工程实践课，主要内容是照明电路的安装及故障检修。在电工技能训练虚拟演示平台（3D课件）制作过程中，将电工技能训练用到的电器元件和导线采用Maya2016软件进行3D建模，并导入到由Unity3D Pro（5.6.4f1个人版）软件构建的虚拟世界中[2]。

电工技能训练虚拟演示平台（3D课件）的主菜单界面见图1，这是Unity3D软件自带的图形与用户界面（GUI）窗口[3]。利用Unity3D技术，将每个电工技能训练项目设计成一个游戏场景，每个游戏场景有3个实践环节，分别是线管穿线、灯具连接和电路检测。点击训练项目按钮，进入对应训练项目的游戏场景，可以演示电工技能训练的全部操作过程。下面以第一个训练项目“一控一灯电路”（即一个开关控制一盏灯电路）为例，加以阐述。

3.1 元器件认识

3.1.1 元器件建模

电工技能训练虚拟演示平台，由配电箱、桌面、带有6个接线盒的网板组成，是利用Maya2016参照电工技能训练实践台，按1∶1比例建模而成；演示平台上的元器件，包括单相电度表、断路器、灯座、灯泡、灯开关，也是由Maya2016完成建模。

3.1.2 使元器件在场景中移动和旋转

学生在进行电工技能训练时，对灯开关和灯泡都不陌生，但对于哪个接线柱对应单刀双掷灯开关的动触点，断路器应该如何接线，不是很容易弄清。可以将在电工技能训练中用到的元器件，利用Maya2016建模，导出为FBX文件，再导入到Unity3D场景中，通过脚本语言来控制元器件在场景中移动和旋转，实现学生对元器件的认识。

3.2 计量配线

这里的计量配线，指的就是单相电度表的进线（来自配电箱）和引出线（连接断路器）；按国标要求，火线1进2出，零线3进4出。学生在进行电工技能训练时，首先要进行计量配线，然后再依次进行各个训练项目的实践操作。计量配线的3D模型导入到Unity3D的场景中，通过脚本语言控制摄像机在场景中移动和旋转，为学生演示这一实践操作环节。关于计量配线的实践操作演示，只在第一个训练项目进行，后面的训练项目，这一环节不再重复演示。

3.3 线管穿线

电工技能训练演示平台桌面的网板上有6个接线盒，接线盒之间，是用线管相通的。线管穿线，就是将导线按器件布置图，将断路器、灯开关和灯座之间的连线，通过线管，从接线盒内穿引出来；导线模型也是由Maya2016建模并导入到Unity3D场景中的。通过摄像机场景漫游，学生可以看到线管穿线是如何实现的：火线去灯开关，零线去灯座，控制火线就是由灯开关去灯座的导线。若是电路中某个接线盒的位置需要接插座，火线、零线和地线都要从这个接线盒中引出来。

3.4 灯具连接

3.4.1 导线连接建模

灯具连接的导线建模，是在线管穿线建模的基础上完成的。导线是和用电器件的接线柱相连的，不同的接线柱，导线的封端是不同的。对于针孔式接线柱，导线线头部分要剥离绝缘层，若导线过细，导线线头要对折；对于螺钉平压式接线柱，导线的线头在剥离绝缘层的基础上，要做成接线圈（俗称羊眼圈）。另外，导线绝缘层的剥离长度不能过长（不同导线相接触，可能引起短路），也不能过短（导线绝缘层压在接线柱上，引起断路）。这些要求，都要在导线建模的时候体现出来。

3.4.2 场景漫游

灯具连接这一实践环节完成后，照明电路的连接也就完成了。通过脚本语言控制，使摄像机在场景中漫游，向学生展示电路连接的各个部分。通过3D课件展示，让学生理解并看清楚，灯开关的动触点接线柱是哪一个以及如何接线；灯座的两个接线柱哪一个应该接零线，哪一个应该接控制火线，等等。

3.5 电路检测

照明电路连接完成之后，要用万用表进行电路检测，排除短路或断路故障，然后再送电试灯。短路故障，就是火线和零线，没有经过用电器，直接通过导线和灯开关形成了回路，送电后会跳闸或烧断熔断器；断路故障，就是拨动灯开关，火线、零线和用电器没有形成回路，即处于开路状态，送电后，灯泡不亮。在3D课件制作时，主要采用脚本语言和按钮，实现交互控制。

3.5.1 万用表建模

根据设计要求，万用表电路检测建模，主要是对应三种检测状态：短路状态（校表）万用表显示屏读数是“0”；断路状态（灯开关断开）万用表读数是“1”；工作状态（灯开关闭合）万用表读数是灯泡电阻。

3.5.2 电路检测

这一环节向学生演示的是，停电检测电路的过程。点击“校表”按钮，万用表的红黑表笔短接在一起，万用表的示数是“0”。点击“电路检测”按钮，万用表红黑表笔分别接触断路器下端的两个接线柱，然后点击按钮“拨动灯开关”：当灯开关上端按下时，万用表的示数是“1”；当灯开关下端按下时，万用表的示数68.5欧，即灯泡的电阻值。

3.5.3 送电试灯

此环节向学生演示的是，送电检测电路的过程。点击按钮“闭合电源开关”，配电箱上的三相电源开关闭合，三个电源指示灯发光。点击按钮“闭合负载开关”，实践台桌面网板上的断路器闭合，然后点击按钮“拨动灯开关”：当灯开关上端按下时，灯泡不发光；当灯开关下端按下时，灯泡发光。

4 电工技能训练虚拟演示平台特点

4.1 课件形象生动，提高学生学习兴趣

3D课件，将平面图片和语言说教变成了立体生动的景观和动画，是一种形象直观的信息传递方式。学生通过亲临其境的交互行为，在一定程度上提高了學习的兴趣[4]。虚拟现实技术，促进了教育手段方式的变化，同样也提供了丰富的听觉材料，营造了一种自主学习的环境氛围。3D课件可以在多媒体投影仪上播放，也可以在平板电脑、手机上播放；学生可以通过自学，掌握实践操作步骤和技能，进而指导自己的实践操作。

4.2 演示全方位，避免学生盲目实践

在虚拟世界里，为学生提供全方位的实践操作演示，便于学生更好地掌握实践技能，避免了学生盲目实践。虚拟演示教育，和教师在实践台上进行真实的演示教育相比，同样具有现实性、多感知性、交互性、开放性和可重复性；同时，虚拟演示教育，没有操作风险，没有设备、材料损耗，还可以让更多学生同时观摩，演示效果更理想[5]。

5 结语

电气工程训练室的数字化建设，是黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心发展的需要。作为电气工程训练室数字化建设的重要组成部分，电工技能训练虚拟演示平台（3D课件）投入使用以来，极大地提高了学生的主动学习兴趣，实践效果很好。由于经费和我们掌握虚拟现实技术水平的限制，我们制作的3D课件还有许多不尽人意的地方（比如互动环节较少），我们会在不断学习的基础上，加以更新和完善。

参考文献：

[1]李勇.虚拟现实技术在高校课堂教学中的应用[J].中国新通信，2017（7）：134-135.

[2]曾新，宋宁，夏谦.基于Unity3D的跨平台数控机床装调虚拟仿真训练系统开发[J].科技风，2017（10）：7，11.

[3]常金光，顾若阳，孟丽丽，等.基于Unity3D的机械设计基础虚拟实验平台设计[J].机械工程师，2017（2）：95-97.

[4]林梅彬.虚拟现实技术在汽车拆装实训中的应用[J].教育教学论坛，2017（8）：241-242.

[5]陈建军，辜永红，韩庆文，等.基于虚拟仪器的实践教学平台建设[J].教育教学论坛，2017（21）：180-181.