| 标题 | 基于unity3D的电工实训虚拟仿真系统的设计与研究 |
| 范文 | 李浩峰 马鑫 摘要：随着计算机技术的高速发展，虚拟现实仿真技术也逐渐成熟，并应用到电工技能教育领域，为实践性教学提供了新的模式和思路，成为培养应用性、技能型人材的重要方式。本文基于unity3d技术，设计开发出一个符合电工操作规则、与实践一致的实训教学平台。计算机交互技术与三维动画技术支撑，增强了学生动手学习兴趣，实时反馈学习情况，为教学提供了方便。降低教学过程中的耗材使用，打破传统实训的多种局限。 关键词：虚拟仿真unity3d电工实训 现如今，虚拟仿真教学平台在应用上还处于一个初始的阶段，虚拟仿真教学就是将我们所需要的和能做的东西放置在一个虚拟环境中，无疑减轻了很多学校或者独自学习人员的负担，不必在花大价钱去购买实验设备。在高等职业教育中采用仿真教学，不仅可以大量的节约教育成本，而且可以提高学生学习的效果和积极性。因此，仿真教学是应该大力提倡和推广的先进教学方式[1]。 1、平台设计目标 电工实训仿真教学系统是针对电工维修电工五级中工作台自由往返行程控制线路实验课程改进后的起艇机控制线路配套开发的可在PC端开展的虚拟仿真实训系统，模拟真实实验中用到的器材和设备，提供虚拟实训环境供用户操作。 通过运用虚拟仿真技术结合传统的电工教学内容，搭建数字化虚拟仿真实训平台使学生掌握维修电工专业的各项基本技能。平台共分为两个模块，模块一为电工维修仿真教学平台的教师端。模块二为学生实训操作端，共4个任务，分别为元器件与符号的匹配练习实验、起艇机控制线路连接、起艇机控制线路调试和起艇机控制线路排故。 2、Unity3D引擎技术 Unity3D是一个全面资源整合的专业游戏引擎，是如今绝大多数游戏开发团队的首选3D引擎，在2D上的表现也及为优秀。Unity最多可以支持超过十个主流平台发布，程度节省开发成本和时间，却又可以在多个平台获取收益。轻松开发，友好的可视化编辑界面功能强大，编写方便，极易上手。Unity引擎简单易用，几乎集成了游戏开发的所有功能，更有AssetStore提供开发所需的所有资源[2]。 3、系统总体结构 电工实训仿真教学系统主要结构分为两个部分：学生端和教师端，学生端为仿真实验部分，根据仿真平台的系统结构设计分析，需要明确仿真系统的层级关系，UI框架中主界面的展示与链接场景分布，基于Unity3D的电工维修仿真教学平台主要包括了四个实验以及收集数据并存储;教师端查看学生的成绩，对成绩及错误情况进行统计分析。 （1） 系统界面设计 UI即用户界面（UserInterface），通常来说就是人机交互以及操作的逻辑和一定程度的界面美观程度的设计。一个好的UI能够让人耳目一新并且让使用者在进行操作时变得舒适和自由。在unity引擎中目前拥有3种UI的制作机制：GUI，UGUI和NGUI。 界面UI设计旨在发挥虚拟视觉（抽象视觉符号）呈现的作用，以人性化为设计宗旨，促成人机稳定沟通的平衡[3]。电工实训仿真教学系统中UI分为背景边框、拥有交互功能的按钮和文字图像提示框三大类。 背景边框主要功能是提高系统平台的美感，设计中主要以蓝色为基调，体现出与电工相应的科技感，简约既美观。系统平台中登录首页界面和教师端用户界面主要用背景边框UI搭建，学生端采用三维模型和少量的边框UI界面作为背景。 （2） 身份验证 传统的登录界面大致相同，输入账号及密码，选择不同登录模式，分别进入两个用户端，完成不同的操作。 （3） 元器件符号识别 元器件与符号的匹配练习实验是学生端第一个实验，设定一块没有元器件的板子，同时在界面内的板子上有不同的元器件原理图符号。根据原理图将元器件图标用鼠标拖拽至空板上原理图符号的位置，松开鼠标该位置出现与元器件图标一致的元器件模型，元器件可被覆盖、可重复、相互独立。成绩提交后，系统平台判断并记录该学生实验一的成绩，教师端可以查看，且进入下一个练习实验。 （4） 线路链接训练 接线过程中，真实电工实验为了接线方便，事先将元器件中的导线引出来接在接线排上，学生只需将导线两端接在对应接线排螺丝上。在电工实训仿真教學系统中接线环节，也参照此方式。电工实训仿真教学系统会记录每次接线情况。成绩提交后，系统平台判断并记录该学生实验二的成绩，教师端可以查看，且进入下一个练习实验。《起艇机控制线路》课题中共需要连接33根导线，在仿真实验设置56个可交互的螺丝端。 （5） 调试逻辑设计 调试实验是学生端第三个实验，实验二提交后进入。该实验可互动的元器件有：自动开关QS、按钮盒SB、行程开关SQ;有相应实验现象有：指示灯XD、交流接触起KM、三相笼型异步电动机M。调试过程中，根据按钮情况，出现不同的实验现象，实验显现的表现方式有两个，一个是物体表现，另一个是文字表现。 （6） 排故逻辑设计 排故实验会用到万用表对故障进行排查，断电情况下，点击选中万用表表棒，移动至待测螺丝点后点击确定，表示对该螺丝点进行测量，为了测量方便，以及符合电工基本常识，在测量线路故障时万用表档位自动旋转至蜂鸣档，在测量元器件故障时万用表档位自动旋转至*100欧姆档。 （7） 数据存储及教师端功能设计 电工实训仿真教学系统在实验一和实验二设置了成绩分数系统，实验一中获取学生匹配正确的数量和错误情况，实验二获取连接次数和连接正确的数量以及错误情况。提交该实验后系统对实验结果进行判断，获取相应数据并储存进本地数据库中。教师端可以提取数据库中相应学生的数据，并分析查看学生实验情况。 （8） 资源制作 平台资源主要分为2D类资源和3D类资源，2D资源在实现中多数采用PS技术进行制作，3D类资源则使用3Dmax建模技术实现。 4、平台的测试发布 在制作开发中都需要进行不断的测试，才能发现问题的所在，并且在修复完所有的问题及BUG后才能完善一个设计。 当所有的设计都完成后需要的就是将该客户端打包发布至Windows。在进行发布之前需要进行发布设置，打开Unity3D的Fire菜单后打开BuildSetting将我们需要发布的场景添加至需要发布的界面。 5、系统特点 电工实训仿真教学系统可在PC上开展的三维虚拟仿真操作及信息数据收集与分析;提供与真实情况相似的环境，电工元器件件具有3D效果，能实现多角度观看，能实现实训操作;采用UNITY3D和C#语言开发且流畅运行在Windows操作系统上;画面逼真，色彩、形状、声音、位置等高度符合实物的特征;界面友好，交互设计性合理，操作简单;操作时能提供鼠标键盘按键功能，控制镜头视角、控制查看信息以及对虚拟场景物体进行互动;教师可通过平台能即时查看到学生相关信息成绩，并对成绩做出分析;操作过程中可通过视频、图形、文字等形式为用户提供最直观的展示;内容符合操作要求，无科学性错误。 6、结语 将仿真技术运用于设备资源需求高、实践操作性要求高的电工教学领域，使之既节约了教学经费，又很好地解决了教学过程中所遇到的困难，提高了学生学习兴趣，增强了老师的教学质量，既有助于学生对抽象理论的理解，更有助于学生应用技能的培养[4] 运用3Dmax、PS等软件对电工实验涉及到的元器件进行三维建模和材质贴图，不断的调整材质以及表现效果，突出物体场景的真实性，其次就是设计制作用户界面的UI。中期运用Unity3D游戏引擎技术和C#语言来搭建仿真实验的交互内容该平台系统框架稳定，响应时间快，具有操作演示交互功能，以第一视角呈现给操作者，使其拥有沉浸式的体验。平台中实验内容符合学術要求，无科学性错误。3D场景画面逼真，色彩、形状、声音、位置等高度符合实物的特征。界面设计友好且美观，操作简单，以致于达到和实现中相同的学习效果。 参考文献： [1] 董海东.仿真教学在高职模具专业塑压设备实训中的应用[J].模具制造，2013. [2] 杨抗.增强现实的智能电站户外沉浸式随动巡检系统设计与实现[D].郑州大学，2018. [3] 王佳.UI设计理念的接受美学阐释——以扁平化设计风格为例[D].浙江工业大学，2015. [4] 郭素娜，朱清智，胡应占.维修电工仿真教学研究[J].商丘职业技术学院学报，2010. |
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