三维虚拟现实技术在电气工程学科在线学习中的应用研究

丁贵立 康 兵 许志浩 王宗耀

（南昌工程学院电气工程学院，江西 南昌 330099）

0 引言

新中国成立后，我国电力行业飞速发展，截至2013年底，全国发电装机容量达到12.5亿千瓦，提前完成国家节能减排十二五规划目标。科技发展对电能的质量要求越来越高。因此，加强培养相关领域的人才，提升高校教育教学水平迫在眉睫。在新冠疫情的影响下，各高校电力相关专业未能正常开展电力实习。因此，可将VR开发电力云实习VR课件，供高校电力专业实习使用，课件突出学生为主体，结合VR三维可视化技术有效地解决了传统教学的某些弊端。

团队合作、沟通、项目管理、学会学习和领导能力是工程师必须具备的基本技术知识。工程专业的学生也在寻找灵活的方式来参加高质量的课程，并找到一个最有效的途径获得最合适的教育设施。另一方面，教学过程应该以学生为中心，学习过程及其结果可以定制。在线学习过程利用互联网作为学习活动的平台，包括学习者和教育者之间的实时虚拟互动或三维环境，拓展了学习的时空。在线学习环境被认为是辅助传统学习模式的重要资源，并正在改变高等教育的性质。在线学习平台在加强以学生为中心的学习方面呈现出几个优势：使学生变得更加能自给自足，而教育者则承担起创新的角色；在线学习环境鼓励教育者在准备更好的电子学习资源时更加能进行反思和改进，并最终提高学生适应不断变化的技术驱动世界的能力。虽然面对面的学习更适合普通的讨论，有助于形成一个活跃的环境，但在线学习能够使学生从远程教育者那里接受学习活动，允许更多的成员同时学习，更容易识别和记录学习行为和错误反馈，以改善学习活动。

现今，教师面临的挑战是设计有效的学习活动，结合校内和校外的资源，跨越物理和虚拟环境。虚拟学习环境（VLE）为教师和学生提供了一个框架，学生可以在其中获取学习材料和教师支持。VLE的基础包括对分成小部分的课程的控制访问、跟踪学生学习活动、获取学习资源、评估和指导，以及扮演教师和学生之间的沟通者的角色。三维虚拟实验室可以作为传统实际操作实验室的补充，用于传统实验室不可用的地方。虚拟实验室的优势在于，它让学生在进行实验的时间和地点上有更大的灵活性，并允许学生在自己的时间内完成或重复实验。

在线学习利用互联网作为学习活动的平台。学生可使用个人设备或公共设施参与网上活动。这些活动包括:互动小测验、报告作业、自我和同伴评估、给出各种问题的信息，如笔记和截止日期、同伴互动、学生和教师之间的实时虚拟互动、三维图像、互动视频和其他应用程序[1-4]。

在线学习相关支撑技术正在迅速发展，5G的发展允许以更快的速度使用更复杂的信息，以支持越来越多的学习应用程序，在线学习通常被认为是对传统学习形式的重要补充，而信息技术正在改变高等教育的性质。在线教育平台有几个优点：由于课程、机构和学习地点之间更大的流动性，在线教育可以强化以学生为中心的学习;电子作业可以更快地发送给学生;学生变得更加独立，会自学，教师的角色向辅助者和创新者过渡[5]；电子学习环境鼓励教师更好地与更多学生沟通以及组织、准备电子学习资源[6]；它是一种成本更低的学习方式[7]；它提高了学生适应不断变化的技术世界的能力。

研究表明，面对面学习最适合课堂讨论[8]，而网络在线学习可以让学生接受高质量的远程学习活动，它可以让课堂规模更大，同时更容易识别和记录学生学习行为和错误反馈，从而改善学习活动[9]。作为一个网络学习的环境，它对教师的要求也越来越高。为了克服这些挑战并使其效益最大化，对教师和学生的培训和指导以及对学生学习效果的评估是非常重要的。另外，对目前使用的在线学习工具和技术进行分析也是必要的，因为在构建三维虚拟环境时，速度、复杂性和知识是至关重要的。对高等教育来说，运用这些新工具培养新一代工程师是一个顺应科技发展潮流的新选择[10]。

2 理论

本文提出了与三维虚拟仿真环境的设计、尺寸和动画相关的实践，研究了与特定电气工程中变电站主题相关的现象，以提高高校学生的专业技能和知识水平。本研究设计目标是组织分布式在线云实习平台，允许学生在家里以网络远程学习方式参与到变电站实习课程中，在这个虚拟实习平台了解变电站的运行原理，以及变电站各设备的构造和参数，使学生们自主设定参观路线和学习设备，增加学生的代入感，激发学生的学习主动性，也能够规避实际参访变电站的一些高压带电设备对学生们的人身安全威胁，特别适用于疫情时期学生们不能集体实地实习的场景。运用Vmaker搭建的变电站VR三维模型如图1所示。

图1 所搭建的变电站VR三维模型

变电站是指电力系统中对电压和电流进行交换，接收电能及分配电能的场所。发电厂内的变电站是升压变电站，其作用是将发电机发出的电能升压后馈送到高压电路当中。从第一个真正意义上的电力系统建立开始，就出现了变电站。变电站作为电力系统不可或缺的部分，与电力系统共同发展了100多年。在这100多年的发展历程中，变电站在建造场地、电压等级、设备情况等方面都发生了巨大的变化。

变电站各设备原理与构造VR三维动画课件如图2所示。

图2为使用Vmaker软件制作的变电站各设备三维模型及其原理讲解和构造的呈现。

图2 变电站各设备原理与构造VR三维动画

3 方法

使用Vmaker软件搭建虚拟实验室环境模型、设计三维VR课件的步骤如下：

第一步：首先与学生进行需求沟通，了解学生们想了解的关于变电站的知识和相关原理，确认三维课件的制作主题，

第二步：寻找相关技术实现方式，本文主要使用Vmaker、Unity进行三维VR建模，分析所确定的VR建模的主题和实现方式的可行性，然后进行实际建模。

第三步：对初步设计的VR三维模型进行运行和评估，根据运行和评估结果进行针对性调整，优化和完善课件内容。

根据所制作的变电站三维虚拟现实云仿真平台与传统实际变电站实习的效果评估数据，制作了如下的传统实习与三维实习的效果对比图，如图3所示，黄色条形表示三维虚拟现实云仿真平台效果评分，蓝色条形代表传统实际变电站实习的效果评分。结果表明，所制作的变电站三维虚拟现实云仿真平台与传统实地实习相比，课堂效果由30分提高到80分，神经刺激由10分提高到80分，学生兴趣也由20分提高到80分，交互体验更是从5分提高到100分。可以看出，所设计的变电站三维VR云实习平台大幅提高了实习效果，尤其是交互体验更是大大优于传统实习。

图3 所制作的变电站三维虚拟现实云仿真平台与传统实际变电站实习的效果评估对比

4 结论

（1）使用3D模型与虚拟现实技术是一种提高教学效果和趣味性的有益尝试。此外，由于3D虚拟现实实验室在高等教育中扮演的角色越来越重要，使得其可以与传统学习方式互补，从而使得高等教学手段层次更高、更丰富，也能够使得教师与学生在互动过程中更好地进行教学和学习，教学效果可以更完整、更直观地显示出来，提高学生学习的时空灵活性，降低学习成本，更好地反馈学习情况并针对性地改进，形成提高教学效果的闭环。

（2）本研究提供了一个搭建电气工程3D虚拟现实实验室环境的在线学习课件，允许学生疫情期间远程参与实验课程学习，所开发的三维虚拟实验室环境模型以友好和直观的方式用于电子学习和基于计算机的培训，基于电子学习方法的教学管理平台有助于创造新的学习环境，促进互动和协作，总体上促进高校学生学习。

（3）在计算机上进行仿真是一种有效的实际工作应用技术。这些3D模拟减少了教师对时间、成本或风险的担忧，也避免了不适当的、低效的或有潜在危险的实验方案。结论显示了将这种创新模式整合到电气工程课程中的益处。这种方法不仅加强了对当前电气工程实践的掌握，而且还为电气工程电子课程的设计和远程在线学习开辟了新的可能性。