虛擬仿真技術在機械裝調實訓教學中的應用研究

黃登紅

(長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124)

一、機械裝調實訓引入虛擬仿真技術的必要性

機械裝調實訓課程是高職機電類專業的核心課程，其主要教學目標是使學生熟悉典型機械部件組成結構、工作原理等基本知識，掌握機械部件安裝、調試及故障維修的基本技能，同時培養學生的規范操作意識、合作精神等。機械裝調實訓教學，傳統上多采用機械實物設備進行教學[1]。采用設備實物教學，教學情境與實際情況一致性高，但存在一定的局限性：(1)工位數量通常難以滿足需要。近年來，各職業院校在實驗實訓硬件建設方面的投入經費逐年有增加，但遠遠跟不上學校規模的發展。相當部分學校的實訓設備數量與學生實訓人數不匹配，特別是對于種類多、價格貴的機械裝調實訓設備，數量更是不足。實訓時，通常6-7個甚至更多的學生共用一套機械裝調實訓平臺，難以保證每個學生得到足夠的操作技能訓練。(2)機械設備更新換代成本高，導致許多職業院校存在實訓設備型號落后、跟不上企業技術發展步伐等問題。對于機床、汽車的機械部件拆裝實訓，設備更新換代就更不容易了。由于學校的機械裝調實訓設備屬過時淘汰設備，企業已不使用，學生通過實訓掌握的設備知識和操作技能到了企業基本就用不上。(3)存在安全隱患。許多機械部件結構復雜、質量笨重，在安裝調整實訓初期階段，學生還不熟悉和熟練，很容易造成人身意外傷害和設備損壞，安全風險大。

虛擬仿真技術是將多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息技術進行集成的技術，將該技術引入到機械裝調實訓教學有著諸多優點：(1)提供足夠的工位(每人一臺計算機即可)，保證每個學生都能得到充分訓練。(2)虛擬設備升級經濟快捷，可讓學生及時熟悉新型設備功能及操作。(3)節能、安全。仿真操作過程可以實現無油料消耗，避免設備和零部件的損壞，極大地降低操作消耗和環境污染[2]。仿真操作不會對操作對象造成實質性損害，更不會因操作失誤對學員造成人身危害。

因此，虛擬仿真技術在高職教育中開始得到廣泛的應用，仿真實訓成為實訓教學重要的組成部分和提高教學質量的重要手段[3]。國內陸續開發出一些可用于機械裝調的仿真教學軟件，如上海宇龍軟件有限公司開發的汽車仿真維修軟件、汽車廈門創壹軟件公司開發的數控機床虛擬實訓系統等，為機械裝調仿真實訓教學提供了技術支持[4]。

二、機械裝調實訓教學對仿真系統的功能要求

在機械裝調實訓中，教師需要展示機械部件結構、工作原理，講解和演示拆裝、調整的工藝和操作步驟，學生需要根據機械部件裝配圖，確定拆裝工藝，完成拆裝和調整等。因此，為便于機械裝調實訓教學，仿真系統需要具備如下功能：

1)機械部件結構展示

具備機械設備內部結構展示功能，即場景移動、縮放、旋轉；各典型部件結構展示；某些剖面圖的展示等。

在實際拆裝中，通常要閱讀裝配圖，根據裝配圖來確定拆裝工藝等，因此在仿真系統中，還需提供總裝圖、部件裝配圖等。使用者能根據需要隨時調出所需要部件的裝配圖進行查閱分析。

2)物體相關信息的展示

名稱、用途、基本工作原理、外形尺寸、材料、維護保養知識等文字信息，提供整機拆卸的工藝單、拆卸規范等。

3)交互式拆裝功能

能夠進行拆裝工具的選擇；自動拆裝(被選擇物體按預先設置的運動方式進行自動拆裝)；手動拖動(可通過預先設置的規則對物體的移動進行限制)；拆裝、調試過程實現撤銷、還原等操作；提供物體運動路徑、運動方式等約束規則的編輯功能；提供機械拆裝先后順序的規則設置；提供子物體組合功能的設置；提供拆裝提示功能設置。

4)方便觀摩的動畫功能

動畫演示功能要求方便觀摩，且符合實際情況。使用者在進行零部件拆卸、裝調的練習過程中，能夠隨時打開或中斷該項目的教學動畫演示，以便學習觀摩。仿真系統應能將拆裝、連接等操作過程記錄為動畫，實現過程回放、動畫參數設置(動畫幀數控制及單幀設置)等。零部件拆卸、裝調的動畫演示，在細節上應貼近實際工藝和流程，不應是簡單的拼裝動畫演示。

5)考核功能

能夠進行拆裝考核(包括工具選擇、拆裝方式、拆裝順序等)；能夠實現試卷、試題庫的編輯等管理功能。

6)具有開放性，便于用戶二次開發

為更好地滿足各學校的特定需求，仿真系統應該具有開放性，提供接口便于二次開發。系統管理員可根據需要增減實訓設備、實訓項目，對工藝路線進行編輯等。

三、機械裝調仿真實訓平臺的構建

職業院校需結合本校的實際情況，如專業人才培養規格、教學內容、教學載體等，選用或自主開發合適的仿真實訓平臺。對于市場上成熟的、符合本校教學要求的仿真軟件，可直接購買引進，如果通用的仿真軟件難以滿足學校的特定需求，可采取校本自主開發等方式構建仿真實訓平臺[5]。

雖然目前常見的相關機械裝調仿真軟件都能實現某種機械產品的機械結構、安裝過程等展示功能，但在教學載體選擇，以及調試工藝的展示、考核等方面還不能很好滿足我校需要，因此我校與上海宇龍軟件有限公司合作，共同開發了機械裝調仿真實訓教學平臺。

機械裝調仿真實訓教學平臺的模塊結構如圖1所示，主要分為用戶系統、教學系統、協作與交流系統和管理員系統等四個系統。

用戶系統包括“用戶登錄”和“修改信息”等，主要實現對用戶的管理。它將用戶分為三個類:教師、學生和管理員,不同級別的用戶所授權限不同。

教學系統分為教學、實訓、考核、資訊管理和考核維護等四個模塊。在該系統中，以數控機床的機械部件為教學載體，設置了數控機床主傳動機械部件的裝調、數控機床進給傳動機械部件的裝調、數控機床輔助裝置機械部件的裝調、數控機床整機調試等4個學習情境(可根據需要擴展)，如表1所示。每個學習情境均包含了若干個核心技能訓練項目任務，以及各項目任務的輔助教學文本、代表性的企業生產過程、課堂教學等視頻、考核題庫等資源。

圖1 機械裝調仿真實訓教學平臺的模塊結構

協作與交流系統包括“學習論壇”和“疑難解答”兩大模塊,可以解決網絡課堂中的雙向交流問題,支持課堂討論與實時答疑。

管理員系統主要為系統管理員所設計,系統管理員可以通過進入該系統后實現對整個系統的管理和維護。

該仿真實訓平臺注重裝配調試工藝的展示，突出裝配圖識別、裝調工藝制訂、調試和檢測等基本技能的養成訓練，注重將職業教育與國家職業標準相結合，并提供了用戶二次開發接口，具有良好的實用性和適應性，較好地滿足了我校機械裝調實訓的教學要求。

表1 仿真實訓平臺學習情境和項目任務設計

四、仿真技術應用于機械裝調實訓的教學設計

長沙航空職業技術學院在運用仿真技術進行機械裝調實訓教學實踐中，逐步探索出虛實結合的五步式教學模式，取得了較好的效果。

1)借助仿真系統講解機械結構、工作原理等。在項目訓練前，教師先講解設備結構、工作原理，一邊講理論，一邊通過計算機仿真軟件實時展示，使學生從枯燥的理論教學中解脫出來，給學生一個直觀的認識。

2)實訓操作步驟演示。教師重點講解機械部件的拆裝工藝、操作流程及注意事項，通過仿真系統演示機械部件拆裝的操作步驟。

3)學生模擬操作、教師巡回指導。學生利用仿真軟件進行機械部件拆裝操作仿真，教師巡回指導，及時掌握學生學習動態。

4)學生分組實物操作、教師巡回指導。學生經過模擬訓練對要做的工作胸有成竹后，再進行實操實訓，可減少錯誤，避免安全事故的發生。在實操實訓階段，采用分組討論、協作學習等形式設計教學，注重師生和生生之間情感互動，培養學生團隊合作和協同解決問題的能力。

5)教學點評。結合學生模擬操作及實際操作的過程與結果，給學生相應的教學評價，并重點進行點評，及時糾正不規范的操作或錯誤的操作。

在仿真實訓中，學生能夠人人參與、人人動手，對學習結構、原理和操作步驟起到事半功倍的效果；在實操實訓中，訓練學生應用知識和技能解決實際問題的能力，培養了學生的團隊合作意識。

五、應注意的問題

(一)合理構建機械裝調仿真實訓平臺

要進行充分調研，全面了解職業崗位的技能要求，提煉出相應的學習情境，依此規劃好仿真實訓平臺的開發內容，使實訓教學與企業崗位對接。構建仿真實訓平臺時，要深入了解學生的學習習慣和學習方式，并依此設計好虛擬平臺的交互方式和呈現方式。要采用模塊化、開放性系統制作思路，便于系統的二次開發。

(二)仿真實訓不能取代實操實訓

利用虛擬現實技術教學， 能夠激發學生學習興趣、提高教學效果，但它不能替代真實的動手實踐。機械部件安裝調試實訓涉及到各種典型機械零部件裝配和調整，用到的裝調工具種類、型號很多。仿真實訓中，學生雖然也能使用各種工具來進行機械零部件裝配和調整，但這些安裝和調整是程序化、理想化的，不像實際那樣會遇到各種情況，工具的使用也只是用電腦鼠標點擊就可以了。這種方式終歸不是真正動手實踐， 在一定程度上降低了技能訓練效果。在仿真實訓進行危險性操作時，不會造成損失，容易使學生養成不遵守操作規程的不良習慣。因此,仿真實訓與實操實訓要結合應用，優勢互補、相得益彰。

(三)加大培訓推廣和技術支持力度

仿真實訓教學系統的合理設計和有效使用，需要教師在教學理念和教學能力上都達到一定的水平。學校應加大培訓力度，積極開展虛擬仿真技術交流、應用與經驗推廣、成果展示等活動，提高教師虛擬仿真技術應用水平。要加大技術支持力度，虛擬仿真平臺開發技術較難，僅僅依賴教師是不夠的，要充分發揮校企合作資源優勢，讓開發制作主要工作由企業(如專業軟件開發公司)技術人員完成，學校專業教師將主要精力用于教學設計、腳本撰寫。這樣，既可以保證資源的質量，又有利于提高專業教師研發、使用虛擬仿真資源的積極性。

[1] 姜大源.當代德國職業教育主流教學思想研究[M].北京：清華大學出版社，2006,(9).

[2] 楊春明.采用模擬仿真教學提高學生實際操作能力的實踐[J].遼寧行政學院學報，2011，(1).

[3] 王金崗.虛擬現實技術在高職實踐教學中的應用研究[J].中國職業技術教育，2011，(23).

[4] 許愛軍，張文金.虛擬現實技術在職業教育中應用的現狀、問題及對策[J]．中國職業技術教育，2011，(8).

[5] 孫丕波，周利江.一種通用性虛擬教學平臺的研究[J]. 中國科技信息,2006,(4).