电机拖动虚拟仿真实验平台设计及实践应用研究

徐 武，杨昊东，汤弘毅，陈盈君，孔玲玲，徐浩东

(1.云南民族大学 电气信息工程学院，云南 昆明 650500;2.陕西长庆专用车制造有限公司，陕西 咸阳 712000)

近些年我国经济快速发展，传统的人才培养模式不再适合现代社会发展需求，尤其与发达国家相比，我国自主创新能力较弱、核心技术对外依赖程度较高[1].因此，必须建立一种新型的应用型人才培养模式，在遵循现代教育理念的基础上，培养具有创新意识和创新能力的复合型人才.

电机拖动是电气专业课程体系中的一门专业必修课，主要阐述电机与电力拖动的基本理论，在教学过程中通常与实验课程相结合[2].而在传统电机拖动实验中，实验人员使用高电压具有一定的危险性，并且实验所需的工业电动机和控制设备大多都体积庞大、噪音刺耳、价格昂贵，因而传统电机拖动实验具有一定的局限性.

虚拟仿真是伴随着计算机技术发展而兴起的，它具有沉浸性、交互性和逼真性.将电机拖动实验与虚拟现实技术相结合，利用模型构建、音视频转换、传感器、网络技术等对实体实验设备进行三维重构，进而构建虚拟仿真实验平台，实现对真实的实验场景三维重现.以构建的三维实验设备为对象，利用交互技术在虚拟场景中实验[3].相比于传统实验教学，这种生动的教学方式更容易使学生摆脱原始实验环境的束缚，在实验中开拓大脑，提升创新思维，进而有助于理解抽象概念，大幅度增进学生学习的积极性.

1 传统电机拖动实验教学存在的问题

近年来，随着电气技术的不断发展，电气专业招生规模也逐步扩大，传统电机拖动实验已不能完全满足现阶段对应用型人才培养的需求，必须对实验教学中的实验设备、教学模式和管理方法进行变革[4].传统实验教学模式存在以下问题：

1) 由于实验时间和实验场地的限制，学生并不能提前熟悉实验元件和操作流程，只能通过预先发放的实验指导书进行预习，对实验原理和实验操作步骤的理解也仅仅浮于文字表面.此外，因大多数实验设备庞大且昂贵，在实验过程中并不能保证每个学生拥有一台实验设备，通常是每个实验2～3人一组，甚至于大型电机实验需要10余人一组，这种限制严重影响了实验的教学效果.

2) 传统实验教学基本都是老师讲解实验原理并演示操作步骤，而学生模仿实验操作、测量记录数据并撰写实验报告，这种教学形式过于单一[5-6].并且学生的实验成绩主要由实验报告和考勤率来按比例综合评定，这便无法客观地反映学生在实际工程中的实践能力和创新能力.

3) 受实验仪器、实验教学所消耗成本等限制，当前多数实验为验证性实验，与设计相结合的综合性实验寥寥无几.而对于验证性实验，学生只需按照操作流程机械性地连接，实验参数都是预先设定，几乎不能修改，这就很大程度地造成理论与实际相脱节，学生不能在原有实验的基础上进行创新性实验，不利于综合运用能力的培养.

2 电机拖动虚拟仿真实验平台建设

本着“虚实结合、以实证虚”的原则，构建逼真的三维实验设备和虚拟操作环境.在具有沉浸性、开放性、自主性、交互性的虚拟环境中，学生可以高效地开展经济、安全的实验项目，改善传统实验教学中难以达到的教学效果[7].首先采用Java语言、X3D、Unity 3D等技术构建三维电气设备模型和虚拟实验场景，充分利用X3D的可交互操作性和Java语言强大的脚本节点功能；然后应用BS Contact软件对实验平台展示，用户可以伴随着主观性在电机拖动虚拟仿真实验场景中学习；最后基于网络技术开发实验教学平台，应用到电机拖动实验中，并推广到其他实验课程实现资源共享，总体设计流程图如图1所示.

图1 电机拖动虚拟仿真实验总体设计流程图

2.1 虚拟三维模型及场景

AutoCAD具有良好的用户界面，可以通过命令行方式进行各种操作，已成为当前国际广为流行的绘图工具.利用AutoCAD制作图像贴纸，将其导入X3D中构建开关柜模型.脚本(Script)属于交互性的程序节点，通过引入Script节点，将充分发挥编程的灵活性、多样性，以便于设计出更加生动、复杂的动画[8].如在导线连接操作中，只需点击实验台上导线，导线就可以按照导航栏的提示，自动飞行到指定位置进行连接.以下为开关柜导线接入(图2)和总电源启动(图3)的动画效果图及其关键代码：

图2 导线接入动画效果

图3 总电源启动动画效果

NavigationInfo节点称为导航节点，包含观察者和观察模型之间的物理特征信息，根据不同的视角设置不同的观察点，观察者可以从多角度进行实验，如同身临其境.NavigationInfo节点具体执行代码如下：

上述程序设置的是观察者在虚拟实验场景中以行走的方式浏览，还可以将其设置为飞行方式进行俯视观测.而且在使用X3D设计虚拟场景时，还可以利用空间背景节点、声光节点、内联节点、高级造型和外观控制节点等技术进行优化，构建出更加逼真、动感的虚拟实验场景，并可以通过BS contact浏览器进行全景浏览.

2.2 动画交互实现

利用X3D建立的三维仿真实体具有极强的真实感，而真实性的一个重要方法就是允许用户和三维对象进行直接交互[9].根据虚拟实验场景构建的多种不同造型，用户可以对其进行多种交互，这些动画交互主要由插补器节点、传感器节点和脚本节点来实现.在电机拖动虚拟仿真实验过程中，利用Script节点编写电源总开关旋钮的开关操作程序，如打开电源，只需用鼠标点击开关旋钮，旋钮自动转向开状态(图4)，若再次点击则转为关状态(图5)，其关键代码如下：

function kaishi()

{

cdks.whichChoice=-1;

}

function cam2(v)

{

if(v==false){

Camera002.set_bind=true;

cdkxg.whichChoice=0;

}}]]>

3 虚拟实验平台实践情况

依据“虚实结合、以实证虚”的原则，将构建的电机拖动虚拟仿真实验平台应用到实践教学中，进而有效地提升实验教学效果、提高人才培养质量、降低实验成本、实现资源共享.

图4 开关旋钮关状态

图5 开关旋钮开状态

1) 教学效果与实验效率提升 虚拟仿真实验平台具有理想化的模拟环境，解决了现实实验设备缺乏、实验室无法接受大批量学生参与和进行高电压实验的难题，而且在逼真的实验设备面前，学生通过课前反复的练习，不仅可以把课堂中的知识代入实验验证，也可以通过实验理解课堂中的重点难点，激发学生对本专业的兴趣和热情，有效地提升实验教学效果.图6为传统实验与虚拟实验在实验效率、实验耗费时间、实验准确率以及实验风险中的对比，结果表明学生的实验效率和准确率都有较大提升，实验平均耗费时间和实验风险也有效地降低，从而大幅度提高实验的教学质量.

通过使用电机拖动虚拟仿真平台教学，教师普遍表示学生实验原理、实验操作步骤的理解比传统实验更好，实验的误操作有所减少，完成数速度也更快，学生在这种灵活的实验环境下可以充分发挥主观能动性，激发学生主动掌握知识和不断复习的习惯，推动学生将理论知识付诸于实践.对200名使用该实验平台的学生进行问卷调查，如图7所示，大部分学生更加倾向于使用虚拟仿真平台进行实验.

图6 传统实验与虚拟实验教学效果对比

图7 学生问卷调查对比

2) 人才培养质量提高 在新工科背景下，我国急需大量的工科应用型人才，而传统实验教学只能按步骤依次操作，几乎不能进行创新，电机拖动虚拟仿真实验平台的建立解决了学生缺乏创新能力培养的问题.在虚拟实验教学中，学生可以根据自己的创新性思维开展实验，进而培养学生的综合设计和创新能力[10].近年来，学生积极参加各类科技创新比赛，曾获“互联网+”大学生创新创业大赛创意组省级一等奖、全国大学生数学建模竞赛国家级三等奖等，并积极将科研成果转化为学术论文，在期刊质量上不断提升，已由最初的EI会议逐步过渡为中文核心.图8为2013—2020年学生在参加科创比赛人数与发表学术论文数量两方面的趋势图，可以看出在2016年虚拟实验开展之后，两类指标逐年稳定增加.

同时，虚拟仿真实验打破空间时间的限制，学生可以对感兴趣的实验反复练习，增强自身的应用水平和实践能力，进而提升毕业生的社会认可度和就业率.从图9的就业率统计图可以看出，近些年我院毕业生就业率持续增加，并且随着虚拟实验教学的开设，就业率在原有基础上大幅度提升，且在2020年再创新高.

图8 学生科创及论文统计图

图9 毕业生就业率

3) 实验教学资源共享 虚拟仿真实验平台的构建不但实现了实验的网络化教学，而且有力地推动了实验教学资源的共享.电机拖动虚拟仿真实验平台建立了良好的资源共享机制，其他相关专业的实验教学都可以依托该平台开发与本专业相关的虚拟仿真环境，进而开展虚拟仿真实验.其次，该实验平台也可以推广到省内其他高校提供实验教学服务，与国内高校、科研院、企业在软件开发和系统构建等方面合作共享，在提升科研水平的同时为学生创造更加完善的实验环境.同时，社会上从事相关研究的人员和自学者也可以通过网络预约申请，管理员根据申请人数统一予以安排，进而服务社会.图10为2019—2020年电气专业学生、其他专业学生与校外人员对本平台的访问数据，由图可知，2020年平台访问总人数达878人次，比上一年增加了43.23%，且其他专业学生与校外人员所占比重已达到总人数的1/3，表明该平台辐射范围广、认可度高，为非电气学生提供了良好的学习资源.

图10 电机拖动虚拟仿真实验平台访问数据

4 结语

在新工科背景下，本着“虚实结合、以实证虚”的原则构建电机拖动虚拟仿真实验平台，为培养应用型电气专业人才提供了新思路.虚拟实验的开展对学生动手和创新能力的提升有着至关重要的帮助，有效地激发学生的学习兴趣，通过互联网的推广，使得我校电气专业更具有认可度.但值得注意的是，虚拟仿真实验只是一种新型实验形式，并不能取代传统实验，只有将二者有机结合、取长补短，才可以取得事半功倍的效果，为培养高质量工科应用型人才奠定扎实的基础.