基于 VR 虚拟技术教学技能训练模式研究—— 以《电机与拖动控制》课程为例
日期: 2024/8/24 浏览: 1 来源: 学海网收集整理 作者: 亓冠华 刘冰琪
（泰山科技学院 山东泰安 271000）
摘要
随着科技的发展，虚拟现实（VR）技术在教育领域的应用逐渐增多。VR技术以其沉浸式体验和交互性特点，为教学模式的创新提供了新的可能性。本文以《电机与拖动控制》课程为例，探讨了基于VR虚拟技术的教学技能训练模式，旨在提高学生的学习兴趣和实践操作能力，同时优化教学效果。
关键词
虚拟现实技术；教学技能训练；电机与拖动控制；教学模式创新
1. 引言
《电机与拖动控制》作为电气工程及其自动化专业的一门重要课程，其理论性强，实践操作要求高。在传统教学模式下，采用实验室XX设备教学，授课老师利用案例进行理论讲解，实验操作演示的方法带领学生学习。
在传统教学中，《电机与拖动控制》的实验环节存在的难点，主要包括以下几个方面：(1)实验安全风险: 电机实验涉及380V交流电，存在安全风险，学生在进行实验时，如果操作不当，可能会造成设备损坏或者人身安全事故。(2):实验操作复杂:电机与拖动控制的实验涉及到电机的启动、停止、调速、制动等多个环节。实验难度较大。(3)实验资源有限:一个实验室内可供学生使用的电机和控制设备数量有限，而学生人数较多时，每个学生实际操作的机会就会减少。这种情况限制了学生实践能力的培养。图1为实验室电机及自动控制实验装置，图为某个实验的接线图。
为了克服以上传统教学的难点[1]，本文基于学校虚拟实验室中的xx设备，以《电机与拖动控制》课程为例，积极探索基于 VR 虚拟技术的应用，以提高实验教学的效率和质量，更好地培养学生的实践能力和创新思维。
图1 电机及自动控制实验装置
2. 基于VR技术的《电机与拖动控制》课程教学模式
2.1 课程内容与VR技术的结合
在《电机与拖动控制》理论教学过程中，涉及到直流电动机、发电机，变压器，交流同步电机、异步电机的结构以及工作原理讲解。引入VR虚拟课堂后，在讲解直流电动机和直流发电机的理论知识时，教师先在课堂上进行传统教学，介绍电机的基本概念、结构组成、工作原理等。随后，通过VR技术，学生可以进入虚拟实验室，亲身体验电机的内部结构和工作过程。可以实现学生与实际电机模型的交互。在VR环境中，学生可以观察到电动机的详细结构。通过交互式操作，学生可以了解每个部件的功能和作用。例如，教师可以引导学生观察当电流通过电动机时，如何产生磁场，以及磁场如何驱动转子旋转。同样地，学生可以在VR环境中探索发电机的结构，理解其能量转换过程。通过模拟发电机的启动和运行，学生可以直观地看到机械能如何转换为电能，以及发电机的输出电压和电流如何随着负载的变化而变化。以上实验探索，包含了《电机与拖动控制》大纲中关于直流和交流电机的关于电机结构、工作原理以及能量传输部分的教学内容，将抽象的内容具象化，进一步提高学生的学习兴趣。其中，图2为虚拟仿真软件中，关于异步电动机的结构及工作原理学习界面。
图2 异步电动机虚拟仿真界面
在《电机与拖动控制》课程直流电机的拖动控制和交流电机的拖动控制涉及到电机的机械特性以及电机的启动、调速和制动等内容。在传统课堂教学过程中，教师通过板书进行授课，课堂枯燥，知识内容难以理解。基于VR虚拟教学，学生可以通过VR技术进行拖动控制的实验。在虚拟环境中，学生可以模拟不同的负载条件，如改变连接到电动机的电阻或者模拟不同的机械负载，观察电动机的电流、电压和转速等参数的变化。在VR实验中，学生可以调整电动机的供电电压、改变电枢电阻等参数，研究这些参数对电动机性能的影响。例如，学生可以记录不同参数下电动机的输出功率和效率，分析电动机的运行特性，如启动特性、转速调节特性等。
通过VR技术收集到的数据，学生可以在课堂上进行深入的分析和讨论。教师可以指导学生将虚拟实验的结果与理论知识进行对比，验证理论公式和概念。这种实践活动不仅加深了学生对直流电机工作原理的理解，而且提高了他们的分析和解决问题的能力[2]。
通过上述步骤，基于VR技术的《电机与拖动控制》课程教学模式能够有效地将理论知识与实践操作相结合，提高学生的学习兴趣和实践操作能力，同时优化教学效果。
2.2 教学实施步骤
一. 课前准备
1、教师准备VR教学资源：教师需要根据课程内容准备相应的VR教学资源，包括电机的三维模型、工作原理动画、操作流程模拟程序等。同时，教师还应确保VR设备的正常运行。
2、学生预习课程内容：在正式的VR体验之前，学生需要通过课本、网络资源或其他教学材料对即将学习的内容进行预习。
二 沉浸式体验
1、学生通过VR设备体验电机工作原理：在教师的指导下，学生佩戴VR头盔，进入虚拟实验室，观察电机的内部结构，通过交互式操作了解电机的工作原理。例如，学生可以观察电流如何通过电机产生磁场，以及磁场如何驱动转子旋转。
2、体验电机操作流程：学生可以在虚拟环境中模拟电机的启动、加速、减速和停止等操作流程，直观地感受电机的运行状态和控制过程。
三、 实践操作练习
1、模拟电机操作：在VR环境中，学生可以进行电机的启动、调速、制动等操作练习，加深对电机控制方法的理解。
2、故障排除：教师可以设置一些常见的电机故障情景，让学生在虚拟环境中进行故障诊断和排除，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。
四. 讨论与反馈
1、组织学生讨论：在VR体验结束后，教师组织学生进行小组讨论，分享各自的体验和学习心得，相互解答疑难问题。
2、收集反馈：教师通过问卷调查、口头反馈等方式收集学生对VR教学的意见和建议，了解学生在学习过程中遇到的问题和困惑。
3、调整教学策略：根据学生的反馈，教师及时调整教学内容和方法，优化VR教学资源，以更好地满足学生的学习需求和提高教学效果[3]。
3. 总结
基于VR虚拟技术的教学技能训练模式为《电机与拖动控制》课程提供了一种新的教学方法。通过沉浸式体验和实践操作，能够有效提高学生的学习兴趣和实践技能，无限重复的实验操作次数，进一步降低了实验成本和风险。通过灵活的设计实验，有助于学生更好地理解复杂的概念和理论。未来，随着VR技术的进一步发展，其在教学中的应用将更加广泛和深入。
参考文献
[1]李哲;李岩;王天威.《VR技术在数字教育中的应用》[M].清华大学出版社,2023.
[2]常馨予.基于虚拟现实技术的师范生教学技能训练活动设计与效果研究[D]华东师范大学.
[3] 毛耀忠;刘旭东;宋晓琴.沉浸式虚拟现实对学生学习绩效的影响——基于54项实验和准实验研究的元分析[J].现代远程教育研究,2023(01).
项目号：泰山科技学院教育教学改革项目重点项目2023zd010; 泰山科技学院教育教学改革项目一般项目2023yb028。
