电气专业VR虚拟仿真实践平台建设探索

冷雪敏 高阳 许傲然 谷彩连

[摘 要] 随着电力行业的发展，电力企业的就业需要越来越多实践能力强的人才，同时由于电力设备造价高昂，占地面积大，又具备高电压，大电流的危险，拥有电气学科电力系统及其自动化专业的高校很难建立系统完善的电力实践平台，随着VR技术的出现，在虚拟环境中学生可以熟练操作发电、变电、输电、配电等一系列电力系统各个环节的实践实验，可以有效提升学生的动手实践能力，建设以VR技术为基础的电力系统实践平台，将有效提升学生的实践能力，以应对和满足电力企业的需求。

[关键词] VR技术;虚拟仿真;实践平台

[作者简介] 冷雪敏，沈阳工程学院电力学院教师。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0313-03    [收稿日期] 2019-09-03

一、引言

电气专业实践平台建设中，电力系统方向一直由于电力设备的造价高昂，高电压大电流危险的操作环境，高校很难建设系统的电力系统方向的实践平台，因此学生在学习过程当中，实践能力的提升受到制约，也限制了学生在企业就业的能力，随着VR虚拟技术的出现，高效可以在虚拟的环境中建设发电、配电、输电、变电一系列电力系统完整的产业链，让学生在虚拟的环境中实现电力系统设备操作运维，在保证学生安全的条件下，有效地提升学生的实践动手能力。

二、平台教学体系

电气专业VR虚拟实践平台的建设应该具备多媒体，多技术的特点。在实践教学的过程中，首先应该利用平面媒体二维码，手机等学生常见的可操作性的设备，让学生初步地认知相关电力设备的特性。学生通过课前的预习，通过自己手机的学习，可以提前了解电力系统的组成，电力设备的概念、原理、操作规范，为课堂教学提前打好基础。其次在课堂教学中应用大屏LED多媒体技术，虚拟技术，学生在3D环境当中，教师可以在课堂当中讲解设备的原理，并在虚拟环境当中对设备进行拆装分解，将学生在理论课程当中所学的知识和虚拟环境条件相结合，使学生更深刻地理解电力设备的原理。再完成基础设备的学习之后，学生可以利用VR视角下的沉浸式体验教学，由指导教师以共享的视角调节下，带领学生系统地观摩电力系统发电、变电、输电、配电一系列电力系统设备装置的组成，在VR虚拟实验环境沉浸式的学习过程中学生可以规避实际电力系统高危的环境，近距离的观察带电运行，电力设备的状态及运行的效果。在沉浸式教学当中，学生也可以看到电力系统当中实际的电力设备操作的各个环节与过程，为后续的实践动手环节打下基础。最后，学生可以利用PC、VR头盔，操作手柄等相关虚拟实践实验工具，在教师设定好的相关电力系统操作项目中，独立地去根据操作规程完成操作过程，在VR虚拟环境当中，配合软件对学生的操作进行评判与打分，即便在电力系统带电作业当中出现失误也不会对学生造成人身危害，在虚拟环境中学生还可以重复进行实践操作，极大地提升了学生的实践动手能力。

三、平台软件体系

根据教学要求开发建设网站，网站展示的内容包括：实验教学项目相关信息、实验项目介绍视频、实验课件资料、通知公告、实验项目共享情况、实验教学服务团队、网络相关要求、项目架构及研发技术、实验教学项目特色、持续建设及服务计划等。网站提供实验项目展示信息管理功能，管理员可以维护实验项目的展示信息，包括：名称、实验操作步数、实验学时、实验可支持的最大并发数、带宽要求、实验缩略图、实验展示图片、实验简介、项目负责人、联系电话、实验原理和实验要求等信息进行添加。并可上传实验软件、实验课件资料以及实验常见问题。

軟件系统提供网络环境带宽提醒功能。当该实验当前的网络带宽小于该实验所需的最小带宽时，系统会提示用户当前网络带宽不满足实验带宽要求。提供实验时长统计的功能。用户在使用实验的过程中，实验操作台将实时统计实验的操作时长，并在实验结束后进行提醒。提供整体数据统计的功能。整体数据概览：是对该平台用户访问情况、资源的使用和开放共享情况，以及资源的评价情况进行数据的汇总分析。提供实验项目使用统计的功能。通过统计最近7天、最近30天、最近1年实验项目的使用量和浏览量。以及平均使用量和平均浏览量。提供实验项目人群辐射范围的功能。实验项目人群辐射范围通过用户访问的IP所在地来统计该网站在全国各省份的用户数，来监测示范项目管理平台在全国的辐射范围及开放共享情况。通过排名可以展示出哪些省份被开放共享的程度高。提供实验综合使用效果评价的功能。实验综合使用效果评价：通过统计用户在完成各实验后给出的评价情况，包含星级评价和点赞功能，综合展示该平台实验教学项目整体的资源质量以及开放共享的效果。

为方便与学校的教务教学系统对接，平台B/S架构设计，采用J2EE技术开发，支持网页界面操作方式，软件首页支持学生、课程教师、教务管理员、系统管理员使用不同的身份登录软件;不同的身份具有不同的操作权限;提供系统管理功能，包括用户、分组、角色、权限、日志管理等。平台提供虚拟实验教务管理功能，包括：课程库维护、培养计划维护、开课管理等功能。教务管理人员可以根据学校的教学计划和教学大纲进行开课计划、开课审核的查看、增加、删除、修改、发布，同时可查询每学期的开课情况，同时可以设置新课程的适用对象，编辑适用班级、上课的学生数、课时数等。

平台提供虚拟实验教学管理功能，包括虚拟实验资源信息的维护，虚拟实验安排、实验批改、成绩管理、实验报告管理（包含批改、查看、导出）等。教师可以根据实验教学大纲和自身的要求，对系统预加的课程实验进行引用，引用后，教师可对“我的实验库”中实验资源进行查看、修改、删除，同时也可以根据教学要求，从“我的实验库”中选择相应的实验安排给学生，并且可以设置实验的开始时间和截止时间，设置实验成绩比重，包括实验报告成绩比例和实验成绩比例。教师可以根据学生提供的实验结果及电子版实验报告手动给予分数及评语。平台支持的实验类型有虚拟实验、链接实验、演示实验、客户端实验、三维仿真实验、应用虚拟化实验。平台提供实验前理论学习功能，包括实验前学生通过练习、自测等方式学习实验理论知识。教师可维护理论学习知识点，设定策略组卷方式，维护习题库，组卷试卷并查看学生理论测试分数。平台提供实验报告管理功能，支持学生在线提交实验报告，教师可对实验报告进行在线批注和批改，学生可导出单个实验的报告，教师可批量导出单个实验的所有报告;平台提供实验成绩统计结果的查询等功能：可以以实验为单位统计班级成绩情况。教师发布成绩后，学生可查看成绩。实验成绩可按单个实验导出，也可选择多个实验导出;平台提供数据统计功能，可以查看所有课程成绩、开课成绩，搜索并查询单个学生成绩，查看各开课的教学情况一览，历年实验平均成绩对比图，实验学习时长、次数和请求指导次数统计图，学生在线学习实验的情况分布图。平台提供实时答疑功能，使得教师和学生可通过文本实时在线交流;平台提供非实时答疑功能，教师可将问题与回答录入到问题库中，方便学生通过关键字查找问题。