基于unity3D的電工實訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與研究

1、    基于unity3d的電工實訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與研究    李浩峰 馬鑫摘要：隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)也逐漸成熟，并應(yīng)用到電工技能教育領(lǐng)域，為實踐性教學(xué)提供了新的模式和思路，成為培養(yǎng)應(yīng)用性、技能型人材的重要方式。本文基于unity3d技術(shù)，設(shè)計開發(fā)出一個符合電工操作規(guī)則、與實踐一致的實訓(xùn)教學(xué)平臺。計算機交互技術(shù)與三維動畫技術(shù)支撐，增強了學(xué)生動手學(xué)習(xí)興趣，實時反饋學(xué)習(xí)情況，為教學(xué)提供了方便。降低教學(xué)過程中的耗材使用，打破傳統(tǒng)實訓(xùn)的多種局限。關(guān)鍵詞：虛擬仿真unity3d電工實訓(xùn)現(xiàn)如今，虛擬仿真教學(xué)平臺在應(yīng)用上還處于一個初始的階段，

2、虛擬仿真教學(xué)就是將我們所需要的和能做的東西放置在一個虛擬環(huán)境中，無疑減輕了很多學(xué)校或者獨自學(xué)習(xí)人員的負擔(dān)，不必在花大價錢去購買實驗設(shè)備。在高等職業(yè)教育中采用仿真教學(xué)，不僅可以大量的節(jié)約教育成本，而且可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和積極性。因此，仿真教學(xué)是應(yīng)該大力提倡和推廣的先進教學(xué)方式1。1、平臺設(shè)計目標(biāo)電工實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)是針對電工維修電工五級中工作臺自由往返行程控制線路實驗課程改進后的起艇機控制線路配套開發(fā)的可在pc端開展的虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，模擬真實實驗中用到的器材和設(shè)備，提供虛擬實訓(xùn)環(huán)境供用戶操作。通過運用虛擬仿真技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的電工教學(xué)內(nèi)容，搭建數(shù)字化虛擬仿真實訓(xùn)平臺使學(xué)生掌握維修電工專業(yè)的各項

3、基本技能。平臺共分為兩個模塊，模塊一為電工維修仿真教學(xué)平臺的教師端。模塊二為學(xué)生實訓(xùn)操作端，共4個任務(wù)，分別為元器件與符號的匹配練習(xí)實驗、起艇機控制線路連接、起艇機控制線路調(diào)試和起艇機控制線路排故。2、unity3d引擎技術(shù)unity3d是一個全面資源整合的專業(yè)游戲引擎，是如今絕大多數(shù)游戲開發(fā)團隊的首選3d引擎，在2d上的表現(xiàn)也及為優(yōu)秀。unity最多可以支持超過十個主流平臺發(fā)布，程度節(jié)省開發(fā)成本和時間，卻又可以在多個平臺獲取收益。輕松開發(fā)，友好的可視化編輯界面功能強大，編寫方便，極易上手。unity引擎簡單易用，幾乎集成了游戲開發(fā)的所有功能，更有assetstore提供開發(fā)所需的所有資源2。

4、3、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)電工實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為兩個部分：學(xué)生端和教師端，學(xué)生端為仿真實驗部分，根據(jù)仿真平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，需要明確仿真系統(tǒng)的層級關(guān)系，ui框架中主界面的展示與鏈接場景分布，基于unity3d的電工維修仿真教學(xué)平臺主要包括了四個實驗以及收集數(shù)據(jù)并存儲;教師端查看學(xué)生的成績，對成績及錯誤情況進行統(tǒng)計分析。（1） 系統(tǒng)界面設(shè)計ui即用戶界面（userinterface），通常來說就是人機交互以及操作的邏輯和一定程度的界面美觀程度的設(shè)計。一個好的ui能夠讓人耳目一新并且讓使用者在進行操作時變得舒適和自由。在unity引擎中目前擁有3種ui的制作機制：gui，ugui和ngui。界

5、面ui設(shè)計旨在發(fā)揮虛擬視覺（抽象視覺符號）呈現(xiàn)的作用，以人性化為設(shè)計宗旨，促成人機穩(wěn)定溝通的平衡3。電工實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)中ui分為背景邊框、擁有交互功能的按鈕和文字圖像提示框三大類。背景邊框主要功能是提高系統(tǒng)平臺的美感，設(shè)計中主要以藍色為基調(diào)，體現(xiàn)出與電工相應(yīng)的科技感，簡約既美觀。系統(tǒng)平臺中登錄首頁界面和教師端用戶界面主要用背景邊框ui搭建，學(xué)生端采用三維模型和少量的邊框ui界面作為背景。（2） 身份驗證傳統(tǒng)的登錄界面大致相同，輸入賬號及密碼，選擇不同登錄模式，分別進入兩個用戶端，完成不同的操作。（3） 元器件符號識別元器件與符號的匹配練習(xí)實驗是學(xué)生端第一個實驗，設(shè)定一塊沒有元器件的板子，同時

6、在界面內(nèi)的板子上有不同的元器件原理圖符號。根據(jù)原理圖將元器件圖標(biāo)用鼠標(biāo)拖拽至空板上原理圖符號的位置，松開鼠標(biāo)該位置出現(xiàn)與元器件圖標(biāo)一致的元器件模型，元器件可被覆蓋、可重復(fù)、相互獨立。成績提交后，系統(tǒng)平臺判斷并記錄該學(xué)生實驗一的成績，教師端可以查看，且進入下一個練習(xí)實驗。（4） 線路鏈接訓(xùn)練接線過程中，真實電工實驗為了接線方便，事先將元器件中的導(dǎo)線引出來接在接線排上，學(xué)生只需將導(dǎo)線兩端接在對應(yīng)接線排螺絲上。在電工實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)中接線環(huán)節(jié)，也參照此方式。電工實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)會記錄每次接線情況。成績提交后，系統(tǒng)平臺判斷并記錄該學(xué)生實驗二的成績，教師端可以查看，且進入下一個練習(xí)實驗。起艇機控制線路課

7、題中共需要連接33根導(dǎo)線，在仿真實驗設(shè)置56個可交互的螺絲端。（5） 調(diào)試邏輯設(shè)計調(diào)試實驗是學(xué)生端第三個實驗，實驗二提交后進入。該實驗可互動的元器件有：自動開關(guān)qs、按鈕盒sb、行程開關(guān)sq;有相應(yīng)實驗現(xiàn)象有：指示燈xd、交流接觸起km、三相籠型異步電動機m。調(diào)試過程中，根據(jù)按鈕情況，出現(xiàn)不同的實驗現(xiàn)象，實驗顯現(xiàn)的表現(xiàn)方式有兩個，一個是物體表現(xiàn)，另一個是文字表現(xiàn)。（6） 排故邏輯設(shè)計排故實驗會用到萬用表對故障進行排查，斷電情況下，點擊選中萬用表表棒，移動至待測螺絲點后點擊確定，表示對該螺絲點進行測量，為了測量方便，以及符合電工基本常識，在測量線路故障時萬用表檔位自動旋轉(zhuǎn)至蜂鳴檔，在測量元器件故

8、障時萬用表檔位自動旋轉(zhuǎn)至*100歐姆檔。（7） 數(shù)據(jù)存儲及教師端功能設(shè)計電工實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)在實驗一和實驗二設(shè)置了成績分數(shù)系統(tǒng)，實驗一中獲取學(xué)生匹配正確的數(shù)量和錯誤情況，實驗二獲取連接次數(shù)和連接正確的數(shù)量以及錯誤情況。提交該實驗后系統(tǒng)對實驗結(jié)果進行判斷，獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)并儲存進本地數(shù)據(jù)庫中。教師端可以提取數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)學(xué)生的數(shù)據(jù)，并分析查看學(xué)生實驗情況。（8） 資源制作平臺資源主要分為2d類資源和3d類資源，2d資源在實現(xiàn)中多數(shù)采用ps技術(shù)進行制作，3d類資源則使用3dmax建模技術(shù)實現(xiàn)。4、平臺的測試發(fā)布在制作開發(fā)中都需要進行不斷的測試，才能發(fā)現(xiàn)問題的所在，并且在修復(fù)完所有的問題及bug后才能完善

9、一個設(shè)計。當(dāng)所有的設(shè)計都完成后需要的就是將該客戶端打包發(fā)布至windows。在進行發(fā)布之前需要進行發(fā)布設(shè)置，打開unity3d的fire菜單后打開buildsetting將我們需要發(fā)布的場景添加至需要發(fā)布的界面。5、系統(tǒng)特點電工實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)可在pc上開展的三維虛擬仿真操作及信息數(shù)據(jù)收集與分析;提供與真實情況相似的環(huán)境，電工元器件件具有3d效果，能實現(xiàn)多角度觀看，能實現(xiàn)實訓(xùn)操作;采用unity3d和c#語言開發(fā)且流暢運行在windows操作系統(tǒng)上;畫面逼真，色彩、形狀、聲音、位置等高度符合實物的特征;界面友好，交互設(shè)計性合理，操作簡單;操作時能提供鼠標(biāo)鍵盤按鍵功能，控制鏡頭視角、控制查看信息

10、以及對虛擬場景物體進行互動;教師可通過平臺能即時查看到學(xué)生相關(guān)信息成績，并對成績做出分析;操作過程中可通過視頻、圖形、文字等形式為用戶提供最直觀的展示;內(nèi)容符合操作要求，無科學(xué)性錯誤。6、結(jié)語將仿真技術(shù)運用于設(shè)備資源需求高、實踐操作性要求高的電工教學(xué)領(lǐng)域，使之既節(jié)約了教學(xué)經(jīng)費，又很好地解決了教學(xué)過程中所遇到的困難，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強了老師的教學(xué)質(zhì)量，既有助于學(xué)生對抽象理論的理解，更有助于學(xué)生應(yīng)用技能的培養(yǎng)4運用3dmax、ps等軟件對電工實驗涉及到的元器件進行三維建模和材質(zhì)貼圖，不斷的調(diào)整材質(zhì)以及表現(xiàn)效果，突出物體場景的真實性，其次就是設(shè)計制作用戶界面的ui。中期運用unity3d游戲引擎技術(shù)和c#語言來搭建仿真實驗的交互內(nèi)容該平臺系統(tǒng)框架穩(wěn)定，響應(yīng)時間快，具有操作演示交互功能，以第一視角呈現(xiàn)給操作者，使其擁有沉浸式的體驗。平臺中實驗內(nèi)容符合學(xué)術(shù)要求，無科學(xué)性錯誤。3d場景畫面逼真，色彩、形狀、聲音、位置等高度符合實物的特征。界面設(shè)計友好且美觀，操作簡單，以致于達到和實現(xiàn)中相同的學(xué)習(xí)效果。參考文獻：1 董海東.仿真教學(xué)在