基于虛擬現實技術的企業認知實踐教學設計與仿真實驗開發

成泰洪 姜銳 周晨 林禮區

摘要：機械類專業學生企業認知學習的目標和任務是使學生了解企業生產和工作環境，增加學生對機械專業工作崗位群的感性認識，并通過理論聯系實際初步培養學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，為今后進一步學好各門專業課奠定基礎。而由于實習學生人數多、學生實習既耽誤工作又妨礙生產，因此很多企業都不太愿意接收學生在企業實習，實習企業難找是目前大部分機械類專業面臨的共性問題。本論文針對實習企業難找的問題，利用虛擬現實技術設計了以真實存在企業環境為基礎的虛擬認知實踐教學環境，并開發了可完成仿真實驗的數字化虛擬工廠。基于虛擬現實技術的數字化工廠有效解決了學生實習企業難找的問題，為實習學生提供了不到工廠也能參觀企業的各個部門及生產車間、了解生產流程、熟悉各類生產設備和工藝的平臺。

關鍵詞：企業實習;虛擬現實;企業認知實踐;虛擬工廠

中圖分類號：G646 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0023-02

一、緒論

企業生產實習是機械類專業在走向社會之前必須要完成的一項課程任務。作為企業實習的一部分，企業認知實習一般安排在大學一年級階段，它讓學生通過對企業的感性認識提高學生的工程素養，為今后的各門專業課奠定基礎。同時，企業認知實習可以讓機械類專業的學生通過項目和工作來面對真實的產品加工和生產過程，并在這個過程中通過應用和創新知識，從而獲得專業技術、綜合能力、職業意識的全面提高，是完成知識和能力學習的必要方法。然而，“實習時間難保、實習單位難找、實習效果難體現”是目前學生實習的三大“攔路虎”[1]。尤其近幾年企業生產自動化程度逐年提高，企業內部結構趨于完善和制度化，接收實習生企業生怕會耽誤企業的正常生產和效益。據某調查表明已經有近70%以上的企業已經表明不愿意接收短期實習生[2]。因此，大學生企業生產實習過程中存在著諸多問題需要解決。近幾年虛擬現實技術作為一種可以呈現逼真的人工模擬環境的高科技手段廣泛應用于包括教育行業在內的各行各業。華南理工大學的胡杜澤在其碩士畢業論文中基于Flex將虛擬現實技術應用到了虛擬教學系統中[3]。劉裕和張偉凱基于三維虛擬現實技術及真實的教學實驗平臺研究和開發了可用于投入教學環節的虛擬實驗平臺[4，5]。基于大學生實習難的問題，本研究通過虛擬現實技術開發了可以進行認知實習的虛擬企業環境以及虛擬數字化實習工廠。

二、虛擬實踐環境建模

在虛擬現實技術的應用過程中很重要的一點就是必須有現實的環境作為虛擬環境的復制對象，而在本論文當中將溫州大學國家級校外實踐基地HX集團作為了真實實習環境的復制對象。為了更加真實地反應企業的環境和生產流程，到企業實地測量、照片拍攝等大量的取材工作。圖1表示真實企業大樓外觀和以完成的虛擬環境下企業大樓的外觀對比。圖中可以看出，在虛擬環境下的企業生產大樓和實際企業的大樓外觀相似度極高，并且充分真實地體現了實際的企業外觀環境。這些為在虛擬環境下實習的學生增強了實習的真實感，為今后的實際企業生活提供了實踐基礎。不僅如此，在具體的生產流程以及生產設備的模型建立上都做到了基本和實際模型結構一致、操作流程跟實際設備的流程一致。同時在虛擬環境下可以做到全方位觀察到具體的設備運行，猶如身臨其境。

三、虛擬實習過程分析

實習流程和內容方面也根據企業實際實習流程和實習項目進行了針對性的詳細設計，主要包括企業內部環境構造和布局的參觀、熟知員工培訓手冊、設備操作和工藝流程學習等方面。虛擬環境下對HX集團認識實踐教學內容主要有：（1）大屏幕實踐教學展示;（2）企業環境以及布局認識;（3）數字工廠下企業各項業務學習;（4）學習內容考核。在大屏幕實踐教學展示環節，授課教師首先會對硬件系統的使用方法進行講解，然后，在虛擬環境下對整個企業的布局和環境進行介紹;其次，會選擇一個比較代表性的生產流程進行介紹;最后對數字化工廠模塊的使用方法和考核方法進行講解。教學展示結束后將進入學生實際操作階段。該階段學生首先通過各自的頭盔和手柄進入虛擬場景反復地了解和熟悉工廠的結構以及布局，為今后的實際實習生活打下基礎。在數字化工廠環境中，學生必須通過學號和密碼登入系統進行從員工培訓、維護維修、設備操作、注塑工藝等一系列流程。重要流程的末尾都設置了考核環節，學生必須認真詳細地走完所有的過程才能通過考核。比如在注塑工藝過程學習中，必須要熟知缺陷問題、熔體溫度、注射壓力、注射速度、保壓壓力、磨具溫度的具體數值和范圍。在這基礎上進行考核并找出故障原因，選擇正確的方案。

四、虛擬現實環境下實習效果分析

通過虛擬實習工廠的建立，可以有效地改善學生的實習環境，避免了傳統實習過程中可能發生的危險。從效益方面考慮，雖然在短期內對設備的投資較大，但是從長遠考慮，學校不需要為了場地費、交通費以及節約教學經費而煩惱。教學效率方面，學生可以在虛擬現實環境下進行反復操作和模擬訓練，大大提高了教學效率。而且，虛擬現實環境下的教學不同于傳統的書本教學，學生完完全全是在一個真實生產線的模擬環境下學習，大大提高了學生的學習熱情和興趣。

五、結論

綜上所訴，企業認知實習是機械類專業教學計劃中必不可少的一部分。本文通過虛擬現實技術來推動機械類專業學生企業生產實習活動的進行，并獲得了較好的實習效果。尤其在實習環境和實習內容上采集了真實企業的數據信息，呈現了企業真實的面貌，真正地體現了虛擬現實環境。

參考文獻：

[1]周萍.工科本科生企業實習問題研究——以H大學光電信息工程專業為例[D].華中科技大學碩士學位論文，2011.

[2]許立.政府應為大學生實習護航[J].東北之窗，2009，（4）.

[3]胡杜澤.基于Flex的虛擬現實技術在教學中的研究與實現[D].華南理工大學碩士學位論文，2011.

[4]劉裕.基于虛擬現實技術的實驗課程設計與仿真實驗開發[D].寧波大學碩士學位論文，2013.

[5]張偉凱.基于實時數字仿真及三維虛擬現實的教學實驗平臺的開發與應用[D].山東大學碩士學位論文，2014.