虛擬仿真在《零件的精度檢測》實訓教學中的應用研究

張 芹

（蕪湖職業技術學院 安徽蕪湖 241000）

引言

在工業自動化、智能化需求發展趨勢下，培養技能型專業技術人才已是趨勢，如何培養好滿足工業新時代的技能型人才是高職院校教師需要思考的問題。從零件的精度檢測實訓課程教學質量來看，需要更改實訓教學內容，改進實訓課教學手段，強化實踐操作。為提升課程教學質量要加快推進信息技術與高職教育的深入融合，將云計算、物聯網、虛擬現實等技術應用到高職教學中，以此培養出滿足新工科時代的技能型專業技術人才。因此，本文提出以高職《零件的精度檢測》為例，將虛擬現實技術應用到實訓教學中[1]。

一、零件的精度檢測實訓教學現狀分析

零件的精度檢測是高職機械設計與制造專業的專業基礎課程，它是機械制圖課程和機械設計課程的紐帶，是機械設計課程設計中在零件的精度設計的核心。其實質內容是包含兩個方面：一方面是幾何量的精度設計，另一方面是檢測。因此，檢測是該課程的一項重要內容，也是學生將來走向工作崗位的技能基礎。在目前已有的實訓教學中，實訓設備項目缺少，并且同一個項目檢測的設備數過少，無法滿足教學需求。如果還是按照傳統的授課手段，老師僅僅是現場演示教學，在教師演示操作過程時部分學生往往會因為看不清操作細節，以至于在老師講完實訓過程之后，學生卻不知“從何下手”進行實訓操作，并且對于一些學生新手，對設備的復雜操作過程不熟悉，容易誤操作，導致沒有達到預期的實踐效果，教學效果不好[2]。

二、虛擬仿真與在線課堂的結合創新實訓教學

1.虛擬仿真原理

虛擬仿真（Virtual Reality）又稱虛擬現實技術或模擬技術，就是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真實際上是一種可創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。

2.虛擬仿真應用平臺介紹

Basic VeryEngine是一款不用編程就能開發虛擬仿真軟件的低門檻引擎工具，它顛覆了傳統的虛擬仿真開發模式，用一種可視化界面，并采用可編輯文本的編譯技術實現虛擬仿真軟件的開發與運行，在2017年1月，Basic VeryEngine正式面向大眾，開放給大家進行使用[3]。

Basic VeryEngine區別于傳統的虛擬仿真軟件開發使用編程語言的方式，它以一種可編輯文本的技術來實現軟件的開發。傳統的虛擬仿真軟件開發界面，以UNITY界面為載體，通過編程語言（C、Java、C++等）的形式，實現軟件的開發。《萬維引擎》的開發技術，同樣以UNITY界面為載體，而采用EXCEL表格編輯技術，實現軟件的開發。

Basic VeryEngine開發引擎工具共有“教”“練”“考”三種模式的開發，這三種模式是在教學過程中按照進階程度進行遞增。這三個功能模塊的開發過程：先對“教”進行開發；完成“教”之后，再對“練”進行開發；完成“練”之后，再對“考”進行開發。

（1）教學模式。“教”即軟件的教學功能，學生可通過開發好的虛擬仿真軟件進行自主學習；

（2）練習模式。“練”即軟件的練習功能，學生經過第一階段的“教”掌握了一定的教學知識點后可以進行軟件的交互操作，這個過程不會留下操作痕跡；

（3）考試模式。“考”即軟件的考試功能，學生經過前面兩個階段的學習和練習后，可進入到“考”的模式，并留下每步操作的痕跡，以此來檢查自己在哪些知識點還有漏缺，并再進行進一步的學習，或者老師進行組卷考試，自動記錄每個學生的考試成績，并且自動批改與匯總。

3.虛擬仿真實訓教學項目的建設

以目前教學現有的幾臺檢測設備為虛擬仿真背景，依托Basic Very Engine軟件建立多個虛擬現實仿真教學實訓項目。具體研究內容：（1）用三坐標測量機設備為虛擬仿真背景建立虛擬仿真實訓項目一，可虛擬仿真檢測如蝸桿、葉片等零件的幾何尺寸、形狀和位置誤差。（2）用SER1000系列粗糙度輪廓儀設備為虛擬仿真背景建立虛擬仿真實訓項目二，可虛擬仿真檢測如齒輪零件的輪廓算術平均偏差Ra和輪廓最大高度Ry。（3）基于DTV-3020手動影像儀設備為虛擬仿真背景建立虛擬仿真實訓項目三，可虛擬仿真檢測薄片狀零件的幾何尺寸如角度、直徑、半徑、點到點的距離、線到線距離。（4）以智能投影儀設備為虛擬仿真背景，建立虛擬仿真實訓項目四，可在投影儀背景下幾何尺寸、形狀誤差和位置誤差。（5）使用通用量具如游標卡尺、千分尺為虛擬仿真背景，建立仿真實訓項目五，掌握幾種常見的測量方法，如長寬高，內外徑的測量[4]。

目前可行性的具體研究虛擬仿真實訓項目內容見表1所示：

表1 虛擬仿真實訓項目

4.虛擬仿真實訓項目建設的可行性分析

研究方法采用Basic Very Engine軟件用可編輯文本的編譯技術實現虛擬仿真內容程序開發與運行。具體主要以UNITY界面為載體，采用EXCEL表格編輯技術，實現程序開發與運行。每一教學實訓項目對應編輯開發一虛擬仿真項目軟件，學者在應用時打開該虛擬仿真項目軟件，在計算機上按該實驗的操作步驟完成模擬仿真實驗即可。具體技術路線如圖1所示：

圖1 擬定技術路線圖

先分別對三坐標測量機設備、SER1000系列粗糙度輪廓儀設備、DTV-3020手動影像儀設備、智能投影儀和千分尺、游標卡尺用三維建模軟件UG建立外觀模型，并對模型進行渲染，將模型導入到Basic Very Engine軟件中，分別建立五個虛擬仿真教學實訓項目，根據該教學實訓項目具體操作步驟用EXCEL表格編輯功能指令，將操作步驟錄入語音及操作步驟提示文字對軟件參數進行配置，發布軟件及程序運行與檢測，完成建立該虛擬仿真教學實訓項目。

5.在線課堂的引入

職教云平臺即“職業教育數字化學習中心”（亦稱“智慧職教”網站）是由高等教育出版社建設和運營的職業教育數字教學資源共享平臺和在線教學服務平臺。可面向全社會共享國家“職業教育專業教學資源庫”項目建設成果。實訓教學內容主要應用職教云平臺建立在線課堂。將理論知識在線課堂發布，可供學生預習、復習，并完成相關任務。將實訓操作內容和操作步驟錄制視頻，發布在在線課堂中，學生在上實訓課之前，應用在線課堂可反復觀看教師實訓操作的方法和步驟，可避免了在實訓中心教師現場演示操作過程時學生看不清操作細節這一現象[5]。

四、虛擬仿真與在線課堂結合的教學優勢

在零件的精度檢測實訓教學中，以“虛擬仿真”與“在線課堂”相結合教學模式，以虛擬仿真技術作為一種輔助的教學工具，可以將計算機虛擬技術與教學實踐較好地融合在一起，有效解決了教學實訓問題，不僅提高了高職實訓教學的有效性，也為今后虛擬仿真教學提供了重要的借鑒。另外，虛擬現實技術的模擬實驗通過計算機產生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環境中，就像在真實的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺。虛擬仿真教學實訓項目可反復練習，通過模擬加強對理論知識的理解，再進行實訓室現場操作驗證模擬過程，以及現場出現的真實問題可通過獨立思考或老師指導的方式解決實際問題[6]（圖2）。

圖2 虛擬仿真與在線課堂結合教學模式

在線課堂豐富了學生可用的教學資源，打破傳統教學模式的限制，激發學生學習的潛能，提高課堂質量水平。

結語

虛擬仿真技術科技在高職實訓教學領域具有無限的應用潛力。總結虛擬仿真技術在實訓教學中的應用，以及開拓其在教學中的發展深度是開展虛擬仿真教學實訓項目的基礎。新工科發展時代下，積極應用先進的、有效的技術手段，豐富教學資源，提高高職實訓教學的有效性，促進培養學生工程應用能力和創新能力。