典型機械工程安全事故虛擬仿真系統在實踐教學中的應用

朱書慧　李連豪　袁志華　劉婉茹

【摘 要】針對典型機械工程安全事故虛擬仿真系統在實踐教學應用過程中存在的問題，本文從與課堂知識點結合、教學方法、操作步驟和考核方法等方面展開討論。結果對合理使用典型機械工程安全事故虛擬仿真系統和豐富《工程力學》實踐教學環節場景具有指導意義。

【關鍵詞】工程安全事故;虛擬仿真;實踐教學;應用

中圖分類號： TU714文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）28-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.022

【Abstract】Aiming at the problem that in the application of virtual simulation system for typical safety accidents in mechanical engineering in practical teaching， the combination of classroom knowledge， teaching methods， operating procedures and assessment methods were discussed in this thesis. The results have guiding significance for rational use of virtual simulation system of typical safety accidents in mechanical engineering and enriching the scene of practical teaching of Engineering Mechanics.

【Key words】Engineering safety accidents; Virtual simulation; Practical teaching; Application

0 引言

隨著我國社會經濟的高速發展，諸多生產事故頻現，因此在時代的大背景下，避免事故發生和安全生產等意識逐漸深入人心。諸多生產事故多屬于機械工程事故工程力學范疇。如何避免機械工程事故需要從頭抓起，也就是說，需要從機械工程的的設計者初始就需要增強安全意識，避免事故發生。

就其基礎學科《工程力學》而言，典型機械工程安全事故，如架橋機工作過程可能出現的事故，是工程力學全部知識點和相關實驗的再現，具有典型的代表性。

在《工程力學》實踐教學環節，典型機械工程安全事故很難現場再現。基于此類問題，結合信息技術[1]，以架橋機為例，開發出一款典型機械工程安全事故虛擬仿真系統[2-3]，其能夠直觀地再現架橋機在使用過程可能出現的安全事故。

在《工程力學》實踐教學環節，如何合理地使用上述系統[4]，例如如何結合課堂知識點、如何操作以及考核成為一個亟待解決的問題。

基于以上問題，本文討論了典型機械工程安全事故虛擬仿真系統在實踐教學過程中的應用。本文對合理使用虛擬仿真系統具有指導意義。

1 典型機械工程安全事故虛擬仿真系統簡介

本系統通過虛擬仿真技術再現架橋機工作過程可能出現的事故為出發點，彌補傳統工程實踐教育的不足，提高機械工程本科生創新、動手能力。其主要由VR圖形工作站;頭戴式虛擬現實頭盔;六自由度操控手柄等硬件和知識模塊及網絡條件等軟件組成。

2 面向學生及專業基礎

本系統主要面向農業工程相關專業、機械工程相關專業和交通工程相關專業的三四年級工科本科生及研究生。要求學生學習完大二所有課程和相關的專業基礎課程。掌握力學和機械原理相關知識，掌握力學分析基本要求以及機械原理等基礎知識。專業實驗要求學生學習完至少相關的三門專業課程。掌握基本力學和機械原理的相關知識。熟悉典型機械的結構與原理，掌握基本操作以及軟件使用方法。

3 基本應用

3.1 課堂知識點結合

（1）架橋機的結構認知，真實再現架橋機的結構。（2）架橋機的拆解，可將架橋機主要零部件逐一拆解，零件包括：電機，減速器，卷筒機構，繩索導向器，制動器，行走機構，橫向機構，天車，架橋機機臂，吊梁。（3）架橋機主要部件的工作原理。（4）架橋機動力分析。運動形式分析，畫出運動簡圖。根據梁片的重量分析計算電機的功率。（5）拉伸強度校核。鋼絲繩拉力分析，根據梁片的重量分析鋼絲繩的拉力，鋼絲繩的強度校核。（6）彎曲強度校核，天車的受力分析，畫出天車梁的力學簡圖，根據梁片的重量分析天車橫梁的受力，天車橫梁的強度校核。（7）扭轉強度校核，卷筒軸的受力分析，卷筒軸的力學簡圖，根據梁片的重量分析卷筒軸的受力，卷筒軸的強度校核。（8）架橋機運行準備工作。（9）架橋機工作過程安全管理。（10）事故原因分析，扁擔體受力簡圖，強度計算。

3.2 教學方法

采用引導學生自主學習、虛擬實訓并展開的實驗教學方法，目的使學生在整個虛擬仿真實驗過程中能夠獲得直觀、真實的實驗效果。學生在模擬實驗操作過程中進行知識學習和設備操作，既可以培養學生對專業知識的理解和實訓操作的技能，又可以培養學生自我訓練及創新意識，是傳統教學無法比擬的。

虛擬實訓包含理論學習和虛擬實驗操作2部分。其中，理論學習部分包括結構認知、原理文檔、動畫演示等，保證學生在實驗過程中可以隨時查看與之相關的理論資料，檢查自己對相關內容的掌握程度;虛擬實驗以沉浸式人機交互的形式讓學生在虛擬的環境和實驗設備上進行操作，包括學習模式和考核。在學習模式下系統提供文字、3D高亮、邏輯約束等標識，引導學生完成實驗過程。在考核模式下，系統關閉提示和引導信息，并加入計時計分功能，從而檢驗學生的學習效果。

通過沉浸式虛擬現實操作、理論學習等方式，實現了對相關實驗課程內容的全覆蓋，通過理論學習與實驗實操的有機結合，達到了豐富課程資源、提高教學質量的效果。

3.3 操作方法與步驟

（1）參照架橋機虛擬仿真教學系統的操作說明書，掌握該系統的基本操作與相關功能，以及每個模塊功能的操作步驟以及要求。

（2）學生通過對架橋機的基礎知識學習，了解與掌握架橋機的組成結構、技術參數、功能原理等知識。

（3）學生通過對架橋機的拆裝，掌握架橋機的正確拆卸步驟與規范。

（4）學生通過對工作原理和動力分析的學習，掌握架橋機的基本工作原理，了解基本運動形式分析，畫出運動簡圖。根據梁片的重量分析計算電機的功率。

（5）了解與掌握強度校核，掌握鋼絲繩拉力分析、天車的受力分析和卷筒軸的受力分析方法和校核。

（6）學生通過對架橋機作業前準備學習，掌握在作業前應該做好的準備工作，如農用架橋機機體折疊結構快裝快拆和構建安裝和調試等。

（7）學生通過對架橋機事故原因分析的學習，了解與掌握扁擔體受力簡圖和強度計算等內容。

具體交互性操作步驟如表1所示。

3.4 考核要求

系統主要對學生的理論掌握程度、架橋機內部結構、動力及強度分析、典型事故分析實訓的操作等方面進行考核。針對不同模塊進行不同的考核方式，具體如下：

（1）力學基礎理論知識：力學基礎理論知識的考核范圍涵蓋基本理論、動力分析和強度校核方法等。主要以選擇題的形式對學生進行考核。每次進入該部分的考核系統，系統會隨機生成5-10道選擇題供學生進行考核，系統以自動判斷的方式對學生回答的正確性進行判斷和記錄，并在學生回答完畢之后，系統會給出最終反饋，反饋內容包括學生的答題時間、正確答案等內容。

（2）架橋機基礎理論

架橋機基礎理論的考核范圍涵蓋架橋機的結構、工作原理以及拆裝。考核方式以選擇題及實訓相結合，系統以自動判斷的方式對學生操作實驗過程的正確性進行判斷和記錄，并在學生回答完畢之后，系統會給出最終反饋，反饋內容包括學生的答題時間、正確答案等內容。

（3）事故分析實訓

事故分析實訓考核是模擬作業實訓操作，學生在沒有任何提示的情況下進行操作，系統會采用過程記錄、自動判斷、計分、計時等方式對學生的操作過程的正確性、熟練性和知識掌握的完整性進行考核。

4 結束語

虛擬仿真技術能夠再現在《工程力學》豐富的實踐教學環節，為工科本科生和研究生提供多樣的現場和互動。實踐證實，通過系統的互動，能夠明顯的增強教學效果。但系統與全方位的機械工程安全教育尚需進一步開發和豐富。隨著機械工程安全教育場景的不斷優化，虛擬仿真技術必將為優化《工程力學》教學過程和教學改革發揮重要作用。

【參考文獻】

[1]胡小強.虛擬現實技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2005.

[2]姜志森，翟龍軍，張樹森.基于虛擬現實技術的微波技術與天線課程實驗教學實踐與探索[J].實驗技術與管理，2010，27（6）：85-88.

[3]邸馗，于天彪，陳培媛，等.虛擬現實技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2014，31（10）：10-12.

[4]李培根.未來工程教育中的實踐意識[J].高等工程教育研究，2010（6）：6-8.