虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用

楊雁冰

摘 要 隨著時(shí)代的發(fā)展，工程建設(shè)在現(xiàn)代化的建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。為保證工程質(zhì)量，除了提高設(shè)備質(zhì)量外，施工教學(xué)的質(zhì)量同樣有待提高。傳統(tǒng)工程訓(xùn)練教學(xué)受到諸如時(shí)間、空間的限制，教學(xué)質(zhì)量不能保證。如今。虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用，幫助解決了很多難題，鍛煉學(xué)習(xí)者操作能力之外，保證了教學(xué)效果。本文對(duì)虛擬技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用做了詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù) 工程訓(xùn)練 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.03.014

Application of Virtual Simulation Technology in Engineering Training

YANG Yanbing

（College of telecommunications， Wuhan Polytechnic， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract With the development of the times， engineering construction plays a more and more important role in the modern construction. In order to guarantee the quality of the project， besides improving the quality of the equipment， the quality of the construction teaching needs to be improved. The traditional engineering training teaching is restricted by time and space， and the quality of teaching cannot be guaranteed. Now， the application of virtual simulation technology in engineering training helps to solve a lot of problems， and to exercise the ability of the learners to ensure the teaching effect. In this paper， the application of virtual technology in engineering training is discussed in detail.

Keywords virtual simulation technology， engineering training； application

虛擬仿真技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，對(duì)儀器設(shè)備等硬件條件要求較低，甚至不需要現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)教師，因而損耗低。而應(yīng)用于工程訓(xùn)練中，更是避免了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)的危險(xiǎn)性。加之，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)往往受到時(shí)間、地點(diǎn)等各方面的限制，為達(dá)到教學(xué)質(zhì)量，無(wú)論是學(xué)校還是教師、學(xué)生都需要投入大量精力。從而制約了學(xué)生全方位的發(fā)展。而虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到工程訓(xùn)練中后，打破了這種局限性，能夠充分提高學(xué)校教學(xué)質(zhì)量。而且，這種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用可以讓每一個(gè)學(xué)生都能接觸到工程訓(xùn)練中的最新技術(shù)，打破了因資金等問(wèn)題帶來(lái)的制約，充分提高了教學(xué)成果的應(yīng)用。因此，在工程訓(xùn)練中應(yīng)用虛擬技術(shù)是一項(xiàng)較為創(chuàng)新的嘗試，一方面是教學(xué)的創(chuàng)新，一方面是技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果大有裨益。

1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能與組成

1.1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，是將虛擬技術(shù)與實(shí)踐工程訓(xùn)練相結(jié)合，為學(xué)生提供一個(gè)自助學(xué)習(xí)的平臺(tái)。平臺(tái)不受時(shí)間、空間的限制，讓學(xué)習(xí)者一方面可以像傳統(tǒng)教學(xué)一樣學(xué)習(xí)工程訓(xùn)練的實(shí)踐操作，另一方面完善傳統(tǒng)教學(xué)較為薄弱的環(huán)節(jié)。例如操作過(guò)程中，系統(tǒng)可以針對(duì)學(xué)習(xí)者的操作進(jìn)行測(cè)評(píng)，而系統(tǒng)的教師可以隨時(shí)為學(xué)習(xí)者提供指導(dǎo)，并定時(shí)維護(hù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

1.2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的組成

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)區(qū)別于我們傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，其系統(tǒng)包括服務(wù)器、教師客戶機(jī)、學(xué)生客戶機(jī)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的中心，連接教師客戶機(jī)與學(xué)生客戶機(jī)，進(jìn)行教師、學(xué)生的身份驗(yàn)證以及信息傳遞。教師通過(guò)教師客戶機(jī)，對(duì)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、模擬操作進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，并根據(jù)學(xué)生的操作給出技能測(cè)評(píng)，以便有針對(duì)性地對(duì)每一個(gè)學(xué)生的薄弱項(xiàng)目進(jìn)行指導(dǎo)教學(xué)。另外，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以進(jìn)行信息存儲(chǔ)，所以學(xué)生以及教師均不受空間限制，只要登錄平臺(tái)，就可以進(jìn)行模擬操作，教師也可遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

2 虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）不受硬件設(shè)施，如儀器設(shè)備的數(shù)量以及型號(hào)等限制，很多學(xué)校空間小，設(shè)備少，學(xué)生實(shí)踐操作必須排隊(duì)，學(xué)習(xí)的大部分時(shí)間花費(fèi)在了等待上。另外，不受空間限制，學(xué)生只要登陸平臺(tái)即可進(jìn)行模擬操作，教師可進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)。給了教師、學(xué)生更多的時(shí)間自由，讓他們可以有充分的時(shí)間進(jìn)行其他方面知識(shí)的學(xué)習(xí)。

（2）規(guī)避傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的危險(xiǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)中，為了讓學(xué)生能夠切實(shí)掌握工程操作，往往會(huì)選在工程施工地點(diǎn)，這就容易導(dǎo)致意外狀況的發(fā)生。而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，有效規(guī)避了這些危險(xiǎn)。

（3）減少了實(shí)際設(shè)備器材的消耗。因?yàn)閷W(xué)生進(jìn)行的是虛擬操作，并不涉及器材的損耗，實(shí)際上為學(xué)校節(jié)省了成本。

（4）自由度大，教學(xué)中更容易開(kāi)展各種探索性實(shí)驗(yàn)，給了學(xué)生更多的學(xué)習(xí)自由。

（5）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，能夠更好的投入到學(xué)習(xí)中，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用

3.1 數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)是工程訓(xùn)練的重要部分，而數(shù)控加工必須要學(xué)生實(shí)踐操作以及多次練習(xí)才能掌握。而傳統(tǒng)的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)，一般收到學(xué)校設(shè)備少、學(xué)生多的制約，一般多是教師現(xiàn)場(chǎng)做操教學(xué)，學(xué)生靠觀看學(xué)習(xí)，難以保證教學(xué)質(zhì)量。利用虛擬仿真技術(shù)模擬數(shù)控加工過(guò)程，從數(shù)控加工的毛坯定義、加工路線到最后的仿真加工，學(xué)生每一步都親身操作，學(xué)習(xí)扎實(shí)，且能提高教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工的應(yīng)用，能保證一人一機(jī)，學(xué)習(xí)質(zhì)量得到保證。另外，數(shù)控加工對(duì)操作者的技術(shù)要求很高，而虛擬仿真技術(shù)的使用可以保證學(xué)生足夠的練習(xí)量，同時(shí)不受地點(diǎn)空間限制，虛擬平臺(tái)記錄學(xué)生操作情況，教師隨時(shí)給出指導(dǎo)，能夠在保證教學(xué)效果的同時(shí)減少了對(duì)設(shè)備、器械的損耗。

3.2 機(jī)械設(shè)備虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

工程訓(xùn)練中，教學(xué)方式一般采用現(xiàn)場(chǎng)講解與實(shí)踐操作相結(jié)合的方式，對(duì)工程中的車床、銑床、磨床、刨床等各種機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)與工作原理給予講解。發(fā)展到后來(lái)，在教學(xué)中加入了計(jì)算機(jī)技術(shù)，如PPT、3D動(dòng)畫、視頻等，讓課程的講解更加直觀化，也在一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量。然而以上兩種方式，都存在實(shí)踐教學(xué)不足的薄弱項(xiàng)，學(xué)生不能直觀地了解機(jī)床內(nèi)部構(gòu)造以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程。而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，很好地解決了這種難題。虛擬仿真技術(shù)，采用Pro/E、UG、AutoCAD等軟件將各種裝備建立三維模型，從而讓學(xué)生通過(guò)虛擬平臺(tái)學(xué)習(xí)，工程裝備的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝配及工作過(guò)程以3D的效果模式直觀的呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。這種虛擬仿真技術(shù)以一種直觀立體的方式，真實(shí)的模擬車床等各種設(shè)備的運(yùn)作過(guò)程，學(xué)習(xí)者的操作猶如操作真實(shí)機(jī)床設(shè)備一樣。具體的虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：（1）三維軟件技術(shù)與機(jī)器設(shè)備想結(jié)合，在大屏幕上向?qū)W習(xí)者直觀的展示設(shè)備的外觀、內(nèi)部構(gòu)造，設(shè)備各個(gè)軟件的尺寸以適當(dāng)比例呈現(xiàn)在屏幕上，學(xué)習(xí)過(guò)程更加科學(xué)、直觀。（2）部件拆裝。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，在實(shí)踐過(guò)程中，很少有機(jī)會(huì)提供給學(xué)習(xí)者去拆裝設(shè)備，因?yàn)閷?duì)設(shè)備耗損太大。但是虛擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了這一過(guò)程，讓學(xué)習(xí)者更加了解設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造。（3）操作演示。一人一機(jī)，平臺(tái)記錄學(xué)習(xí)者操作，并進(jìn)行測(cè)評(píng)。讓學(xué)習(xí)者操作更加流暢。

3.3 焊接技術(shù)虛擬仿真訓(xùn)練

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車業(yè)以及其他各種行業(yè)的發(fā)展，使得焊接技術(shù)受到很多學(xué)習(xí)者的青睞。但是眾所周知，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)耗費(fèi)大量的焊條及工件，并在練習(xí)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煙塵等污染環(huán)境。甚至一些焊接材料在經(jīng)過(guò)高溫之后會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，被焊接工吸入之后對(duì)身體產(chǎn)生傷害，尤其是學(xué)生，在培訓(xùn)過(guò)程中可能并沒(méi)有特別嚴(yán)格的防護(hù)措施，更容易受到傷害。而虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用解決了大部分難題：

（1）虛擬仿真技術(shù)無(wú)需任何焊接材料，節(jié)能節(jié)電，不污染環(huán)境。同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何有毒有害物質(zhì)，保護(hù)學(xué)習(xí)者身體健康。

（2）虛擬仿真平臺(tái)以三維立體的方式教學(xué)，學(xué)習(xí)者可以從各個(gè)角度觀察焊接技術(shù)的教學(xué)過(guò)程。同時(shí)可以練習(xí)多種焊接技術(shù)、焊接位置，如平焊、立焊、橫焊、仰焊等；

（3）學(xué)習(xí)者操作過(guò)程中，可以同時(shí)接收系統(tǒng)的教學(xué)指導(dǎo)，操作過(guò)程中有任何操作不當(dāng)，都會(huì)得到系統(tǒng)的及時(shí)指正，保證了教學(xué)效果。

（4）虛擬仿真系統(tǒng)能夠記錄學(xué)習(xí)者的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，生成測(cè)評(píng)報(bào)告，并有針對(duì)性地對(duì)學(xué)習(xí)者的焊接速度、噴嘴高度、焊接角度等各方面進(jìn)行指導(dǎo)。

（5）教師通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)的教師客戶機(jī)，靈活設(shè)置學(xué)生客戶機(jī)的公差大小及各項(xiàng)參數(shù)的分值比重，制定個(gè)性化培訓(xùn)計(jì)劃。

3.4 石油工業(yè)技術(shù)虛擬仿真訓(xùn)練

石油的工業(yè)技術(shù)多應(yīng)用在山區(qū)、海洋等的石油開(kāi)采。石油的特殊性，決定了其在施工作業(yè)中可能有高溫、高壓，甚至不可視等因素存在，因而對(duì)操作者的要求很高，而傳統(tǒng)的教學(xué)很難實(shí)踐教學(xué)。尤其是不能實(shí)踐演練在操作過(guò)程中可能遇到的各種狀況，以及應(yīng)對(duì)方法。所以，教學(xué)效果受到一定的影響。而虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)解決了以上諸多難題，將仿真技術(shù)應(yīng)用到石油技術(shù)工作中。系統(tǒng)模擬石油技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并將在石油開(kāi)采過(guò)程中可能遇到的各種問(wèn)題，融入虛擬操作中，幫助學(xué)習(xí)者更好地掌握操作工藝。如今的石油工業(yè)技術(shù)建成8個(gè)虛擬仿真教學(xué)板塊，并在各個(gè)職業(yè)教育學(xué)校以及國(guó)內(nèi)外幾十個(gè)油田培訓(xùn)中心廣泛應(yīng)用。下面以井下作業(yè)仿真訓(xùn)練模塊為例。虛擬仿真技術(shù)為了便于教學(xué)，讓學(xué)習(xí)者充分了解整個(gè)井下作業(yè)的操作過(guò)程，將井下作業(yè)版塊分為知識(shí)講解、仿真操作和知識(shí)考核三部分。

（1）知識(shí)講解。有關(guān)井下作業(yè)的知識(shí)講解，虛擬仿真模擬平臺(tái)在這一教學(xué)環(huán)節(jié)投入研發(fā)了多種典型的井下作業(yè)工具，并以仿真動(dòng)畫的形式展現(xiàn)出來(lái)，并配有圖文以及語(yǔ)音解說(shuō)，形象、真實(shí)、生動(dòng)。講解內(nèi)容包含油氣井維修、油氣改造兩大類。油氣井維修的講解內(nèi)容，除了側(cè)重基礎(chǔ)知識(shí)、常用工具設(shè)備的操作工藝等，還將具體的檢泵、試注、堵水、打撈、解卡、套管修復(fù)和側(cè)鉆等作業(yè)與虛擬仿真相結(jié)合，以仿真的方式讓學(xué)習(xí)者得到演練。油層改造部分除了基礎(chǔ)知識(shí)的講解，也同樣將常用的施工設(shè)備以及酸化和壓裂作業(yè)，以動(dòng)畫的形式展現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。

（2）仿真操作。虛擬仿真除了基礎(chǔ)知識(shí)的講解，還加入了仿真操作，將井下作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)、施工設(shè)備的使用、施工作業(yè)以及井下作業(yè)可能遇到的各種狀況都做了仿真模擬。學(xué)習(xí)者可以在教師的指導(dǎo)下，利用平臺(tái)動(dòng)手操作。本環(huán)節(jié)有較好的人機(jī)互動(dòng)功能，可以有效地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，并將所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)以實(shí)踐的方式練習(xí)。

（3）知識(shí)考核。基礎(chǔ)知識(shí)講解、實(shí)際操作的基礎(chǔ)上，為考查學(xué)生對(duì)井下作業(yè)的掌握程度，以及應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況解決問(wèn)題的能力，系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)有知識(shí)考核環(huán)節(jié)。考核包括理論考核以及實(shí)操考核。通過(guò)學(xué)習(xí)者的答題狀況，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況。系統(tǒng)給出的客觀評(píng)價(jià)，可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反應(yīng)。教師可根據(jù)考核情況制定進(jìn)一步的學(xué)習(xí)計(jì)劃。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，職業(yè)技能培訓(xùn)過(guò)程，重視對(duì)學(xué)習(xí)者的技能培訓(xùn)，因此實(shí)踐操作對(duì)于工程訓(xùn)練是必不可少的。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練學(xué)習(xí)方式有諸多制約，而虛擬技術(shù)的應(yīng)用打破了時(shí)間、空間限制，為學(xué)習(xí)者提供了更便捷、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。能夠充分保證教學(xué)效果，提高學(xué)習(xí)效率。

基金項(xiàng)目：該論文來(lái)源于《電工技能與實(shí)訓(xùn)教學(xué)仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)》課題，項(xiàng)目編號(hào)為2016YK037

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