基于MR技術(shù)的軋制仿真實(shí)訓(xùn)應(yīng)用研究★

李 優(yōu)，陳清勝，白雪清，孫 穎

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

引言

教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備在高等職業(yè)教育的日常教學(xué)中起到十分重要的作用，旨在培養(yǎng)學(xué)生具備良好的專(zhuān)業(yè)技能，助力學(xué)生理解理論知識(shí)，然而現(xiàn)有的軋制仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)備存在可視性較差、局限性較大，實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本較高、日常消耗大，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容理論性強(qiáng)、理解難度大等缺點(diǎn)。為此，本文研究基于MR技術(shù)的軋制仿真實(shí)訓(xùn)應(yīng)用。

1 MR技術(shù)概述

混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)是借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和顯示設(shè)備，為現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界與用戶(hù)之間搭起一個(gè)能夠進(jìn)行交互反饋的信息回路，生成一個(gè)新的具有真實(shí)性、互動(dòng)性的可視化環(huán)境[1]。在此環(huán)境中，物理（現(xiàn)實(shí)）對(duì)象和數(shù)字（虛擬）對(duì)象共存并實(shí)時(shí)自然交互[2]。谷歌公司于2019年推出了Google Glass企業(yè)版增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，微軟公司推出了Hololens2新款混合現(xiàn)實(shí)眼鏡，主要針對(duì)協(xié)同工作、輔助學(xué)習(xí)、虛擬設(shè)計(jì)等市場(chǎng)領(lǐng)域。混合現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的Magic Leap公司于2018年推出了混合現(xiàn)實(shí)眼鏡Magic Leap One，被視為微軟混合現(xiàn)實(shí)眼鏡的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

國(guó)內(nèi)首屆MR全息技術(shù)教學(xué)應(yīng)用研討會(huì)于2020年12月28日在廣州開(kāi)幕，在此研討會(huì)上，共同探討、推進(jìn)MR技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，從最前沿的MR技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā)，探索高效、智能、全息信息化教學(xué)模式，構(gòu)建虛實(shí)交互、虛實(shí)遠(yuǎn)程交融、跨空間和跨場(chǎng)景的教育教學(xué)新模式，促進(jìn)以學(xué)習(xí)者為中心的個(gè)性化學(xué)習(xí)，推動(dòng)課堂教學(xué)向混合學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)型，提升院校信息化建設(shè)水平，提升專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，利用新技術(shù)，找準(zhǔn)落腳點(diǎn)，探索、踐行新技術(shù)與智慧教育深度融合之道[3]。

2 軋制仿真實(shí)訓(xùn)存在的問(wèn)題

在軋制仿真實(shí)訓(xùn)室可以進(jìn)行鋼坯方向轉(zhuǎn)動(dòng)操作、夾鋼機(jī)操作、除鱗操作、軋機(jī)壓下操作，學(xué)生可以完成壓下規(guī)程輸入、手動(dòng)控制軋機(jī)輥縫、自動(dòng)控制軋機(jī)輥縫等操作。目前，在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：

2.1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備可視性較差，存在局限性

目前，實(shí)訓(xùn)方式是學(xué)生按照實(shí)訓(xùn)計(jì)劃操作手柄控制虛擬工件，學(xué)生可在實(shí)訓(xùn)室大屏幕上根據(jù)流程圖看到當(dāng)前實(shí)訓(xùn)狀態(tài)，這對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)訓(xùn)只是按要求完成了操作，初步了解了鋼鐵軋制的過(guò)程，實(shí)訓(xùn)印象不深，而且鋼鐵企業(yè)軋制設(shè)備更新速度快，而實(shí)訓(xùn)室使用的仿真模擬設(shè)備還是十多年前鋼鐵企業(yè)使用的設(shè)備。由于實(shí)訓(xùn)室屏幕尺寸較小，顯示的實(shí)訓(xùn)設(shè)備、場(chǎng)景等內(nèi)容有限，實(shí)訓(xùn)過(guò)程可視性較差，指向性不強(qiáng)，學(xué)生并不清楚每一步操作與實(shí)際工作過(guò)程中軋鋼設(shè)備、工件動(dòng)作的詳細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，與企業(yè)實(shí)際工況差距較大，實(shí)訓(xùn)效果一般，對(duì)學(xué)生畢業(yè)參加工作后的實(shí)際指導(dǎo)意義不大。此外，軋鋼設(shè)備體積龐大，實(shí)訓(xùn)室想要真實(shí)再現(xiàn)工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程基本不可能。因此，探索一種既節(jié)約空間又能完美再現(xiàn)鋼鐵軋制過(guò)程的實(shí)訓(xùn)方式顯得尤為必要。

2.2 實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本較高，日常消耗大

自實(shí)訓(xùn)室成立以來(lái)，每學(xué)期平均實(shí)訓(xùn)學(xué)生300余人次1 000余實(shí)訓(xùn)課時(shí)，而只有2臺(tái)設(shè)備可供使用，加之學(xué)生使用過(guò)程中不注意保護(hù)，導(dǎo)致?lián)u桿、手柄等操作工具損耗大，設(shè)備經(jīng)歷十余年教學(xué)使用老舊不堪，實(shí)訓(xùn)設(shè)備和仿真軟件都亟待維修更新。近年來(lái)由于種種原因，一直未能予以維護(hù)，而學(xué)院具有深厚的冶金專(zhuān)業(yè)底蘊(yùn)，軋制仿真實(shí)訓(xùn)作為冶金專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)核心技能的必備環(huán)節(jié)，具有舉足輕重的地位。

2.3 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容理論性強(qiáng)，理解難度大

鋼鐵軋制過(guò)程專(zhuān)業(yè)理論性較強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)要求較高，而學(xué)生普遍基礎(chǔ)較差，理論性強(qiáng)且枯燥的專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)學(xué)生吸引力較弱，學(xué)習(xí)的主觀(guān)能動(dòng)性不足。實(shí)訓(xùn)的作用是在學(xué)生學(xué)習(xí)完理論知識(shí)后通過(guò)實(shí)踐增進(jìn)學(xué)生的理解，而實(shí)際情況卻是學(xué)生理論學(xué)習(xí)掌握情況較差，“欠賬”較多，需要通過(guò)實(shí)訓(xùn)大量填補(bǔ)學(xué)習(xí)漏洞，這就將壓力轉(zhuǎn)移到實(shí)訓(xùn)一側(cè)。目前的情況是，實(shí)訓(xùn)設(shè)備的可視性弱、理論性強(qiáng)，而且實(shí)訓(xùn)時(shí)間較短，內(nèi)容安排較多，學(xué)生實(shí)訓(xùn)存在走馬觀(guān)花現(xiàn)象，相當(dāng)于學(xué)生學(xué)習(xí)完理論知識(shí)后又轉(zhuǎn)入下一個(gè)理論性強(qiáng)的環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生而言實(shí)訓(xùn)結(jié)束僅僅是按照實(shí)訓(xùn)計(jì)劃完成了一遍操作，實(shí)訓(xùn)效果一般，對(duì)理論課的指導(dǎo)輔助作用不大，未到達(dá)實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排的初衷。

3 基于MR技術(shù)的軋制實(shí)訓(xùn)應(yīng)用

在混合現(xiàn)實(shí)全息教學(xué)應(yīng)用中，以工作過(guò)程為導(dǎo)向，利用百分百模擬企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境幫助用戶(hù)在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中培養(yǎng)關(guān)鍵職業(yè)能力，呈現(xiàn)給學(xué)生更加直觀(guān)、真實(shí)的訓(xùn)練內(nèi)容，促成這種“實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的職業(yè)學(xué)習(xí)”新體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)模式，不僅可保證學(xué)生實(shí)習(xí)的安全性，更可提高學(xué)生掌握技能的速度和效率。

基于現(xiàn)有軋制仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，使用MR技術(shù)研發(fā)一套軋制仿真實(shí)訓(xùn)全息教學(xué)平臺(tái)，推進(jìn)軋制仿真實(shí)訓(xùn)室全面升級(jí)改造，智能全景展示鋼鐵軋制實(shí)際生產(chǎn)車(chē)間情景，內(nèi)容新穎、互動(dòng)豐富，并結(jié)合實(shí)際的教學(xué)實(shí)訓(xùn)需求，把學(xué)生置身于現(xiàn)場(chǎng)車(chē)間親身感受就業(yè)后的工作流程、工作內(nèi)容以及工作規(guī)則等，通過(guò)良好的人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)操作人員控制鋼件動(dòng)作完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)。

在全息教學(xué)模式下，通過(guò)對(duì)鋼坯、夾鋼機(jī)、軋機(jī)等工件和設(shè)備建立準(zhǔn)確完整的三維模型，結(jié)合鋼件的軋制工藝從軋鋼設(shè)備的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、外觀(guān)檢查到部件測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)、故障維修等專(zhuān)業(yè)技能等方面構(gòu)建學(xué)習(xí)體系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的一體化、動(dòng)態(tài)化和具有真實(shí)感的表達(dá)方式，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中鍛煉專(zhuān)業(yè)技能、鞏固掌握理論知識(shí)，把學(xué)生的課堂參與互動(dòng)性提高到100%、平均技能水平提高80%以上，努力實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果較傳統(tǒng)模式有質(zhì)的提升。軋制仿真實(shí)訓(xùn)室主要被用于學(xué)生掌握鋼鐵軋制技術(shù)、競(jìng)賽集訓(xùn)、社會(huì)和企業(yè)人員職業(yè)培訓(xùn)、1+X職業(yè)技能資格認(rèn)定等，在對(duì)原有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行增強(qiáng)的基礎(chǔ)上新增設(shè)冷軋板帶鋼、高速線(xiàn)材、型材生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)。

MR技術(shù)在軋鋼專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用更具獨(dú)特性和適應(yīng)性，在傳統(tǒng)教學(xué)方法與手段難以滿(mǎn)足教學(xué)需要的情況下，以混合現(xiàn)實(shí)形式展示的虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，其立體化視覺(jué)體驗(yàn)效果將會(huì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以MR技術(shù)構(gòu)建鋼鐵實(shí)際軋制生產(chǎn)場(chǎng)景，能更清晰地模擬冷軋板帶鋼、高速線(xiàn)材生產(chǎn)、型材生產(chǎn)等過(guò)程，使學(xué)生置身于現(xiàn)場(chǎng)車(chē)間親身感受工作情景、工作內(nèi)容以及工作規(guī)則等，實(shí)訓(xùn)效果將得到大幅提升。平臺(tái)能夠豐富和完善現(xiàn)有教學(xué)手段，消除原有仿真系統(tǒng)可視性差、指向性不清的缺點(diǎn)，在不占用教學(xué)空間的前提下擴(kuò)大了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)視野，讓學(xué)生置身于企業(yè)生產(chǎn)一線(xiàn)，全身心地投入到實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)和實(shí)踐當(dāng)中。通過(guò)在軋鋼工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)展應(yīng)用MR技術(shù)的軋制仿真實(shí)訓(xùn)試點(diǎn)，吸收總結(jié)平臺(tái)和實(shí)訓(xùn)建設(shè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為推廣該項(xiàng)技術(shù)的全面應(yīng)用提供可借鑒、可復(fù)制的樣板案例。

4 MR技術(shù)的應(yīng)用意義

4.1 提升實(shí)訓(xùn)效果

MR技術(shù)可以通過(guò)3D虛擬場(chǎng)景把鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備與軋制仿真實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有設(shè)備緊密結(jié)合起來(lái)，且不受空間限制，能夠開(kāi)設(shè)多種不同生產(chǎn)產(chǎn)品、工藝的軋制實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)可以看到每步操作對(duì)應(yīng)鋼件發(fā)生的變化、主要軋鋼設(shè)備的工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)給出相應(yīng)參數(shù)和知識(shí)點(diǎn)，輔助學(xué)生理解每步操作的工作原理。在MR實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，實(shí)訓(xùn)氛圍輕松有趣，學(xué)生不會(huì)因操作失誤造成人身事故，同時(shí)降低對(duì)軟硬件設(shè)備的要求。該環(huán)境能為學(xué)生提供直觀(guān)真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，能提供真實(shí)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的沉浸感和臨場(chǎng)感，學(xué)生能切實(shí)感受到實(shí)際工作的氛圍，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)目標(biāo)，大幅提高學(xué)生掌握知識(shí)原理和專(zhuān)業(yè)技能的效率，對(duì)提高學(xué)生職業(yè)技能、促進(jìn)學(xué)生理解專(zhuān)業(yè)理論具有重要作用。同時(shí)，虛擬場(chǎng)景顯示的三維情景可以按用戶(hù)意圖旋轉(zhuǎn)，這是其他類(lèi)型教學(xué)方法不具有的優(yōu)勢(shì)，在幫助學(xué)生理解一些生硬干澀、理論性強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)方面更加形象具體，再輔以教師的專(zhuān)業(yè)講解，使學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的興趣和可能性大幅增加，有效緩解了知識(shí)講授過(guò)程中教師的壓力和難度。

4.2 助力三教改革

將MR技術(shù)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，有助于改善學(xué)生學(xué)習(xí)方式、提升教學(xué)質(zhì)量，強(qiáng)大的交互系統(tǒng)可以為學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)造巨大的學(xué)習(xí)空間，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，同時(shí)為教師和學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了更多教育機(jī)會(huì)，在教材和教法上可以排列組合出多種教學(xué)模式，使得無(wú)論是教師還是學(xué)生都有了更多選擇。對(duì)于一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的冶金專(zhuān)業(yè)學(xué)科——軋鋼工程技術(shù)，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式容易使學(xué)生過(guò)分依賴(lài)教師，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣不高，而基于MR技術(shù)開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)軋鋼設(shè)備系統(tǒng)的控制，能夠讓學(xué)生不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)具有較高的安全性，可以減少實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。由于MR技術(shù)為存在于虛擬空間，當(dāng)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)更新時(shí)學(xué)校可以及時(shí)修改模擬系統(tǒng)，做出相應(yīng)調(diào)整，而不需要更換實(shí)訓(xùn)設(shè)備，可為學(xué)校縮減開(kāi)支和時(shí)間，保證實(shí)訓(xùn)內(nèi)容保持與一流鋼鐵企業(yè)最新技術(shù)一致，避免學(xué)生就業(yè)后不能快速適應(yīng)工作環(huán)境的尷尬現(xiàn)象。同時(shí)，混合的課堂虛擬環(huán)境為教師提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、低風(fēng)險(xiǎn)、有針對(duì)性的技能實(shí)踐場(chǎng)所，有助于鍛煉教師課程教授、課堂管理等方面的技能，反思教學(xué)過(guò)程、增強(qiáng)教學(xué)信心[4]。

探索出將MR技術(shù)應(yīng)用于高職軋鋼工程技術(shù)課程的實(shí)現(xiàn)途徑和主要內(nèi)容，總結(jié)并歸納出MR技術(shù)與高職鋼鐵軋制課程的有機(jī)融合策略及其評(píng)價(jià)方法，為其他專(zhuān)業(yè)開(kāi)展基于MR技術(shù)的課程教學(xué)模式改革提供借鑒。利用廣大師生在不斷的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生典型的學(xué)習(xí)、交流和優(yōu)化案例，并且不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整更新，最終形成不受時(shí)間與空間約束的實(shí)時(shí)共享案例資源，總結(jié)得出共享型教學(xué)應(yīng)用模式，把這種模式創(chuàng)新性地應(yīng)用于軋鋼工程技術(shù)其他課程建設(shè)，最終將這種成功經(jīng)驗(yàn)推廣到其他專(zhuān)業(yè)的課程建設(shè)，為新時(shí)代教材、教法改革提供可推廣復(fù)制的樣板案例。

5 結(jié)語(yǔ)

以MR技術(shù)為支持開(kāi)展實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，能夠豐富和完善現(xiàn)有教學(xué)手段，賦予教師更多的教學(xué)方式和教學(xué)選擇，消除原有仿真系統(tǒng)可視性差、指向性不清的缺點(diǎn)，在不占用教學(xué)空間的前提下擴(kuò)大了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)視野，讓學(xué)生置身企業(yè)生產(chǎn)一線(xiàn)，全身心地投入到實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)和實(shí)踐當(dāng)中，高仿真度的實(shí)訓(xùn)模式能夠促進(jìn)學(xué)生快速具備和掌握符合新時(shí)代社會(huì)主義接班人和建設(shè)者的職業(yè)素養(yǎng)和專(zhuān)業(yè)技能。