基于虛擬仿真培訓系統開發教學模式創新研究

摘 要：根據中國目前的教學情況分析， 課程教學方式普遍比較單調， 導致學生本身的學習興趣較低，學習枯燥，缺乏趣味性，且因教學環境所限制，課后難以解決難題，學習效率低下。內燃機車JZ-7型制動機作用閥虛擬仿真培訓系統包含三維實體建模、二維平面動畫、結合三維仿真動畫，利用多媒體、教學資源以及虛實結合等現代化教學手法， 提高學生的認知能力，激發學習興趣。將傳統的課堂轉化為線上、線下相結合的方式， 及時解決學生在學習過程中遇到的困難。

關鍵詞：內燃機車；JZ-7型制動機作用閥；虛擬仿真；教學模式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.204

0 引言

傳統的教學模式是一種以老師為中心、書本為中心和課堂為中心的教學模式，大多數采用講授式。以書本為中心有一定的局限性，同時因為機械類課程復雜難懂，在進行知識傳授時難以喚起學生的學習興趣，也難以啟發學生的思維和想象。隨著時代的進步，教學模式已經逐步利用手機、電腦等科技產品，教學條件的科學含量越來越高，結合虛擬現實、多媒體、網絡等技術，充分利用可提供的教學條件設計教學模式。在這一條件下，教學模式的創新顯得尤為重要，而信息化教學模式作為教學模式的“新一代”，對現如今的教學模式產生具有很大的影響。

作者針對信息化教學模式，將內燃機車JZ-7型制動機作用閥的相關知識作為基礎，采用虛擬仿真技術、多媒體技術，設計開發內燃機車JZ-7型制動機作用閥虛擬仿真培訓系統。該系統在保證知識的準確性的情況下，能夠適應信息化教學模式的要求，引入虛擬仿真技術使學生在虛擬環境中快速地了解并且掌握關于內燃機車JZ-7型制動機作用閥的相關知識。用三維交互的方式直觀地了解內燃機車JZ-7型制動機作用閥的空間結構構造，利用二維平面動畫展現其的工作原理，利用三維動畫了解其在檢修過程中的工藝流程。該系統為學生提供了一個可視化的多媒體信息平臺，既可以打破時間和空間的限制，讓學生可以隨時隨地進行學習，又可以提高學生的學習興趣。本文以下部分將詳細介紹傳統教學模式的弊端，教學模式進行創新的意義以及該系統在創新型教學模式中的應用。

1 傳統教學模式的弊端

傳統教學模式陳舊，課堂形式單一，理論與實踐結合較少，內容枯燥，學生學習興趣較少，課堂效果顯微。隨著時代的不斷發展，教學的理論知識和實踐能力有了更高的教學要求，但是現階段的教學模式仍采用傳統的教學方法，理論與實踐結合不緊密，無法滿足教學過程中理論性、應用性、實踐性緊密結合的要求。因此，以下列舉出傳統教學的主要弊端。

（1）傳統教學方式單一。如今，傳統的課堂中一般采用的教學模式是教師講授，學生聽講，使得教學上的教與學出現明顯的分離狀態。尤其是在機械科類的專業課程中，通常教師在教學過程中容易形成依賴PPT和照本宣科解讀教材的授課方式，但是機械課程的知識點較難理解并且復雜。如果學生基礎較為薄弱，容易使學生失去學習興趣，從而感覺課程枯燥無味，也容易導致得課堂上氣氛沉悶，教學效果較差，學生掌握知識點達不到要求。且隨著時代的發展，科技產品越來越普及，大多數青少年對于電子科技產品擁有一定的依賴性，導致學習者在學習的過程中，因為玩手機，沒有參與課堂的學習，從而出現課堂上教師在進行講授，而學生無心聽講的現象。

（2）實踐課程較少。在傳統的教學過程中，我們相對更注重理論知識方面的授課和學習，反而對于教學實踐活動較少。在教學實踐活動中，或因為設備不足，或因為設備配置不夠，或因為考核模式較松，造成學生沒辦法進行實踐，導致學生的實踐能力較差。大多數學校沒有足夠的場地及資源為學生建立一個可以充分進行現場實踐，因此在出現實踐教學過程中，更多是通過多媒體圖片或視頻展示的方式來完成，學生無法對知識點進行充分的理解和掌握，容易造成理論與實踐的脫節，學生所學的理論知識得不到及時的應用和鞏固，造成教學的實踐應用性較差。

（3）考核模式陳舊。一般教學考核模式多數是以傳統的試卷問答模式考核，考試形式單調，考試內容大多偏于理論方面，考實踐能力較少，且隨著電子科技產品的普及，學生容易使用其進行作弊。以上幾種原因造成了許多學生對考試敷衍了事，而且對考試保持一種不上心的態度，因此這種考核形式不僅不能真實反映出學生的實際水平，還導致了學生不重視在平時課堂上的學習。這種考核制度對于教學和應用有很大的弊端，一方面理論知識點不扎實，另一方面實踐能力較差。

（4）課后難以解決難題。 傳統的教學模式大多數是以課堂教學為主體，學生于課堂上進行學習，而課后要將課堂所學知識進行鞏固，只能依靠書本、筆記進行復習。如在復習過程中遇到知識點忘記，理論知識理解不了等難題，只能求助于老師和同學，但因為時間和地域上的限制，沒有辦法及時得到有效的解決方式，從而喪失了學習的熱情。機械科類本身知識點難理解且復雜，復習難度大，需要課后進行大量的復習以及練習才能充分掌握知識，但在傳統的教學模式中，課后的復習以及練習只能依靠書本和筆記，學生遇到難題時無人能及時進行解答，這種現象導致大量的學生無法及時掌握好相關的專業知識。

2 教學模式創新的意義

第一、內燃機車JZ-7型制動機作用閥虛擬仿真培訓系統是一種創新型教學培訓系統，包含三維實體建模、二維工作原理、結合三維仿真動畫，利用多媒體、教學資源以及虛實結合等現代化教學手法，同時該系統擁有交互功能，還采用線上、線下相結合的方式，教師在教學過程中可以采用這種創新型的教學方法培養學生的創新思維、創新意識、創新能力。學習者對于新教學模式的新鮮感也會提高本身的學習興趣和學習動力。

第二、創新型教學模式主要是以學生自我學習為主，教師為輔，讓學生主動學習。學生在學習過程中遇到困惑時，教師可根據多年的教學經驗對學生進行學習上指導，幫助學生解除學習疑惑，達到一個指明作用。這樣的創新教學模式不僅提高課堂上學生的學習興趣和創新自主學習能力，而且營造一個良好的學習氛圍，讓學生主動學習課程內容，更加直觀了解和掌握專業知識。

第三、課室中有些設備過于老舊或難以拆除，更多需要學生去想象，沒有能直觀了解內燃機車JZ-7型制動機作用閥內部結構的那種真實感。學習工作原理和拆解過程時，沒有能直觀地觀察到內燃機車JZ-7型制動機作用閥內部結構在工作過程中的氣體流向和零部件的狀態，該系統可以充分地解決此類問題。創新教學模式使得教學變得更加靈活多變，學生在課堂中更多是主動思考和學習，增強了學生的主動性以及學生理論知識與實踐的融合。

第四、創新型教學模式給學生提供一個系統或者教學平臺，學生可以打破時間和地域上的限制，隨時隨地對課堂所教學的知識進行復習和鞏固，同時提供練習題幫助學生進行練習，有效的解決在復習過程中遇到的難題，提高學生的認知能力，激發學習興趣。將傳統的課堂轉化為線上、線下相結合的方式， 及時解決學生在課后復習過程中遇到的困難。

第五、隨著手機、電腦等科技產品的普及，當代學生對其有一定的依賴性，創新型教學模式可以利用電腦、手機等科技產品，結合虛擬現實、多媒體、網絡等技術，充分利用可提供的教學條件設計教學模式。利用科技產品以及多種信息化手段，可以降低學習的枯燥，從而提高學生對于學習的積極性。

3 系統在創新的教學模式上的應用

3.1 虛擬現實技術對教學的影響

（1）虛擬現實技術在教學中的作用。虛擬現實技術應用于教學中可以營造“自主學習”的環境，改變傳統的教育教學模式，使學習者通過與信息環境互動，達到學習者學習知識、掌握技能的目的。

虛擬現實技術可以實現多人異地同時教學，且借由構建信息教學平臺可使教學內容在平臺中完整保留并具有一致性、協調性；為學習者提供“自主學習”的客觀條件。在虛擬環境中學習，學習者必須與信息環境互動才能使教學內容發生改變，從根本上解決傳統教學中學習者在課堂上無法集中精力學習的問題，提高學習效率。

（2）虛擬現實技術對教學的積極影響。虛擬現實技術與教育教學相結合，藉由虛擬現實技術的三大特征即沉浸性、交互性、構想性，可以改變目前教育教學中的弊端，開發一套嶄新的教育教學模式。

虛擬現實技術可以通過信息教學平臺實時保存教學內容，為學習者營造“自主學習”的條件。同樣的教學內容，在傳統的教學模式中很難為學習者重復再現；而在與虛擬現實技術結合的新教學模式中，學習者可以無數次重復相同的教學內容，直到學習者真正掌握該教學內容中的知識與技能，從而將傳統的“以教促學”改為學習者“由行而學”。

由于虛擬現實技術的交互性，使得學習者在應用虛擬現實技術學習時必須與虛擬現實信息教學平臺相互作用才能推動教學內容前進，杜絕學習者渾水摸魚的可能，并且虛擬現實與現實環境的高度相似，使教學內容更生動形象，加強學習者對教學內容的理解，提高學習者的學習效率。

3.2 系統與虛擬現實技術的結合

本系統與虛擬現實技術結合，用unity將內燃機車JZ-7型制動機作用閥的結構、工作原理及檢修工藝流程虛擬現實化，再通過HTC-VR輸出教學內容，讓學習者即使在沒有實物的情況下也可以通過生動逼真的虛擬教學平臺了解并掌握JZ-7型制動機作用閥相關知識。

3.3 系統在新教學模式下的作用

系統運用虛擬現實技術能生動逼真地表現教學內容，營造一個不斷發展進步的教學環境，提高學習者學習掌握知識、技能的效率，提高教學質量。虛擬現實技術可以實現多人異地同時教學，借由構建信息教學平臺可使教學內容在平臺中完整保留并具有一致性、協調性。

與傳統教學模式相比，系統打破時間和空間的限制。通過虛擬現實技術，系統可以將實物虛化，虛物實化；結合虛擬現實、多媒體、網絡等技術，可以在系統中實現傳統教學模式中無法展現的教學過程。系統可以將JZ-7型制動機作用閥模型虛擬化，使學習者可以直觀地觀察作用閥的結構特點。見圖2。

系統還可以構建虛擬實訓室，讓學習者身臨工作車間，體驗完整的作業流程。見圖3。

在虛擬課堂中，學習者通過與虛擬信息的人機互動，從視覺、聽覺、觸覺等接受外界反應，開展“自主學習”。在系統中還可以讓學習者以團隊的形式進行學習，在團隊成員中共享學習成果，提高學習者學習效率。在系統中。學習者還可以反復學習相同課程，按照學習者自己的學習方式和學習速度進行學習，開展探索性學習，有助于提高學習者的學習興趣，激發學習者的創造性思維。

系統還可以利用二維動畫，向學習者展示相關閥體的工作原理。見圖4。

（下轉第235頁）

（上接第232頁）

在觀看二維動畫的過程中，學習者可以直觀的看到閥體在各種工作過程中氣體的走向，以及各個零件的運動過程。充分解決了部分學習者想象能力和理解能力不足而帶來的學習困擾。在系統中。學習者可以反復回來觀看二維動畫，同時解決了課后復習的難題。

系統同時具備了模擬實驗的功能，讓學習者學習將閥體組裝后進行模擬測試實驗的過程。如圖5。

由于系統是網絡信息教學平臺，結合計算機多媒體技術和虛擬現實技術，可以創建課程所需的虛擬情景，讓學習者進行虛擬實驗、虛擬操作等，全方位、多角度地展示教學內容。系統虛擬實驗設備、實訓場景以及操作過程，在虛擬場景中完成大多數課程，節約了大量實驗設備費用，避免實訓設備的損耗，有效節約教學成本。

4 結語

內燃機車JZ-7型制動機作用閥虛擬仿真培訓系統，綜合二維動畫、三維建模、三維動畫、虛擬仿真、多媒體技術，通過直觀強烈的三維視覺和動畫效果，采用線上、線下相結合的方式，對JZ-7型制動機作用閥結構構造、工作原理以及檢修拆卸過程進行虛擬仿真。該系統為創新型教學模式中的一大助力，有助于學生快速掌握知識重點，提高學習興趣和學習效率。創新型教學模式不僅僅用于學校給學生進行授課，也有助于學生的學習，還可以在企業中用于給新員工進行培訓，其能夠讓學習人員充分的了解所學的知識或者技能，從根本上解決傳統教學中學生在課堂上無法集中精力學習的問題，大大提高了學生的學習興趣和學習效率。

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作者簡介：袁泉（1979-），男，湖南株洲人，本科，講師，研究方向：車輛制動、機車制動、車輛空調。