虛擬實踐教學(xué)軟件的開發(fā)實踐與人才培養(yǎng)

高彩茹 丁樺 張福波 崔辰碩 陳宇軒

摘 要 本文介紹了虛擬實踐教學(xué)軟件制作過程及挖掘本科學(xué)生潛力，提高學(xué)生技能的教學(xué)探索實踐，總結(jié)了軟件開發(fā)過程中積累的校企合作的成功經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞 虛擬實踐 教學(xué)軟件 開發(fā) 人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.05.026

Development Practice of Virtual Practice Teaching

Software and Personnel Training

GAO Cairu[1]， DING Hua[2]， ZHANG Fubo[1]， CUI Chenshuo[1]， CHEN Yuxuan[1]

（[1] The State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819；

[2] School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

Abstract This paper introduces the production process of virtual practice teaching software and the potential of undergraduate students， and the teaching exploration practice of improving the students' skills， and summarizes the successful experience of the accumulation of enterprise cooperation in the process of software development.

Key words virtual practice； teaching software； development； personnel training

材料科學(xué)與工程學(xué)科是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，是與實際生產(chǎn)和應(yīng)用緊密結(jié)合的科學(xué)理論和工程技術(shù)學(xué)科，其中的材料成形類專業(yè)更是來源于實踐，服務(wù)于實踐。這些特點決定了材料成形類專業(yè)的教學(xué)必須具有足夠多的實踐課程，才能培養(yǎng)出適應(yīng)社會發(fā)展、能為社會做出更多貢獻的合格人才。

教育管理者和教育界人士很早就認(rèn)識到實踐教學(xué)的重要性，也積極采取各種方法加強各學(xué)科的實踐教學(xué)，但總體看來，相比理論教學(xué)，實踐教學(xué)的覆蓋范圍、教學(xué)強度、教學(xué)水平等還很欠缺。由于實踐課程需要大量的資源配置，實踐課程往往簡單地以參觀工廠和車間的形式完成。雖然對工廠和車間的參觀可以給學(xué)生以直觀的概念，但僅以此作為實踐教學(xué)則遠(yuǎn)不夠。目前普遍實行的實踐教學(xué)有很多不足之處：

（1）對實踐教學(xué)的重視程度還不夠。長期以來，高校實踐教學(xué)被認(rèn)為是理論教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，是以加深和幫助理解課堂教學(xué)內(nèi)容為目的。實踐教學(xué)內(nèi)容以驗證性實驗為主，內(nèi)容和進度基本上依附于課堂教學(xué)，無法充分發(fā)揮實踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生中的重要作用。

（2）實踐內(nèi)容缺乏創(chuàng)新。由于實踐教學(xué)本身得不到重視，實踐教師和工作人員很少有機會走出去學(xué)習(xí)、交流和深造，只能年復(fù)一年地重復(fù)過去的實驗，很難在設(shè)計性實驗和綜合性實驗方面下功夫，直接影響了實踐教學(xué)在整個教學(xué)中所發(fā)揮的作用，無法保障人才培養(yǎng)工作的質(zhì)量。

（3）實踐教學(xué)設(shè)備需求量大。隨著我國高等教育的普及，各個高校都在擴招。在校學(xué)生數(shù)量的急劇膨脹，需要更多的實驗設(shè)備，且需要更多的空間安置實驗設(shè)備。對于材料成形類專業(yè)實踐教學(xué)中使用的設(shè)備，很多是重型設(shè)備，這些設(shè)備價值高、占地空間大、用電等輔助配置要求高，學(xué)校不可能大批量購置，如何解決設(shè)備少、學(xué)生多的矛盾，是進行實踐教學(xué)不可回避的難題。

（4）實踐教學(xué)的創(chuàng)新性功能未得到開發(fā)。實踐是產(chǎn)生科學(xué)知識的直接來源，如何合理利用實踐教學(xué)環(huán)境，促進學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動思考問題并解決問題，進而設(shè)計新的實驗，達到在學(xué)習(xí)的過程中創(chuàng)新，在創(chuàng)新的過程中學(xué)習(xí)，還遠(yuǎn)未得到重視。

（5）部分實驗具有一定危險性和復(fù)雜性，不適合學(xué)生在沒有經(jīng)驗的情況下操作。如熱軋過程、熱擠壓過程等，都屬于高溫作業(yè)，必須具有相關(guān)的操作經(jīng)驗和資質(zhì)，否則很容易造成人身和設(shè)備事故。這就導(dǎo)致現(xiàn)行的實驗過程中，學(xué)生只能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地觀看而無法參與操作，無法達到實踐教學(xué)的最好效果。

以上不足和缺憾是長期存在的，不可能在短缺內(nèi)得到改善，要想提高實踐教學(xué)水平，只有另辟蹊徑，其中利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立網(wǎng)上虛擬實驗設(shè)備及虛擬實驗室，是解決這些問題的有效方法。

虛擬實踐教學(xué)系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)實踐教學(xué)中的種種不足，且較傳統(tǒng)實踐教學(xué)來說，花費少，可持續(xù)發(fā)展性好，是傳統(tǒng)實踐教學(xué)的補充和提高。材料成形類專業(yè)實踐教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)項目，依托遼寧省教改項目“材料成形類專業(yè)互動式實踐教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用”而進行。而“互動式軋機裝配軟件的開發(fā)”是本項目的組成部分。

1 軋機拆裝軟件設(shè)想的提出

基于材料成型專業(yè)材料成形機械設(shè)備教學(xué)需求及實踐教學(xué)的需求，結(jié)合對虛擬技術(shù)的理解，提出了開發(fā)一款交互式軋機拆裝軟件的構(gòu)想。學(xué)生利用交互式軟件可以在電腦上通過鼠標(biāo)的點擊模擬軋機的裝配過程，加深對軋機結(jié)構(gòu)的理解。

2 開發(fā)過程

開發(fā)軟件的流程如下：可行性研究→軟件需求的調(diào)研→組建軟件制作團隊→制作軟件的3DMAX軟件的培訓(xùn)→尋找軋機CAD圖紙→圖紙分析→建模→零件知識庫的建立→安裝腳本制作→軟件界面（UI）設(shè)計→編程→軟件測試→功能完善。

（1）軟件制作的的技術(shù)可行性。通過向軟件開發(fā)專業(yè)單位咨詢及探討，確認(rèn)了軟件制作的技術(shù)可行性。

（2）軟件需求的市場調(diào)研。通過在學(xué)生群體中的調(diào)研，確認(rèn)開發(fā)軟件應(yīng)用前景及使用覆蓋面。開發(fā)出的軟件可以提供給材料成型專業(yè)老師教學(xué)演示使用；材料成型專業(yè)學(xué)生將其作為實踐環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的學(xué)習(xí)軟件；軋鋼企業(yè)將其作為培訓(xùn)職工的工具；幫助不了解軋機的其他專業(yè)人士了解軋機結(jié)構(gòu)及各個部件的作用。

（3）招募學(xué)生組建軟件制作團隊。委托軟件開發(fā)企業(yè)完成整套軟件開發(fā)費用較高，教改項目的經(jīng)費不足以支付全部開發(fā)費用，而軟件開發(fā)企業(yè)人員又不具備材料成形設(shè)備專業(yè)知識，單獨開發(fā)存在困難。通過與企業(yè)研究，我們決定嘗試校企共同開發(fā)的模式。招募本科生參與軟件開發(fā)的部分工作。這樣可以將軟件開發(fā)與學(xué)生技能培養(yǎng)相結(jié)合，學(xué)生在掌握本專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識參與制作模型等工作，既挖掘的學(xué)生的潛力，提高了學(xué)生的技能，又在有限資金的情況下，完成開發(fā)工作，縮短開發(fā)周期。團隊招募的具體做法是：以學(xué)過專業(yè)課的大四本科生為主體，以大三學(xué)生為輔，兼招少數(shù)機械專業(yè)學(xué)生，讓本專業(yè)學(xué)生與機械專業(yè)學(xué)生優(yōu)勢互補。大三學(xué)生的招募是為了形成梯隊，保證今后軟件制作團隊開展工作的連續(xù)性。

考慮學(xué)生考研、就業(yè)及出國深造的各種不同情況，在保證3～4人的相對穩(wěn)定的核心團隊情況下確定團隊成員動態(tài)加入，動態(tài)退出機制。在這樣的指導(dǎo)思想下，通過在大三、大四本專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生中的廣泛宣傳和發(fā)動，迅速招募了十幾名制作成員，組建了虛擬軋機拆裝軟件制作團隊。

（4）團隊成員高效率培訓(xùn)。制作團隊組建后，聘請軟件公司人員利用業(yè)余時間對學(xué)生進行3DMAX等軟件的培訓(xùn)，并提供給學(xué)生相應(yīng)的軟件學(xué)習(xí)參考書及工具。學(xué)生在較短的時間內(nèi)就掌握了軟件使用方法。

（5）CAD圖紙分析。專業(yè)教師為學(xué)生找來軋機的CAD圖紙，指導(dǎo)學(xué)生明確圖紙中圖與實物的對應(yīng)關(guān)系，并帶學(xué)生去現(xiàn)場觀察軋機實物，以建立對零部件的空間形象想象。

（6）建模。由于拆裝零件的需要，經(jīng)過慎密的對比及思考，決定應(yīng)用3DMAX建模。建模學(xué)生根據(jù)對圖紙理解及對空間圖的想象，利用3Dmax對每一個零件進行建模。

圖1為輥系中兩個零件的圖紙及建立的相應(yīng)的模型。整個軋機包括零件有1700多個，需要單獨建立模型的就多達200多個。利用一個假期學(xué)生完成了全部零件的建模。

（7）零件知識庫的建立。為了方便使用者使用軟件拆裝零件時對零件的了解，還嵌入了零件知識庫。使用者在拾取零件時，點擊時就可以鏈接到知識庫。屏幕上就出現(xiàn)此零部件的名稱、作用及應(yīng)該安裝的位置，這樣就方便了使用者的理解。知識庫的建立雖然增加了軟件制作成員的工作量，但是其在為使用者提供方便的同時，也讓開發(fā)軟件的學(xué)生加深了對于設(shè)備中零件的了解。表1為部分零件知識庫。

（8）腳本的制作。在軋機的安裝過程中，需要知道安裝的順序，這就需要一個安裝的腳本。軟件制作成員對腳本進行了制作。確定了以下腳本制作的原則：①在軋機裝配過程中遵照零件→組件→部件的原則，先單獨裝配機架、輥系、傳動裝置、減速箱、齒輪箱和驅(qū)動裝置，再組裝到一起。②在寫腳本過程中，遵循“由內(nèi)向外，由下往上”的順序自己裝配部件。圖2為軋輥安裝腳本順序圖。

按安裝腳本安裝軋輥最終效果，圖3。

圖3

為方便后期更加直觀地了解軋機的裝配順序，制作時還通過對部件進行炸開處理，并對各個零件賦予不同顏色的材質(zhì)，方便使用者清晰觀看，見圖4。

圖4

對工作機座主要的部件組裝完成后，再對傳動裝置、主電機、減速箱等部件進行組裝，最后組裝成軋機，見圖5。

圖5

（9）應(yīng)用Unity實現(xiàn)軟件的功能。利用Unity軟件和制作的腳本處理軋機三維模型，讓軟件具有學(xué)習(xí)和拆裝模式，把知識庫存儲到軟件中。使用者可在使用過程中了解軋機的組裝過程，還可自己組裝軋機。將軋機置于某虛擬的場景中，還可以實現(xiàn)對軋機三維視角的觀察。

回顧軟件制作過程，我們總結(jié)出一些值得借鑒的經(jīng)驗：（1）給學(xué)生充分的自由度，包括制作中時間安排，UI的自主設(shè)計，場景的自主設(shè)計，功能的添加等，這樣做可以給學(xué)生更多的自主發(fā)揮空間，這樣充分調(diào)動了學(xué)生的興趣和主觀能動性；（2）鼓勵學(xué)生大膽想象，大膽創(chuàng)新，并給學(xué)生創(chuàng)造寬松的創(chuàng)新環(huán)境。貫徹不拘一格，風(fēng)格各異的理念，學(xué)生的創(chuàng)新意識得到最大程度的提高；（3）建立軟件公司、教師、學(xué)生定期會面制度。按照公司模式按時間節(jié)點檢查進度，布置工作，指定專人進行會議記錄。教師、學(xué)生與企業(yè)人員共同切磋，對軟件制作細(xì)節(jié)提出自己的看法和建議。學(xué)生受到企業(yè)文化的熏陶，形成了嚴(yán)謹(jǐn)工作作風(fēng)。

3 結(jié)語

互動軋機拆裝軟件開發(fā)實踐，開創(chuàng)了校企合作開發(fā)軟件兼培養(yǎng)學(xué)生的全新模式并從中總結(jié)了成功經(jīng)驗；鍛煉和培養(yǎng)了一支由各年級本科生組成的可持續(xù)工作有強力后勁的虛擬教學(xué)軟件制作團隊；在軟件開發(fā)實踐中大大提升了本科生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實踐能力；學(xué)生提前感受企業(yè)管理的理念，培養(yǎng)了團隊合作意識，踏實的工作作風(fēng)，鍛煉了自己克服困難的意志，為走出校門、邁向社會做好了心理上的準(zhǔn)備。有4名同學(xué)以此為題目完成了高質(zhì)量的畢業(yè)設(shè)計，獲得教師的高度認(rèn)可和好評；所做的軟件在演示過程中受到答辯老師們的肯定，軟件投入使用會收到預(yù)期的效果。

遼寧省教改項目“材料成形類專業(yè)互動式實踐教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用”

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