虛擬焊接技術在汽車焊接實訓中的運用

王治校

摘要：本文總結汽車制造與裝配技術專業《焊接實訓》教學過程中存在的實訓項目有限、實訓成本高、實訓效率低等問題，充分利用現有的教學資源與實訓基地資源，引進虛擬焊接技術，形成了“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”的教學模式，優化教學效果，為汽車制造與裝配技術專業學生打下堅實的焊接理論基礎，提升焊接實踐能力，為面向汽車制造與裝配技術專業學生的《焊接實訓》教學改革做出積極探索。

關鍵詞：汽車焊接實訓;虛擬焊接;教學模式

中圖分類號：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0229-02

0? 引言

改革開放以來，我國已經成為真正意義上的世界焊接大國，對焊接技術人員的需求與日俱增，據國家技術發展委員會提供的數據顯示，中國焊接市場人才缺口高達60萬。因此，培養出一大批適應社會經濟需求的焊接專業人才是當前高職焊接專業教育的重中之重。根據中國汽車工業協會數據顯示，2015-2020年中國汽車產量均在2370萬輛以上。眾所周知，在汽車工業中，從白車身到零部件，焊接是必不可少的重要環節，焊接質量直接影響汽車的安全性與舒適性。焊接為培養適應新時代的技術技能型汽車制造與裝配人才，汽車制造與裝配技術專業《焊接實訓》教學改革勢在必行。

1? 《焊接實訓》課程教學存在問題

《焊接實訓》作為汽車制造與裝配技術專業一門專業技能基礎課程。要求學生在了解焊接操作及設備的基本功能的基礎上，要做到結合本專業的知識，學會利用專業知識解決焊接過程中遇到的實際問題。為后續專業繼續深造和將來從事與汽車相關的工作打下必要的專業技能基礎。然而，汽車制造與裝配技術專業《焊接實訓》的教學仍存在許多問題，主要表現在：

1.1 場地問題

受限于場地、設備、教學人員等配套，焊接實訓教學一般采用分組教學法，一個工位要有5-6名同學，分組教學中存在大部分學生“看別人操作”而不是“自己操作”的現象，達不到提高學生動手能力、發現分析解決問題能力的目的。另外，焊接技能水平的提高主要依靠學生長時間自主訓練，因設備較少，不能完全滿足焊接技能實訓的要求。

1.2 成本問題

焊接實訓需要大量的耗材，包括鋼板、鋼管、焊條、焊絲、氣體、輔助工具以及用量較大的安全、勞保用品、各類焊接方法所使用的焊機、切割打磨設備、夾具、通風除塵設備。更不用說引進價格昂貴的焊接自動化設備和汽車焊接實訓設備了。出于成本考慮，大部分焊接實訓基地只開展有限的實訓項目。因此，實訓基地很難模擬真實的汽車白車身或者典型零部件焊接的工作環境。導致學生對汽車車身、典型零部件焊接的規范技術技能操作基本為零。

1.3 教學模式問題

焊接實訓教學方法仍然是傳統的教學模式，先是理論教學，然后視頻演示，再是實踐操作。這樣的教學模式學生的學習、實踐只能在焊接實訓課堂上，高度依賴教師的講解和示范。學生課后缺乏復習、鞏固、實操的機會，從而導致學生焊接技能水平提升緩慢。另外，缺乏有效的考核評定機制，導致學生學習積極性不高。焊接實訓以基本的焊條電弧焊練習為主，實訓內容單調，學生長時間機械式的重復練習，實訓周期長，這樣很容易產生倦怠情緒。而其他焊接方法如二保焊、埋弧焊、等離子焊接、焊接機器人操作等就只進行演示、觀摩進行教學，極大地降低了實訓效果。不能全面培養學生的崗位職業能力，學生的獨立分析、解決問題能力和創新能力較弱。

根據《焊接實訓》教學中存在的弊端和不足，在汽車制造與裝配技術專業《焊接實訓》課程實訓教學中考慮將虛擬焊接這種新的技術方法引入，來改善實訓教學現狀以適應新時代焊接人才目標定位。

2? 虛擬焊接在《焊接實訓》課程教學中的應用

2.1 虛擬焊接特點

虛擬焊接技術是在虛擬現實技術（VR）上發展的一種新技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，使用戶沉浸到該環境中。該技術集計算機硬件技術、傳感技術、仿真技術于一體，虛擬焊接技術是在虛擬計算機系統基礎上，引入VR頭盔、定位器、追蹤器、焊件、真實焊槍等設備，通過仿真主控系統和位置追蹤系統，戴上VR頭盔即可在操作臺對焊件進行焊接操作，同時可以看到逼真的液態熔池成型、焊縫成型以及弧光飛濺等其他焊接物理虛擬場景。虛擬焊接系統將焊接演練過程中焊槍的位置、移動速度、角度、焊接手法等信號進行采集處理，在虛擬計算機上設置相應工藝參數，通過計算機模擬生成虛擬焊縫，分析焊機設置的參數和焊鉗輸入參數而造成的質量缺陷。針對焊接實訓教學，虛擬焊接具有以下特點：

2.1.1 成本低，不受場地限制

虛擬焊接系統主要由設備柜、計算機、VR頭盔、定位器、追蹤器組成，占地面積小，相對傳統的焊接實訓室，尤其是汽車車身焊接實訓基地，虛擬焊接的實訓基地成本低。焊材方面，虛擬焊接系統只消耗電能，不需要鋼板、鋼管、焊條、焊絲，氣體、輔助工具以及安全、勞保用品、切割打磨設備、夾具、通風除塵設備、焊接自動化設備等。因此，虛擬焊接技術對于汽車制造與裝配技術專業焊接實訓來說是最經濟、最綠色的選擇。

2.1.2 安全性好，拓展性強，功能全面

學生只需要通過計算機、VR頭盔、焊槍來實現焊接操作，不直接接觸焊材、焊機、切割設備等，安全性大大提高。因為焊接實訓面向的學生都是零基礎、零經驗的，實訓安全性的保障是十分重要的。另外，虛擬焊接技術，模擬了多種焊接方法在不同焊接參數影響下焊縫的形成過程，形成了十幾種不同的應用場景學生在虛擬焊接過程中的行進角度、工作角度、電弧長度、焊接速度可以進行可視量化，焊后還可以透過X射線仿真系統查看自己焊接情況，了解自己的焊接水平，課后仍可以利用虛擬焊接系統進行訓練。虛擬焊接給人以環境沉浸感，激發學生的焊接興趣，矯正焊接姿勢，從而提高焊接水平。傳統的焊接教學，焊接實訓項目極其有限，一般以基本的焊條電弧焊練習為主，實訓內容單調。二保焊、埋弧焊、等離子焊接、焊接機器人操作基本停留在教師的講解中。但虛擬焊接可以有效地解決這個問題，通過虛擬系統，學生可以進行各種場景的焊接操作，汽車白車身到典型零部件的焊接操作都可以二次拓展。

2.2 虛擬焊接教學應用

傳統的《焊接實訓》教學首先由教師進行理論講解，然后通過視頻或微課演示焊接操作，再由實訓老師示范焊接操作，最后學生分組進行焊接訓練，實訓教師進行巡查點評。整個教學過程理論與實際脫離，且實訓課對于理論學習缺乏考核評價，學生無形之中認為理論學習不重要;受到場地、設備、師資的限制，學生實操的機會不多，很多時候實操就走走過場，且課后缺少訓練的機會，因此，焊接技能水平的提升極其有限?；谔摂M焊接的“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”教學模式可以有效地解決以上問題，首先仍然是實訓教師進行焊接相關理論知識的講解，然后學生分組進行虛擬焊接操作，學生在模擬的焊接環境中進行焊接操作，焊接過程中的行進角度、工作角度、電弧長度、焊接速度可以進行可視量化，操作過程中學生自然而然地掌握焊接操作的規范動作、基本流程、注意事項等，為后續實踐操作打下堅實的基礎。完成虛擬焊接相關任務后，學生可以按照虛擬焊接平臺中的流程進行焊接實踐操作。學生在完成實踐任務后可以利用自己的空余時間進行虛擬焊接操作，系統自動記錄學生操作規范性、正確性和安全性，對學生焊縫質量進行評分。在這個過程中學生可以利用虛擬焊接平臺驗證自己的焊接水平。同時，虛擬焊接平臺中的初級焊工模擬認證、中級焊工模擬認證、高級焊工模擬認證、焊接答題游戲可以極大提高學生學習興趣和積極性，焊接相關理論知識不再抽象，各種模擬的汽車焊接應用場景通過VR技術復現，讓學生身臨其境。學有余力的學生可以通過虛擬焊接平臺的拓展模塊進行二保焊、埋弧焊、等離子焊接、焊接機器人操作，提升自己的綜合素質。“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”教學模式讓學生在課前、課中、課后都有任務可做，理論水平和實踐水平都得到了提高。

3? 教學效果分析

本研究通過問卷調查+訪談法獲取汽車制造與裝配技術專業2018級40位同學、2019級40位同學（2018級學生采用傳統教學模式，2019級學生采用基于虛擬焊接教學模式）和6位專業教師對于《焊接實訓》傳統教學模式和基于虛擬焊接的“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”教學模式的滿意程度與教學效果評價。如表1所示，采用傳統的教學模式（理論+視頻演示+實踐）非常滿意占25%，滿意占20%，一般占35%，不滿意占20%;基于虛擬焊接的教學模式非常滿意度達40%，滿意達28%，一般占37.5%，不滿意占5%。充分表明基于虛擬焊接的“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”教學模式極大提高學生對《焊接實訓》學習興趣與積極性。同時，同專業教師訪談發現，“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”教學模式下的學生理論水平和焊接實操能力相較往屆有明顯提高，而且焊接操作的訓練積極性高且更加規范。總之，相較于傳統的教學方法，“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”的閉環教學模式在汽車制造與裝配技術專業《焊接實訓》教學效果上有顯著提升。

4? 結語

“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”的閉環教學模式將焊接理論教學與焊接實訓通過虛擬焊接技術進行有機整合，有效解決了傳統焊接實訓教學中實訓項目有限、實訓成本高、實訓效率低等問題。實踐證明，“理論+虛擬焊接+實踐+虛擬焊接”的閉環教學模式在汽車制造與裝配技術專業《焊接實訓》教學中的探索嘗試豐富了課堂教學內容、激發學生學習興趣、提高教師教學質量。讓學生更好地掌握了汽車焊接理論知識、操作規范，有效促進了學生焊接水平的提高。

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