疫情常態(tài)化下基于虛擬仿真的焊接實訓(xùn)教學(xué)

陳 龍，朱玉斌，孫曉凱

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

0 引言

2020年，新冠疫情席卷全國，這場可以稱之為“災(zāi)難”的疫情直到今日，仍然刻骨銘心。為了全國人民的健康安全，教育部要求全國高校推遲開學(xué)。《關(guān)于中小學(xué)延期開學(xué)期間“停課不停學(xué)”有關(guān)工作安排的通知》被印發(fā)出來后，引起了社會的熱烈反響，同時在教育行業(yè)中引發(fā)了熱烈討論。《通知》對于中小學(xué)延期開學(xué)期間“停課不停學(xué)”有關(guān)工作進行了全面而且細(xì)致的部署，并提出全覆蓋的工作措施和具體要求。停課不停學(xué)，算是去年高校老師口中的高頻詞匯了，而且在疫情常態(tài)化管理后，“停課不停學(xué)”應(yīng)該算是應(yīng)對這一情況的有效方法。在疫情這個特殊時間節(jié)點，停課不停學(xué)，意味著對于高校教師在教學(xué)條件發(fā)生變化的前提下，利用現(xiàn)實中科技有利條件，去完成任務(wù)，這無疑對高校教師要求更加嚴(yán)格。“停課不停學(xué)”的政策其首要完成的任務(wù)就是必須要保證教學(xué)任務(wù)不會減少，其次的任務(wù)就是還要保證教學(xué)質(zhì)量不能因為教學(xué)方式的改變而不降。教學(xué)任務(wù)不減是指，與以往一樣，在規(guī)定的學(xué)期內(nèi)要完成與之前一樣的教學(xué)任務(wù)。而質(zhì)量不降，則是必須通過更好的辦法，利用更為先進的現(xiàn)代技術(shù)教育手段，促進學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，將知識點融會貫通，讓他們更好地理解并接受知識，不是敷衍地機械地進行教學(xué)步驟。經(jīng)過全國人民，尤其是醫(yī)護人員的努力，我國人民的生產(chǎn)和生活已經(jīng)基本恢復(fù)正常，大中小學(xué)秋季學(xué)期全面復(fù)課。但是由于疫情的復(fù)雜性和國外輸入性病例的影響，散發(fā)病例時有發(fā)生，疫苗大面積接種尚需時日。疫情常態(tài)化背景下如何開展實踐型課程的教學(xué)，是新時期需要探索的問題。

1 焊接實訓(xùn)課程教學(xué)改革的必要性

焊接實訓(xùn)課程是全國各高校機械工程等專業(yè)的必修課程，也是相關(guān)專業(yè)，如電氣工程、軌道交通等專業(yè)重要選修課之一，因此，焊接實訓(xùn)課程是相當(dāng)重要的。與機械工程學(xué)科的其他基礎(chǔ)課程不同的是，焊接實訓(xùn)課程是一門實踐型課程，必須讓學(xué)生去感受，從實踐中去總結(jié)經(jīng)驗，從經(jīng)驗中去驗證客觀規(guī)律。傳統(tǒng)的“填鴨式”式的課堂教學(xué)沒有辦法有效地激發(fā)學(xué)生對于機械課程的學(xué)習(xí)興趣，長此以往，很大程度上也影響了學(xué)生對機械專業(yè)課程基礎(chǔ)知識的掌握[1]。因此，該類課程的教學(xué)需考慮其特殊性，教學(xué)方式不能局限于傳統(tǒng)課堂，實驗、實習(xí)等實踐型教學(xué)方法對于花卉學(xué)課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

但是在疫情常態(tài)化情況下，如何開展這一類課程的教學(xué)，實現(xiàn)高效的教學(xué)互動是必須解決的問題。同時，“中國制造2025”對高等院校培養(yǎng)高端技術(shù)復(fù)合型人才提出更高的要求，但是，在目前條件下，尤其學(xué)校場地、疫情及其他方面的影響，確實在培養(yǎng)人才方面也受到了很大的制約。在焊接實訓(xùn)課程中引入虛擬仿真技術(shù)，使平臺的設(shè)計實現(xiàn)更自然的人機交互，能使學(xué)生更好地理解機械生產(chǎn)全過程，提高學(xué)生在整體上把握新產(chǎn)品的加工過程的能力。

2 基于虛擬仿真的焊接實訓(xùn)教學(xué)優(yōu)勢

2.1 克服焊接路徑選擇教學(xué)難點

焊接工藝在當(dāng)代機械加工中應(yīng)用十分廣泛，因此焊接技術(shù)是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)最基本的加工制造技術(shù)之一，不僅如此，其重要性也再不斷地提高。在實際生產(chǎn)中，具有多年經(jīng)驗的焊接工人在焊接加工時，焊接路徑選擇是相當(dāng)講究的，如何用相當(dāng)短的焊接加工路徑，如何花費最少的焊接加工時間，并且可以獲得比別人還要好的整體焊接加工效果。而在實訓(xùn)教學(xué)過程中，學(xué)生則對焊接路徑的選擇總是存有疑問的，自己認(rèn)為自己設(shè)計的焊接路徑可以出色地完成加工任務(wù)，但是很多時候是沒有考慮到時間成本與焊后效果。學(xué)生的焊接路徑的選擇五花八門，其焊接結(jié)果也是不盡相同的。而利用虛擬仿真的焊接實訓(xùn)后，學(xué)生可以利用虛擬仿真技術(shù)將其設(shè)計的焊接路線模擬出來，這樣就可以大致的模擬出焊接后的最終效果，如曲翹變形等，從而節(jié)省教學(xué)成本，更是以最小的代價去使得學(xué)生獲得最大的生產(chǎn)經(jīng)驗，有利于后續(xù)多重多道焊的教學(xué)展開。

2.2 加深學(xué)生焊接的感性認(rèn)識

基于虛擬仿真焊接實訓(xùn)教學(xué)是利用現(xiàn)代科技，產(chǎn)生更真實的焊接加工環(huán)境，從而強調(diào)學(xué)生在整個焊接加工學(xué)習(xí)過程中的主導(dǎo)地位。如圖1所示，學(xué)生能通過鍵盤+鼠標(biāo)+顯示屏等外在輸入輸出設(shè)備與加工系統(tǒng)所營造的焊接加工環(huán)境進行多維度信息交流發(fā)生交互作用。三維虛擬焊接加工環(huán)境使學(xué)員沉浸其中，并且產(chǎn)生身臨其境的感覺，可以直觀地感受焊接過程。

圖1 基于虛擬仿真焊接實訓(xùn)教學(xué)基本特征

正所周知，焊接的加工過程是伴隨著高溫或者高壓的，同時會產(chǎn)生強刺激的光線[2]，學(xué)生在焊接時，勢必要全副武裝，這樣無法更好地認(rèn)識焊接的基本概念。而基于虛擬仿真焊接實訓(xùn)教學(xué)則通過虛擬仿真技術(shù)帶領(lǐng)學(xué)生去認(rèn)識焊接過程，了解基本概念，比如母材、熱影響區(qū)及余高等。而系統(tǒng)的構(gòu)想特征則體現(xiàn)在學(xué)生可以自主地在虛擬環(huán)境中設(shè)計焊接路徑，按照其所設(shè)想的進行動態(tài)模擬焊接仿真加工，使得學(xué)生從虛擬的加工過程，檢驗加工效果，從而鞏固其基礎(chǔ)知識，并根據(jù)模擬出的曲翹變形量及殘余應(yīng)力，進行路徑修正，加強其加工工藝知識的相關(guān)學(xué)習(xí)。

2.3 保證學(xué)生實習(xí)安全

焊接過程除了上述所說，伴隨著高溫、高壓等比較危險的特征，同時，焊條塵煙中也是有害的，比如會產(chǎn)生氧化鐵、氧化錳微粒等，如果不做好防護，會影響學(xué)生[3]。更重要的是，焊接弧光包括紫外線、紅外線，在無防護的情況下，可能損傷視覺器官，導(dǎo)致電光性眼炎、白內(nèi)障和視網(wǎng)膜灼傷。所以，在進行焊接實訓(xùn)的過程中，指導(dǎo)教師不斷地強調(diào)焊接的正確操作步驟及合理的安全保證措施。當(dāng)實施基于虛擬仿真焊接實訓(xùn)教學(xué)時，利用虛擬現(xiàn)實設(shè)備，可以先使得學(xué)生適應(yīng)焊接環(huán)境及熟悉焊接基本操作，進而更好的理解焊接過程及其基本概念。當(dāng)學(xué)生經(jīng)過虛擬仿真教學(xué)后，再進行實訓(xùn)教學(xué)操作，這樣可以從學(xué)生心理上減輕壓力負(fù)擔(dān)，更好地使學(xué)生集中精力在焊接過程中，而不是分散精力在焊接工具及焊接環(huán)境上。

3 加強基于虛擬仿真焊接實訓(xùn)教學(xué)的措施

3.1 加大投入虛擬仿真建設(shè)

高校必須持續(xù)加大對虛擬仿真設(shè)備的投入，而且設(shè)備還需緊跟時代技術(shù)進步。同時，不同實訓(xùn)課程有著不同的特點，所以高校要有針對性的購買側(cè)重點不同的虛擬仿真設(shè)備。比如焊接實訓(xùn)課程，必須緊跟市場特點及用人單位的要求，補充VR等能讓學(xué)生可以真切體會的虛擬現(xiàn)實設(shè)備。而如果是數(shù)控加工實訓(xùn)課程，則需要補充虛擬仿真加工系統(tǒng)，讓學(xué)生能夠自主進行編程等相關(guān)操作并進行模擬加工，從而進行自檢程序。

3.2 針對虛擬仿真設(shè)備重塑教學(xué)計劃

在機械專業(yè)基礎(chǔ)課程中，所制定的教學(xué)計劃，必須堅持“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的原則，那么在實踐課程，一樣也要堅持原則，而且由于兩者的差別，針對實踐課程，不能生搬硬套，必須重塑教學(xué)計。基本流程是熟悉生產(chǎn)環(huán)境—任務(wù)設(shè)置—仿真虛擬實訓(xùn)—真實實訓(xùn)—總結(jié)反饋[4]，而且每一個步驟都必須以學(xué)生為中心，尤其在任務(wù)設(shè)置階段及仿真實訓(xùn)階段，必須將焊接的種類、工藝參數(shù)等基礎(chǔ)概念完整地展示給學(xué)生，讓其感性認(rèn)識焊接過程。

4 教學(xué)實施案例

對于焊接實習(xí)，最基本的就是先讓學(xué)生熟悉手工電弧焊。通過手工電弧焊，可以幫助學(xué)生更好的理解焊接過程中的概念，比如熱影響區(qū)、母材及焊接參數(shù)等基本概念。所以，在進行焊接實習(xí)時，首先通過焊接模擬軟件，根據(jù)焊接工藝向?qū)В╓elding Advisor）設(shè)置各項工藝參數(shù)，如焊接電流、焊接電壓及焊接速度等。

當(dāng)完成工藝參數(shù)設(shè)置后，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)進行焊接模擬，并可以重現(xiàn)整個焊接過程，如圖2所示。通過這個圖片，學(xué)生對焊接過程的溫度場變化等會有了更加直觀的認(rèn)識，也有利于后續(xù)焊接實踐操作的教學(xué)。

圖2 焊接過程的實時溫度場變化

5 結(jié)束語

突如其來的疫情確實打亂了學(xué)生的學(xué)習(xí)節(jié)奏，尤其對于實踐操作課程。為了達到原有的教學(xué)效果，必須更新教學(xué)理念、更新教學(xué)設(shè)備及更新教學(xué)方法才能創(chuàng)造性地完成教學(xué)任務(wù)。通過合理利用虛擬仿真設(shè)備，做好實踐課程的“虛實結(jié)合”，以及根據(jù)實際情況制定合理的教學(xué)計劃，才能最小化疫情對實訓(xùn)教學(xué)的影響，進一步提高實踐課程教學(xué)效果。