裝卸搬運機械課程虛擬實訓平臺的建設與應用

吳衛剛　趙秋園　于海　孫曉明

摘 要 裝卸搬運機械結構復雜，采用傳統教學方式，學生在掌握結構原理方面存在較大困難，同時實訓教學中存在實訓設備數量不足，產品落后，安全隱患等問題，而采用虛擬實訓平臺可解決以上問題，課堂教學中可以更加直觀地觀察系統的內部結構、工作原理，實訓環節則可以保證每人一臺設備，具有產品更新換代快捷經濟，有效保證人身安全等優點。根據教學要求和實踐技能要求，設計開發了“裝卸搬運機械虛擬實訓系統”。實踐證明，虛擬實訓系統在教學改革方面具有很高的實用價值和推廣價值。

關鍵詞 裝卸搬運機械 三維建模 虛擬實訓

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.03.022

Construction and Application of Virtual Training Platform

for "Loading and Handling Machinery" Course

WU Weigang[1]， ZHAO Qiuyuan[1]， YU Hai[2]， SUN Xiaoming[2]

（[1] Qingdao Harbour Vocational & Technical College， Qingdao， Shandong 266404；

[2] Qingdao Qianwan United Container Terminal Co.， Ltd， Qingdao， Shandong 266510）

Abstract The structure of loading， unloading and transporting machines is complex， and traditional teaching methods are used. Students have great difficulties in mastering the structural principles. At the same time， there are problems such as insufficient number of training equipment， backward products， and hidden safety problems in practical training. The virtual training platform can solve problems. The above problems can be observed in the classroom teaching more intuitive internal structure of the system， the working principle， practical training can guarantee one device per person， with product replacement and quick and economical， effective guarantee of personal safety and other advantages. According to the teaching requirements and practical skills requirements， the "Virtual Loading and Unloading Machine Training System" was designed and developed. Practice has proved that the virtual training system has high practical value and promotion value in teaching reform.

Keywords loading and unloading machinery； 3D modeling； virtual training

1 裝卸搬運機械課程引入虛擬實訓平臺的必要性

裝卸搬運機械是港口機械應用技術專業以及港口物流設備與自動控制專業的一門重要的專業核心課程。該課程重點是對前期所學基礎課程的深化理解，以物流行業的主流機械叉車、裝載機、牽引車為典型對象，重點講解裝卸搬運機械各系統總成的結構特點、工作原理，讓學生掌握裝卸搬運機械維修、保養、調整的方法，在正式上崗前具有一定的故障診斷和故障排除的能力。該課程采用理實一體的教學方法，課堂上學理論，車間里練實踐，教學情景與實際工作的一致性較高，但也存在局限性。

（1）理論學習方面，授課內容主要依靠幻燈片、照片、視頻等，表現手法單一，系統內部結構難以觀察和講解等不足，因此，授課中傳統多媒體加視頻的教學手段很難達到讓學生掌握所學專業知識的目的。

（2）實訓設備數量難以滿足需求。學校在實訓室的硬件建設和資金投入做了大量工作，但招生規模擴大，實訓條件達不到實際需求。實訓設備的數量與參訓學生數量不匹配，價格昂貴的專業設備更是數量不足，實訓的效果大打折扣。[1]

（3）實訓設備的設施落后。由于設備更新換代的成本高，學校實訓設備未能及時更新，與企業技術發展不同步。學生在學校使用的實訓設備對于企業來說已經是淘汰產品，學生通過實訓所掌握的一些技能在企業也就無法應用，存在學與做的嚴重脫節現象。如果能將企業實際應用的主力機型設備引入實訓環節中，將專業課程中主要內容以三維建模的方式在課件中再現，同時重視設備維修保養技能的培養和維修保養技能的仿真訓練，有利于學生學好專業課程，有利于為企業培養合格的技術維修人才。

（4）實訓設備的維護成本高。學生對實訓設備不熟悉，操作不熟練，實訓設備在拆裝過程中易出現個別部件損壞，而學校又缺少足夠的師資力量去進行維修保養，導致實訓設備的完整性下降，實訓效果不佳。

（5）實訓過程存在安全隱患。很多實訓設備的部件非常沉重，拆裝過程當中容易因操作失誤造成實訓設備的損壞和人身意外傷害。

虛擬實訓平臺通過將三維仿真技術、多媒體技術和網絡通信技術等進行集成，將該平臺引入到裝卸搬運機械課程的教學當中有以下優點：

（1）理論教學的課件素材更加豐富，展示結構和原理更加直觀逼真，便于教師的講解和學生的理解；（2）實訓過程可以提供足夠的工位，每人一臺計算機就可以讓學生得到充分的訓練；（3）虛擬設備的技術升級經濟快捷；（4）實訓成本降低。虛擬實訓避免了零部件的損耗，不必投入大量的師資進行維修保養。實訓場地可從車間移到教室，且不同課程可共用一個虛擬實訓教室，實現場地資源共享；（5）安全得到保證，學生在實訓過程中不會對設備造成損壞，更不會因失誤造成人身傷害。[2]

2 裝卸搬運機械課程對虛擬實訓平臺的功能要求

裝卸搬運機械課程需要老師展示機械設備的內部結構，工作原理，演示拆裝過程，機構調整的方法等，因此，需要實訓平臺具有以下功能：

（1）機械部件的結構展示。虛擬設備以真實設備為藍本，經過測繪，進行三維建模，可展示設備的內部構造，具有縮放、旋轉、透視、爆炸、剖切等功能；（2）各個部件可顯示名稱，重要部件需要顯示其作用；（3）動畫觀摩演示功能。可演示設備的動作原理，以及設備的標準拆裝流程；（4）交互式的拆裝功能。能夠設立工作情境，根據故障現象判斷故障點的位置，可以對拆裝工具進行選擇和組裝，具有拆裝順序的規則設置，可對拆裝過程進行回放等功能；（5）考核功能。能夠進行拆裝過程的考核，包括工具的選擇、拆裝順序，旋轉方向，更換配件的型號選擇等重要節點進行記錄和考核；（6）調取配件手冊和維修手冊的功能。讓學生根據手冊的指導，自主完成設備的拆裝和零件的選型。

3 裝卸搬運機械虛擬實訓平臺的構建

目前市場上虛擬建模的軟件很多，如PROE，UG，CAD， SOLIDWORKS，其研究對象所關注的重點也不相同，一些教育研究機構也應用這些軟件編寫制作了一些三維模型乃至虛擬實訓平臺，但其研究對象都是一些常見的設備或部件，針對裝卸搬運機械的三維模型可謂鳳毛麟角。

為解決在裝卸搬運機械教學中存在的問題，我們采取強強聯合手段，與煙臺邵陽公司和維修中心共同合作，以裝卸搬運機械的實物為原型，利用SOLIDWORKS軟件進行三維建模，建成裝卸搬運機械類教學資源實訓平臺，可以完成裝載機、叉車這兩種特種設備底盤內部結構、工作原理的演示、主要物理結構的運動仿真，液壓系統全景動畫展示、設備維修、保養工作的互動式虛擬實訓。使老師在授課過程中，實現所講解設備的360度全方位立體觀察，實現360度交互式立體教學（見表1）。

4 虛擬實訓平臺在教學當中的應用

虛擬實訓平臺建設完成后，對課堂教學和實訓教學都有較大的促進作用。[3]

（1）課堂教學上，借助虛擬實訓平臺，講解機械結構、工作原理，教師邊講邊演示設備的組成和原理，使學生從枯燥、難懂的理論學習中解放出來。如圖1。

（2）標準實操演示。將標準實操演示過程制作成視頻，學生可反復觀看，教師重點講解拆裝工藝、注意事項。（下轉第64頁）（上接第46頁）

（3）教師巡回指導。學生在模擬實操的過程當中，教師巡回指導，對操作的難點和錯誤進行指導。

（4）考核評價。根據學生模擬實操的過程和成績，找出操作重點和難點進行講解，糾正不規范的操作和錯誤。

5 注意事項及改進方向

（1）構建合理的虛擬實訓平臺。以培養學生的職業技能為目標，深入企業進行充分的調研，設定合適的學習情境，規劃好虛擬實訓平臺的開發內容，使實訓教學和企業需求深度對接。

（2）虛擬實訓不能夠完全替代實操訓練。虛擬實訓平臺是新生事物，符合當代大學生的興趣需求，在一定程度上激發學生的學習興趣，但它不能夠完全替代真實的實訓。虛擬實訓，所有的拆裝、調整都是程序設計好的，是一種有序、規范、理想化的假設，但在實際動手操作過程中會遇到各種情況，所以虛擬實訓的訓練效果始終不如真實的動手實操。由于在虛擬實訓中不會出現安全問題，容易讓學生養成違反操作規程的習慣。因此要將虛擬實訓和動手實操有機結合，取長補短，達到最優的實訓效果。

（3）橫向聯合，各展所長。虛擬實訓平臺的開發有一定的難度，需要投入的時間和精力都是巨大的，所以要發揮校企合作的優勢，讓有經驗和資源的專業軟件公司負責系統的開發，教師則負責提供方案和腳本，這樣可以使得虛擬實訓平臺的制作質量和教學重點得到雙重保證，使虛擬實訓平臺得到更好的推廣。

本文系青島港灣職業技術學院校級教研課題項目（課題編號：GW2016B15）的研究成果

參考文獻

[1] 周建釗，王斌，胡成賀，劉波.虛擬現實技術在機械課程教學中的應用[J].機械管理開發，2011（3）：177-183.

[2] 張曉東，徐盛學，李龍根.數控技術2+1教學改革模式的實踐與探索[J].廣東白云學院學報，2007（6）：10-13.

[3] 郭娟，于欣.虛擬現實技術對高等職業教育實踐教學的促進作用[J].河北科技師范學院學報，2008.22（4）：74-76.