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摘要:地方高校工科教育普遍存在著實驗設備投入不足、實驗場地受限、實踐環節所占的學時比重低等問題，難以滿足工程教育專業認證中人才培養目標達成度的要求．以工廠供電虛擬仿真實驗設計為例，介紹了在遵循課程特點的基礎上，依據“虛實結合、相互補充、以實驗虛”原則，利用虛擬現實技術對工廠供電課程所要求的各類實驗進行仿真模擬和實驗過程的重構;利用網絡技術搭建教學平臺，使學生能熟練使用實驗設備、提升學生對實驗內容的理解力、激發學習熱情，取得了很好的實踐教學效果．
關鍵詞:地方院校;工廠供電;虛擬仿真;實驗設計;教學實踐
0引言
工程教育的專業認證是提高工程教育專業人才培養水平的重要舉措，推動了工程類專業人才培養規格與企業和社會的需求更加緊密地結合，是我國高等學校工科專業高水平建設的必由之路．由于電力行業技術、設備更新快，而課程更迭較為緩慢，造成了電氣工程類專業課程在實際教學環節中存在著理論課與實驗課內容相分離的情況，產生了學生實踐能力的提升速度與企業對人才能力需求不同步的現象．由于地方院校資源保障能力較弱，這一問題表現得更為嚴重．同時，由于實驗模式固定，電氣類的實驗受到實驗設備數量、品種、安全性等方面限制，因此，傳統實驗教學模式有很大的局限性［1］．虛擬仿真實驗教學方式是利用交互技術、建模技術、音視頻技術、傳感技術、網絡技術等對實體實驗項目進行三維重構，以實現對真實實驗設備、實驗場景、實驗步驟和數據的三維重現和感知，同時與傳統實驗教學方式相比，擁有更高的效率、更低成本，在眾多高校中得到了普遍的認可和應用［2］．虛擬仿真實驗教學相比于傳統教學方式，使學生擺脫原有環境的限制，熟練掌握設備使用與實驗操作，在電氣類實驗課程教學改革中，有著重要的理論和現實意義［3］．從專業建設的實際需求出發，構建了“工廠供電”虛擬仿真實驗教學平臺．該平臺以真實的裝置和實驗流程為對象，在實時渲染機上實現為教學服務的教學平臺，學生可借助計算機、虛擬平臺等多種終端設備，不受時間、空間限制在線開展“教－學－練”．通過加強實驗教學內容的深度以及廣度，拓展實驗教學的空間和時間，解決了因地方高校普遍存在實驗設備不足、場地受限而制約學生實踐能力提升的瓶頸問題的同時，進一步激發了學生的創新思想，提升了創新能力［4］．
1電氣類實驗教學存在的問題
在教學過程中，由于學分問題受限、設備條件不足等各種原因，導致人才培養方案中實驗教學環節學分總數遠少于理論課環節學分總數，如圖1所示的云南民族大學電氣工程專業學分構成情況．從而造成培養的學生實踐能力差、不具備解決復雜工程問題的能力、畢業生社會認可度低等問題，從而影響學生對學校的第一志愿填報率．在電氣相關專業的實驗教學過程中，傳統實驗教學模式缺乏創新性，大多實驗項目都通過實驗箱進行實驗分析驗證．實驗開始前，老師先進行演示實驗，學生只能按照事先設置的實驗步驟進行重復，學生實驗參與積極性不高，導致學生分析與處理問題的能力較差，創新意識薄弱．由于學校資金來源有限，經費不足，同時實驗中所使用設備價格昂貴，從而所能購買的設備數量少，加之實驗場地有限，使得實驗教學的開展受到時間和空間的限制，導致理論教學與實驗教學不統一．
2工廠供電虛擬仿真實驗教學平臺設計
為解決上述問題，可以采用X3D技術、Java技術、網絡技術，充分利用X3D動畫交互和Java的腳本節點功能，完成了對“工廠供電實驗”的仿真，再利用網絡技術開發教學平臺，以實現資源共享的效果．在教學平臺中，虛擬場景的構建主要有兩個步驟，分別是模型搭建與用戶交互，場景構建的結構如圖2所示［5］．三維場景構建采用3DMAX軟件進行模型構建.
2.1虛擬三維場景建模
首先在3DMAX中導入AutoCAD中的圖像，然后構建開關柜的模型．以X3D動畫控制為例，使用腳本節點(Script)可以實現虛擬現實的動畫設計.上述程序用于設置在虛擬場景中步行瀏覽的方式．在X3D設計場景中，用戶還可以設置空間氛圍效果節點、聲音效果節點等，經過映射、建模、紋理貼圖、優化等步驟，通過BScontactplayer瀏覽器進行局部和全景等多視角瀏覽．
2.2用戶交互
用戶交互用于研究用戶與創建的虛擬環境的認知協調問題，使之產生動態交互效果．在用戶交互環節，主要利用Script節點結合插補器節點、傳感器節點以及路由器來完成用戶交互過程．在工廠供電的仿真過程中．利用Script節點完成刀閘開關、電源開關等方面的模擬操作.下圖為使用Script節點完成刀閘開關的模擬操作圖．在圖4中，合閘回路開關為斷開狀態，在使用Script腳本節點以后，合閘回路開關為閉合狀態如圖5所示，通過模擬各種開關的斷開、閉合操作，讓用戶具有更好的交互感以及沉浸感.
3實踐結果分析
3.1工廠供電三維虛擬仿真教學平臺的推廣應用
通過近三年對學生使用工廠供電三維虛擬仿真實驗教學平臺進行的涉及學生學習時間與效果、學生使用維度、學生與教師的使用情況等三個大項12個小項內容問卷調查數據進行收集和分析，結果表明學生在實際的實驗操作中花費時間更少，學習效率更高，如圖6所示．2015年之前實踐學時比重低，學生填報學校的第一志愿率較低．在2016年之后，通過采用虛擬仿真實驗教學實踐環節等一系列的教學改革，通過增加學生的實踐學分，開設更多實踐課程來提高學生的科研水平和實踐能力，提高了畢業生的社會認可度，從圖7中可以看出，學生填報的第一志愿率明顯上升．通過“虛實結合、以實驗虛”的原則增設學生校外基地實習、生產實習、工廠參觀等實踐環節，培養學生實際操作能力、提高學習興趣、培養學生的創新意識．針對實驗設備不足、場地受限問題，在2015年將虛擬實訓方式引入實驗教學過程中，建設了多個虛擬仿真實驗平臺，以彌補傳統實驗教學設備的不足．措施實施后學生的成績得到了極大的提高，如圖9所示在虛擬仿真實驗平臺建設前，學生的科研成果數量較少，而且增長平緩，學生的科研能力受到了較大的限制．而在虛擬仿真實驗平臺建設后，學生的科研成果大幅增多，科研能力得到了較大提高．每年通過該平臺進行實驗的學生人數多達200人，經過使用，教師普遍表示學生對實驗操作方法的了解情況比以前更好，實驗完成速度更快，實驗誤操作率也有一定的減少，實驗教學效果更加直觀，該教學平臺可以顯著增加學生對實驗的興趣度，激發學生的科研創新思想，進而提升科研水平．采用傳統教學方法和虛擬仿真實驗教學方法對學生五個維度進行對比如圖10所示．
3.2開放運行
通過已經建設的工廠供電虛擬教學平臺，學生可借助計算機、智能手機等多種形式的終端設備，不受時間、空間限制地在線開展“教－學－練”，滿足多學科、多專業、不同層次的實驗教學需求，見圖11所示．在對2018年、2019年網站日點擊訪問量進行統計分析，發現學生使用該虛擬平臺進行實驗學習的頻次較高.
4總結
電氣工程專業在新工科背景下，以新工科建設的問題為導向，探索出符合工程教育認證、適用于地方高校創新性人才培養模式的實驗教學方法，工廠供電虛擬仿真實驗平臺建設后，增強了學生對實驗課程的興趣程度，提升了學生的動手能力、創新能力、分析和解決問題的能力．但是也應該認識到教學改革任重道遠，需要通過不斷的探索研究并完善，才能制定出兼顧學校定位和滿足社會需要的人才培養方案，從而為社會更好地培育出更多具有創新能力和實踐能力的實踐性人才，使我國的工程教育無論在數量上，還是質量上在國際互認的前提下邁上更高的階段．
參考文獻:
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作者:徐武 郭興 唐文權 文聰 孔玲玲 單位:云南民族大學
