虛擬仿真技術在機電類專業課程教學中的應用
——以水輪機及輔助設備課程為例

羅健寧，陳韶光

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧530023）

0 前言

高職教育的人才培養目標是培養面向生產一線的高等技術技能型人才。機電類專業面向的主要工作崗位是機電產品的設計、制造、安裝調試、運行與維護勝等[1-2]。機電產品種類和涵蓋很泛，工種和崗位也非常多。因此，學生需要掌握很多的專業技能，才能夠勝任崗位工作的需要。但是，機電類實訓設備十分有限，特別是大型的機電設備、機械產品更是缺乏，這就需要探索新的教學方法和教學手段，以應對教學形勢的變化。

1 專業類課程教學存在的問題

在現有的大部分專業課程教學中，往往存在理論與實踐分離的情況，技能訓練得不到及時指導，加上設備缺乏，特別是大型的機械設備品種不全，臺套數更是不足，而且大型設備拆裝困難、安全隱患多、耗時大，耗材也多，成本高。例如，水輪機及輔助設備課程是機電類專業一門重要的專業核心課程，在課程體系中具有承上啟下的重要作用，在整個專業能力培養過程中有著不可替代的重要地位[3]。該課程圍繞著水輪機構造、運行維護、維修等展開教學，課程的特點是專業性、綜合性強，涵蓋了流體力學、液壓傳動、機械設計、設備維修等知識。水輪機及輔助設備的拆裝、調試、運行與維修，教學難點是實踐性強，結構原理抽象難懂，內部結構難于看見。然而，水輪機及輔助設備是一個龐大的體系[2]，設備大型且復雜，無法在學院實驗室內構建，多年來該課程的教學一直受制于教學設備和相應實踐場所的不足，單靠教師的文字講解和有限的認識實習是很難給學生一個完整的概念，影響了該專業教學質量的進一步提高。所以，采用虛擬仿真技術和多媒體技術輔助機電設備類課程的教學，從中展示大型設備的結構、模擬運行和訓練操作，成為了即安全又節省成本、方便隨時隨地開展學習的高效資源。

2 教學改革的思路

隨著現代教育技術和計算機技術的迅速發展，虛擬仿真技術和多媒體教學技術被大量引入到專業課程的教學中，而且取得了很好的教學效果。現代教育技術和多媒體教學手段已經不是利用簡單的Powerpoint等軟件制作二維的PPT教學課件，隨著三維動畫、計算機仿真技術、虛擬現實技術的發展，R hino（Rhinoceros犀牛）、Maya、3ds Max、Softimage/XSI、Lightwave 3D、Cinema 4D、PRO-E等三維制作軟件，以及虛擬現實（VR）技術被大量引入到專業課程的教學中，并且在電氣控制、數控加工、產品裝配等領域的教學中取得了良好的效果，并得到了廣泛的應用。

通過多媒體技術將枯燥的專業課程內容做成融聲音、文字、圖像、視頻、動畫、游戲、虛擬操作為一體的課程教學資源，利用其信息量大、吸引力強、交互性強等特點，將原本靜止的平面圖、單調的文字用有聲有色、動靜結合的動畫形式表現出來，使學生有了學習的興趣和求知的欲望，也更便于學生理解課程的內容。比如“水輪機及輔助設備”“機電設備維修”等課程，結合專業最新技術、工程案例和企業需求，制作具體的教學方案，通過設計仿真軟件和教學課件，構建接近現實工作場景的教學情境，以及教學軟件，形成符合高職學生興趣點的教學資源庫。將各種教學方法和手段有機融合，達到提高教學質量的目的。

3 課程資源建設的重點

3.1 教學資源的建設

現代化的教學手段在信息量、視覺效果等方面確實比傳統的粉筆加黑板更具有優勢，尤其是機電類專業牽涉到大型、復雜、貴重設備的教學存在諸多困難，而現代的多媒體技術正可以彌補這個不足。其中，虛擬仿真教學利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，可以與生產系統緊密結合，逼真再現水電站現場、水輪機、調速器、導水機構、排水泵、水電站油水氣系統等設備的操作過程和設備運行狀態，這種教學手段和教學情景很接近現實工作的場景，而且設置的卡通人物更為生動形象。在虛擬的情境下進行自主學習，有利于學生在短時間內進入學習狀態，身臨其境的體驗到在現實工作中進行操作的感覺，很快能夠達到熟悉設備結構、了解基本操作技能的目的。

同時，開發設計針對設備結構的教學用三維動畫，以爆炸圖的方式展示設備的內部結構、工作原理、工藝流程和設備操作過程[3]，可以增強學生的感性認識，提高理論學習的興趣。

3.2 虛擬仿真軟件的開發

對于大型水輪機及輔助設備拆裝等項目的學習，讓學生直接在真實的設備上進行操作當然是較理想的教學手段，但由于水輪機及輔助設備是超大型的生產設備，體積龐大、價格昂貴，作為高職院校不可能配置這樣的大型設備，故無法滿足教學的要求。為此，自主研制水輪機虛擬拆裝游戲[4]，在計算機上便可以滿足每一個學生進行操作的需要，邊游戲邊學習的方式不僅迎合了高職學生的興趣特點，提高了教學效率和效果，還能有效防止由于誤操作造成的人身傷害和設備損壞[3]。

水輪機輔助設備課程以校外實訓基地的水輪機為原型，構建完整的水輪機三維動畫可拆卸的模型，如圖1所示，與虛擬技術相融合，形成帶游戲性質的、拆裝過程交互的虛擬教學軟件，包括虛擬機器和零部件、虛擬拆裝、虛擬操作三個環節[4]，學生借助虛擬軟件了解機器和零部件的結構、設備工作原理、機器和零部件拆裝的工藝流程，虛擬教學軟件的游戲性在激發學生學習積極性的同時，破解了生產現場設備臺套數少、工作與教學進度相差大等難題。將復雜的真實的水輪機拆卸和安裝過程用計算機進行仿真表現出來，進一步與企業接軌。其中，虛擬結構拆裝游戲把水輪機的過水部件的拆卸、分解和安裝的具體過程，用計算機游戲的形式實施，寓教于樂，滿足了高職學生個性化學習的要求，使學生學習水輪機的結構和拆裝可以在計算機游戲中有趣地反復練習，主要零部件的結構可以在計算機里從任意角度自主放大或縮小觀察；三維交互式設備結構演示及操作包，對設備結構組成原理可以進行三維動畫演示，還可以對各個零部件隨意自主多方位放大或縮小觀察。既方便教學，使學生可以更直觀地理解教學內容，又極大地激發學生的學習積極性，迎合了高職學生的興趣特點，是結構課教學值得推廣的好辦法。

圖1 水輪機三維模型

3.3 網絡學習平臺的建設

在數字化校園的時代，高職教育除了要大力推進現代教育技術改造傳統教學模式，重點解決專業課程教學，特別是設備類課程教學中大型設備“看不見、摸不著、不能動”的難題外，還要求學生使用交互式微課進行網絡學習，在學習通平臺上進行預習、作業、自測、拓展閱讀等學習活動，移動式學習、碎片化學習將成為常態。因此，開發基于超星學習通平臺的交互式微課，將課程的各知識點以小視頻、小動畫的形式展現在學生面前，使學生能夠充分利用手機和課余零星的時間進行學習和探究，適應不同學生的個性和學習習慣。

4 結束語

在深度分析學生學習特點和企業真實工作過程的基礎上，按照高職教育教學改革的發展方向和青年學生的個性化學習特點，通過虛擬仿真技術、多媒體技術，開展項目化教學設計，探索基于項目化和任務驅動的虛擬仿真教學模式和構建教學資源，將虛擬仿真教學貫穿了工作過程導向的所有環節，即：“項目導入”“制定計劃”“實施計劃”“成果展示與評價”，實踐了大型設備“做學教”一體化的教學模式，將對高職教育教學改革和教學效果的提升帶來實實在在的變化。