工廠供電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、工廠供電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告地方高校工科教育普遍存在著實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入不足、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地受限、實(shí)踐環(huán)節(jié)所占的學(xué)時(shí)比重低等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度的要求以工廠供電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，介紹了在遵循課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、以實(shí)驗(yàn)虛”原則，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)工廠供電課程所要求的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的重構(gòu);利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生能熟練使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備、提升學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解力、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，取得了很好的實(shí)踐教學(xué)效果關(guān)鍵詞:地方院校;工廠供電;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);教學(xué)實(shí)踐0引言工程教育的專(zhuān)業(yè)認(rèn)證是提高工程教育專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)水平的重要舉措，推動(dòng)了工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)

2、人才培養(yǎng)規(guī)格與企業(yè)和社會(huì)的需求更加緊密地結(jié)合，是我國(guó)高等學(xué)校工科專(zhuān)業(yè)高水平建設(shè)的必由之路由于電力行業(yè)技術(shù)、設(shè)備更新快，而課程更迭較為緩慢，造成了電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中存在著理論課與實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容相分離的情況，產(chǎn)生了學(xué)生實(shí)踐能力的提升速度與企業(yè)對(duì)人才能力需求不同步的現(xiàn)象由于地方院校資源保障能力較弱，這一問(wèn)題表現(xiàn)得更為嚴(yán)重同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭?，電氣?lèi)的實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、品種、安全性等方面限制，因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有很大的局限性1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是利用交互技術(shù)、建模技術(shù)、音視頻技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行三維重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)的三

3、維重現(xiàn)和感知，同時(shí)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式相比，擁有更高的效率、更低成本，在眾多高校中得到了普遍的認(rèn)可和應(yīng)用2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比于傳統(tǒng)教學(xué)方式，使學(xué)生擺脫原有環(huán)境的限制，熟練掌握設(shè)備使用與實(shí)驗(yàn)操作，在電氣類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革中，有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義3從專(zhuān)業(yè)建設(shè)的實(shí)際需求出發(fā)，構(gòu)建了“工廠供電”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)該平臺(tái)以真實(shí)的裝置和實(shí)驗(yàn)流程為對(duì)象，在實(shí)時(shí)渲染機(jī)上實(shí)現(xiàn)為教學(xué)服務(wù)的教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可借助計(jì)算機(jī)、虛擬平臺(tái)等多種終端設(shè)備，不受時(shí)間、空間限制在線開(kāi)展“教學(xué)練”通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度以及廣度，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間和時(shí)間，解決了因地方高校普遍存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、場(chǎng)地受限而制約學(xué)生實(shí)踐能力提升的瓶

4、頸問(wèn)題的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思想，提升了創(chuàng)新能力41電氣類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題在教學(xué)過(guò)程中，由于學(xué)分問(wèn)題受限、設(shè)備條件不足等各種原因，導(dǎo)致人才培養(yǎng)方案中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分總數(shù)遠(yuǎn)少于理論課環(huán)節(jié)學(xué)分總數(shù)，如圖1所示的云南民族大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)分構(gòu)成情況從而造成培養(yǎng)的學(xué)生實(shí)踐能力差、不具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力、畢業(yè)生社會(huì)認(rèn)可度低等問(wèn)題，從而影響學(xué)生對(duì)學(xué)校的第一志愿填報(bào)率在電氣相關(guān)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式缺乏創(chuàng)新性，大多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，老師先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能按照事先設(shè)置的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行重復(fù)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與積極性不高，導(dǎo)致學(xué)生分析與處理問(wèn)題的能力較差

5、，創(chuàng)新意識(shí)薄弱由于學(xué)校資金來(lái)源有限，經(jīng)費(fèi)不足，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中所使用設(shè)備價(jià)格昂貴，從而所能購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備數(shù)量少，加之實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展受到時(shí)間和空間的限制，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)不統(tǒng)一2工廠供電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告為解決上述問(wèn)題，可以采用X3D技術(shù)、Java技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，充分利用X3D動(dòng)畫(huà)交互和Java的腳本節(jié)點(diǎn)功能，完成了對(duì)“工廠供電實(shí)驗(yàn)”的仿真，再利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)教學(xué)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)資源共享的效果在教學(xué)平臺(tái)中，虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建主要有兩個(gè)步驟，分別是模型搭建與用戶(hù)交互，場(chǎng)景構(gòu)建的結(jié)構(gòu)如圖2所示5三維場(chǎng)景構(gòu)建采用3DMAX軟件進(jìn)行模型構(gòu)建.2.1虛擬三維場(chǎng)景建模首先在3DMAX中

6、導(dǎo)入AutoCAD中的圖像，然后構(gòu)建開(kāi)關(guān)柜的模型以X3D動(dòng)畫(huà)控制為例，使用腳本節(jié)點(diǎn)(Script)可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì).上述程序用于設(shè)置在虛擬場(chǎng)景中步行瀏覽的方式在X3D設(shè)計(jì)場(chǎng)景中，用戶(hù)還可以設(shè)置空間氛圍效果節(jié)點(diǎn)、聲音效果節(jié)點(diǎn)等，經(jīng)過(guò)映射、建模、紋理貼圖、優(yōu)化等步驟，通過(guò)BScontactplayer瀏覽器進(jìn)行局部和全景等多視角瀏覽2.2用戶(hù)交互用戶(hù)交互用于研究用戶(hù)與創(chuàng)建的虛擬環(huán)境的認(rèn)知協(xié)調(diào)問(wèn)題，使之產(chǎn)生動(dòng)態(tài)交互效果在用戶(hù)交互環(huán)節(jié)，主要利用Script節(jié)點(diǎn)結(jié)合插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)以及路由器來(lái)完成用戶(hù)交互過(guò)程在工廠供電的仿真過(guò)程中利用Script節(jié)點(diǎn)完成刀閘開(kāi)關(guān)、電源開(kāi)關(guān)等方面的模擬操作

7、.下圖為使用Script節(jié)點(diǎn)完成刀閘開(kāi)關(guān)的模擬操作圖在圖4中，合閘回路開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)，在使用Script腳本節(jié)點(diǎn)以后，合閘回路開(kāi)關(guān)為閉合狀態(tài)如圖5所示，通過(guò)模擬各種開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)、閉合操作，讓用戶(hù)具有更好的交互感以及沉浸感.3實(shí)踐結(jié)果分析3.1工廠供電三維虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的推廣應(yīng)用通過(guò)近三年對(duì)學(xué)生使用工廠供電三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行的涉及學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間與效果、學(xué)生使用維度、學(xué)生與教師的使用情況等三個(gè)大項(xiàng)12個(gè)小項(xiàng)內(nèi)容問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，結(jié)果表明學(xué)生在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中花費(fèi)時(shí)間更少，學(xué)習(xí)效率更高，如圖6所示2015年之前實(shí)踐學(xué)時(shí)比重低，學(xué)生填報(bào)學(xué)校的第一志愿率較低在2016年之后，通過(guò)采用虛

8、擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)等一系列的教學(xué)改革，通過(guò)增加學(xué)生的實(shí)踐學(xué)分，開(kāi)設(shè)更多實(shí)踐課程來(lái)提高學(xué)生的科研水平和實(shí)踐能力，提高了畢業(yè)生的社會(huì)認(rèn)可度，從圖7中可以看出，學(xué)生填報(bào)的第一志愿率明顯上升通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合、以實(shí)驗(yàn)虛”的原則增設(shè)學(xué)生校外基地實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、工廠參觀等實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力、提高學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、場(chǎng)地受限問(wèn)題，在2015年將虛擬實(shí)訓(xùn)方式引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，建設(shè)了多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的不足措施實(shí)施后學(xué)生的成績(jī)得到了極大的提高，如圖9所示在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)前，學(xué)生的科研成果數(shù)量較少，而且增長(zhǎng)平緩，學(xué)生的科研能力受到了較大的限制

9、而在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)后，學(xué)生的科研成果大幅增多，科研能力得到了較大提高每年通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)多達(dá)200人，經(jīng)過(guò)使用，教師普遍表示學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作方法的了解情況比以前更好，實(shí)驗(yàn)完成速度更快，實(shí)驗(yàn)誤操作率也有一定的減少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果更加直觀，該教學(xué)平臺(tái)可以顯著增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣度，激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新思想，進(jìn)而提升科研水平采用傳統(tǒng)教學(xué)方法和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)學(xué)生五個(gè)維度進(jìn)行對(duì)比如圖10所示3.2開(kāi)放運(yùn)行通過(guò)已經(jīng)建設(shè)的工廠供電虛擬教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可借助計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等多種形式的終端設(shè)備，不受時(shí)間、空間限制地在線開(kāi)展“教學(xué)練”，滿(mǎn)足多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)、不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，見(jiàn)圖11所示在對(duì)2018年、2019年網(wǎng)站日點(diǎn)擊訪問(wèn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生使用該虛擬平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的頻次較高.4總結(jié)電氣工程專(zhuān)業(yè)在新工科背景下，以新工科建設(shè)的問(wèn)題為導(dǎo)向，探索出符合工程教育認(rèn)證、適用于地方高校創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，工廠供電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)后，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣程度，提升