電力場景化互動虛擬仿真課件的構(gòu)建方法與創(chuàng)新教學(xué)探究

盧茜 孫蓉 唐錦

摘要：

在傳統(tǒng)的電力教學(xué)模式中，課堂缺乏互動性，理論課程教學(xué)難度較大，實踐操作難以實施。特別是對于電力行業(yè)的職業(yè)培訓(xùn)而言，更多需要的是進(jìn)行理論的延伸和實踐，需要結(jié)合工程實際情況來進(jìn)行實踐教學(xué)，電力專業(yè)理論知識在理解上難度偏大，工程設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難達(dá)到十分理想的教學(xué)效果。因而提出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電力場景化仿真課件的構(gòu)建，利用Unity 3D技術(shù)結(jié)合重大工程實際案例創(chuàng)新教學(xué)方法，設(shè)計了34課時的課程內(nèi)容。為了了解該教學(xué)方法教學(xué)效果，通過對2019年9月的最新一批入職員工的教學(xué)培訓(xùn)對照實驗，可以看出基于虛擬仿真課件的教學(xué)方法相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法擁有更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：

場景化; 虛擬現(xiàn)實; 電力; 課件; 創(chuàng)新教學(xué)

中圖分類號： TP 399

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on the Construction Method and Innovative Teaching of

Electric Power Scene Interactive Virtual Simulation Courseware

LU Qian， SUN Rong， TANG Jin

（Research Institute， Stare Grid Jiangsu Electric Power Co. Led.， Nanjing， Jiangsu 211100， China）

Abstract：

In the traditional electric power teaching mode， the classroom lacks interaction， the theory course teaching is difficult， and the practice operation is difficult to implement. Especially for the vocational training in the power industry， it needs more theoretical extension and practice， and practical teaching should be combined with the actual situation of the project. The theoretical knowledge of power specialty is difficult to understand， the structure of engineering equipment is complex， and the traditional teaching method is difficult to achieve very ideal teaching effect. Therefore， this paper puts forward the construction of electric power scene simulation courseware based on virtual reality technology， and uses Unity 3D technology and innovative teaching methods of major engineering practical cases to design contents of 34 classes. In order to understand the teaching effect of this teaching method， we can see that the teaching method based on virtual simulation courseware has better teaching effect than the traditional teaching method through the contrast experiment of the latest batch of employees teaching and training in September 2019.

Key words：

scene; virtual reality; power; courseware; innovative teaching

0引言

隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)越來越多的應(yīng)用到教學(xué)之中，新的教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)教學(xué)中許多的教學(xué)方式，不但能夠更吸引學(xué)生的興趣，而且也能夠改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)思維方式[12]。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的智慧課堂，能夠提高學(xué)習(xí)者動手實踐能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的自主性思考。與此同時，也能夠增進(jìn)師生關(guān)系，提高師生感情[3]。當(dāng)前，江蘇省的電網(wǎng)范圍之中，有著諸多創(chuàng)新工程項目在建或已投入運(yùn)行，包括了UPFC工程、同里新能源小鎮(zhèn)、各類新型變電站工程、電網(wǎng)側(cè)儲能電站等。這些具有科技先進(jìn)行的重大工程對于民眾甚至是部分專業(yè)的電網(wǎng)建設(shè)人員而言，都擁有一定的神秘感。這就使得許多電力專業(yè)人員對于重大工程的相關(guān)技術(shù)不了解，存在著十分嚴(yán)重認(rèn)知上的滯后性，為了能夠改變當(dāng)前的現(xiàn)狀，需要對這些電網(wǎng)電力人員進(jìn)行專業(yè)知識培訓(xùn)，對他們進(jìn)行電力相關(guān)的創(chuàng)新成果和前沿技術(shù)教學(xué)[4]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以滿足當(dāng)前的電力行業(yè)教學(xué)要求，因此此次采用Unity 3D技術(shù)來制作虛擬仿真課件，以創(chuàng)新的教學(xué)方法來開展電力行業(yè)教學(xué)培訓(xùn)。

1基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)電力教學(xué)的必要性

當(dāng)前電力企業(yè)的技術(shù)、設(shè)備更新速度快，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動了電力技術(shù)的革命性更新發(fā)展。隨著改革開放的不斷深入，電力企業(yè)改革正在深化，為了能夠適應(yīng)更為激烈的市場競爭環(huán)境，電力企業(yè)必須要加強(qiáng)員工專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，提升綜合素質(zhì)能力。對于電力企業(yè)而言，員工代表了企業(yè)的核心競爭力，只有做好員工的培訓(xùn)工作，才能夠使其在市場中占據(jù)一席之地，在行業(yè)中具備一定的優(yōu)勢。特別是重大工程的專業(yè)培訓(xùn)，有助于提升員工對高新技術(shù)的認(rèn)知，了解行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[5]。但是當(dāng)前電力企業(yè)對員工的重大工程培訓(xùn)項目具有非常多的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為培訓(xùn)缺乏有效連接，沒能形成一個配套的培訓(xùn)設(shè)施來進(jìn)行國家電網(wǎng)員工的綜合培訓(xùn)，既有的培訓(xùn)表現(xiàn)的是缺乏合作，沒有適當(dāng)當(dāng)前培訓(xùn)需要的教學(xué)體系。在培訓(xùn)課程的具體實施過程中，甚至有的員工技術(shù)培訓(xùn)只是為了應(yīng)付培訓(xùn)任務(wù)而走走過場。之所以會這樣，除了是因為傳統(tǒng)培訓(xùn)體系所存在的不足和缺陷，另一方面是因為傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式難以吸引到學(xué)員，不能夠形成學(xué)習(xí)過程中的相互配合，更難以體驗實際工程教學(xué)環(huán)境。

電力專業(yè)的課堂教學(xué)和其他專業(yè)學(xué)科相較而言，存在著更多的特殊性和復(fù)雜性，現(xiàn)代電力企業(yè)的知識培訓(xùn)目前重點(diǎn)是開展電力巡查和檢修，這些專業(yè)知識具有很強(qiáng)的抽象性，知識點(diǎn)的相關(guān)性和相連性相對較弱，教學(xué)體驗效果差，再加上許多新加入的員工配合度偏低，就會受到環(huán)境空間和時間的限制影響而難以進(jìn)行實踐教學(xué)，甚至有可能因為實踐教學(xué)而出現(xiàn)操作不當(dāng)出現(xiàn)一定損失的情況[6]。為了改變傳統(tǒng)的電力教學(xué)中存在的不足，那么就必須利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)實現(xiàn)場景化教學(xué)，如此可以有效解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，利用對環(huán)境的改變和虛擬，結(jié)合相應(yīng)的圖文和視頻資料，從而開發(fā)出具有操作性、針對性、建議性的培訓(xùn)教學(xué)課件。

2虛擬仿真課件的構(gòu)建

2.1課件設(shè)計整體思路

課件的制作采用的是Unity 3D進(jìn)行開發(fā)，具體包含了《變電站工程》、《走進(jìn)電網(wǎng)側(cè)儲能電站》和《走進(jìn)GIL管廊工程》等課程，完成重大工程場景化的課件的開發(fā)。整個課件的構(gòu)建和設(shè)計，需要滿足于對重大工程場景的認(rèn)知和培訓(xùn)，能夠?qū)崿F(xiàn)課程內(nèi)容和現(xiàn)場實際生產(chǎn)的同步性，包含了整個工程從設(shè)計規(guī)劃到生產(chǎn)設(shè)計及運(yùn)營的各個階段，從而實現(xiàn)電力企業(yè)的優(yōu)質(zhì)化培訓(xùn)資源建設(shè)。體驗式教學(xué)課件的設(shè)計所采用的主流引擎為市面上目前常用的Unity 3D技術(shù)，該項技術(shù)具有場景下效果真實、穩(wěn)定性好、使用流暢等特點(diǎn)。在制定場景化教學(xué)課程內(nèi)容的時候，需要根據(jù)重大工程及相關(guān)項目的世紀(jì)建設(shè)需要來進(jìn)行設(shè)計，課程的內(nèi)容包含了需要制定課件的專題內(nèi)容以及課程中的互動形式策劃方案。為了能夠制作更高質(zhì)量的虛擬仿真課件，從而實現(xiàn)沉浸式教學(xué)的高質(zhì)量教學(xué)效果，需要采用可視化場景美術(shù)資源、動畫特效資源、程序算法資源以及語音引導(dǎo)資源等。為了能夠提升教學(xué)效果，需要實現(xiàn)場景的策劃交互，采用多種交互體驗的方式來進(jìn)行場景化體驗教學(xué)，包括了獨(dú)立的展示結(jié)構(gòu)認(rèn)知和路線規(guī)劃式巡視漫游等。

2.2課件課程內(nèi)容設(shè)計

課程內(nèi)容主要包含了全景圖查看器、模型可高亮交互，教師能夠利用PPT插件將全景圖打包后，利用全景圖查看瀏覽器。教師可以利用全景圖資源在教學(xué)系統(tǒng)平臺上拖動全景圖來改變視角，學(xué)生可以利用教學(xué)系統(tǒng)學(xué)生端實現(xiàn)和教師的同步視角。為了便于進(jìn)行視圖的轉(zhuǎn)換切換，系統(tǒng)支持利用手柄來進(jìn)行視圖的操作，系統(tǒng)會默認(rèn)使用凝視交互，檢測到了手柄后就會自動切換到手柄交互。在利用VR課程進(jìn)行教學(xué)的時候，教師能夠高亮VR課程里面的模型進(jìn)行互動，互動內(nèi)容可以根據(jù)教學(xué)的需要來進(jìn)行定制。為了能夠更好使用教學(xué)資源，課程需要提前上傳到教學(xué)管理系統(tǒng)中，必須經(jīng)由教學(xué)管理系統(tǒng)才能夠?qū)⑵鋯?。為了便于課程資源的分享以及課程內(nèi)容的擴(kuò)充，需要提供接入教學(xué)管理系統(tǒng)的SDK。課程內(nèi)容較多，因此需要能夠?qū)⑽淖謨?nèi)容自動轉(zhuǎn)換成為語音內(nèi)容。為了滿足虛擬現(xiàn)實技術(shù)的課程教學(xué)，其硬件配套設(shè)備，如表1所示。

課件根據(jù)具體的工程需要和課程需要，一共設(shè)計了三個課件，分別是《走進(jìn)特高壓變電工程》《走進(jìn)電網(wǎng)側(cè)儲能電站》《走進(jìn)特高壓GIL綜合管廊工程》，總計劃課時為34課時，如表2所示。

2.3課件設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

此次的課件制作主要采用的是Unity3D技術(shù)，這是一套集虛擬場景和三維物體的綜合游戲引擎，具有功能全面而強(qiáng)大的編輯器，在利用3D建模軟件構(gòu)建模型的時候可以十分方便就導(dǎo)入到unity之中。利用它可以實現(xiàn)三維游戲和三維動畫的開發(fā)，同時也可以實現(xiàn)建筑的可視化操作，具有非常強(qiáng)的交互性，同時也能夠在PC端和移動端平臺進(jìn)行發(fā)布。Unity屬于功能強(qiáng)大，容易學(xué)會和掌握，主要包含了5個視圖，即場景視圖、層次面板、檢視面板、工程面板和游戲視圖。

場景視圖是一個包含了物體、環(huán)境以及攝像機(jī)等布置的交互式視圖，利用該視圖可以選擇不同的繪制模式和渲染模式，并且利用其中的燈光按鈕來控制場景中的光照。層次面板中包含了虛擬場景所有物體，可以實現(xiàn)物體的移動、旋轉(zhuǎn)、添加、刪除等操作。工程面板包含了項目中所有的三維模型、音頻文件、場景等資源等資源文件，對于比較常用的資源文件，則可以將物體保存成為Perfab格式，從而實現(xiàn)物體的實例化。Unity場景中的物體包含了聲音、位置、光源等多種屬性，在檢視面板中，可以查看所有物體包含的屬性信息及附加腳本，通過檢視面板能夠直接設(shè)定屬性數(shù)值。

為了能夠讓用戶產(chǎn)生更好的沉浸感，就需要在一個逼真虛擬環(huán)境中讓用戶忘記自己實際所處的真實環(huán)境，能夠更好進(jìn)入到教學(xué)環(huán)境之中。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這種教學(xué)效果，就需要利用虛擬模型來構(gòu)建虛擬的實驗室、實驗室儀器等，對操作影響較少的模型應(yīng)當(dāng)盡可能多的減少多邊形數(shù)量。三維模型構(gòu)建的流程，如圖1所示。

一般有四個步驟：首先是地形地貌的構(gòu)建，在unity進(jìn)行物體物理特性的構(gòu)建，就必須依托于地形的承載，否則會導(dǎo)致其他模型的墜落。其次是要進(jìn)行三維模型外形的實現(xiàn)，如果是幾何特性顯著的物體，就可以選擇多邊形建模，對于物體特別復(fù)雜的，就需要根據(jù)物體的外形特性來進(jìn)行選擇。第三，進(jìn)行虛擬物體的模型構(gòu)建，考慮到變電站實物的復(fù)雜性和教學(xué)需要，因此要求虛擬物體要要和實物非常詳盡，無論是結(jié)構(gòu)形態(tài)還是表面材質(zhì)都要力求一致。在模型構(gòu)建完成，需要將模型導(dǎo)出，導(dǎo)出的模型采用fbx模式，在導(dǎo)出之前必須要對其進(jìn)行檢查，查看模型法線的正確性，模型對象的名字等，要保證不同材質(zhì)物體能夠組合，且不同片面熟在64 k以內(nèi)，檢查確認(rèn)合格后才可以將模型導(dǎo)出。

3虛擬仿真課件的教學(xué)效果分析

3.1教學(xué)對比實驗

為了驗證此次提出的虛擬仿真課件在實際教學(xué)中的應(yīng)用效果，此次對其進(jìn)行了教學(xué)對比實驗。此次選取2019年9月新一批員工進(jìn)行入職教學(xué)培訓(xùn)的效果觀察，采用課堂觀察法來進(jìn)行不同教學(xué)效果的觀察研究。分為教學(xué)實驗組和教學(xué)對照組，其中的教學(xué)實驗組為一班共42人，教學(xué)對照組為二班共41人。教學(xué)的地點(diǎn)選擇電科院中心實驗室虛擬現(xiàn)實沉浸式互動教室和實訓(xùn)路多媒體教室，實驗組教學(xué)內(nèi)容是開展新員工的場景體驗教學(xué)，具體的教學(xué)課程是“走進(jìn)重大工程”的體驗式教學(xué)方式。教學(xué)對照組采用的傳統(tǒng)的教學(xué)課件和傳統(tǒng)的教學(xué)方法，教學(xué)的課時長和教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)實驗組一致。為了進(jìn)行教學(xué)效果的對比分析，通過問卷調(diào)查的方式了解采用虛擬仿真課件的教學(xué)效果，具體包括了受培訓(xùn)人員對教學(xué)課程知識點(diǎn)的掌握情況及學(xué)習(xí)成績水平的考核。