虛擬仿真技術在真空吸取系統教學中的應用

薛海建 董三強 沈瑞強

［摘 要］ 虛擬仿真技術是一種新的教育生產力，具有技術逼真、趣味高效、安全實惠和自由拓展等優勢。針對傳統真空吸取系統教學中存在的不足，將虛擬仿真技術引入課程教學，對傳統教學模式進行擴展，并從理論教學、實踐教學、考核評估等方面探討虛擬仿真技術在真空吸取系統教學中的應用。實踐結果表明，虛擬仿真技術的引入有助于激發學生的學習興趣，增強課堂的趣味性，提升學生的參與度，改善教學效果，培養學生的創新創造能力，為課程教學改革提供了新途徑。

［關鍵詞］ 虛擬仿真；真空吸取系統；教學

［基金項目］ 2021年度陜西省高等教育教學改革研究重點攻關項目（21BG055）；2021年度火箭軍工程大學教育改革研究項目（HJJKTB2021001）

［作者簡介］ 薛海建（1986—），男，安徽阜陽人，博士，火箭軍工程大學核工程學院講師（通信作者），主要從事虛擬仿真實驗研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）18-0153-04［收稿日期］ 2022-07-12

真空吸取系統在武器裝備中應用得非常廣泛，經常用來吸取和移動一些非常重要的裝置或部件。近年來，隨著部隊使命任務的多元化發展以及實戰化訓練進程不斷加強，對軍隊院校人才培養提出了更高的要求，軍隊院校要能主動適應新技術、新生態和未來戰爭新格局，不斷推進實戰化教學改革，培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科軍事人才，走中國特色社會主義強軍之路。然而，隨著科技水平的飛速發展，傳統的教學模式已經難以滿足當前部隊的要求，教學效果不佳。虛擬仿真技術作為一種新的教育生產力，為創新教學手段方法提供了有效手段［1］。在真空吸取系統教學中，通過引入虛擬仿真技術，探索虛實結合的教學方法手段，提升教學的趣味性、自主性、生動性和創造性，在加深學生對理論知識理解的同時，進一步激發學生的學習興趣，增進創新思維培養。

一、虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真技術是用一個系統模仿另一個真實系統的技術，是指在計算機、多媒體、虛擬現實及網絡通信等技術迅猛發展的基礎上，以仿真的方式給用戶創造一個實時反映真實對象變化和相互作用的模擬系統或虛擬世界，使用戶可以借助視覺、聽覺、觸覺等多種感知與模擬系統進行交互，身臨其境、沉浸其中，從而完成一系列高度逼真的模擬操作［2-3］。虛擬仿真技術應用到教學過程中，具有以下突出優勢。

（一）真實逼真

在虛擬仿真系統中，學生可以通過視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等多種感知，身臨其境、沉浸其中，獲得真實系統的逼真感受，并且可以通過人為行為改變系統相關狀態，系統同樣會給出相應反饋，更有利于學生對知識的掌握和理解。

（二）趣味高效

在傳統教學模式下的理論學習過程中，復雜原理、復雜結構和復雜系統的學習以教師講授為主，內容枯燥無味，學生的學習積極性不高，效果不佳。在實踐操作過程中，受設備數量、時間、空間等因素的限制，多是以小組為單位，無法實現對每個學生進行全面的訓練和培養。引入虛擬仿真技術，可以通過動畫、透視圖等方式進行原理展示，還可以交互操作，這種游戲式的學習方式，更有利于啟發思維，激發學生的學習興趣。同時，學生可以獨立開展虛擬實驗操作，做到人手一臺操作設備，有效彌補了設備數量少、時間少、空間小的短板，且可反復操作練習，教學效率有了顯著提高。

（三）安全實惠

在傳統教學中，為確保學生和設備的安全，對一些危險系數較高的教學科目一般不開展實驗操作，且由于經費條件的限制，對于一些價格昂貴的實驗設備教學利用率也偏低。相比較而言，利用虛擬仿真技術開展教學，學生在虛擬平臺上開展相關學習活動，所用儀器設備和耗材均為虛擬的，可以大大提高安全系數，降低教學成本，安全性高且經濟實惠［4］。

（四）自由拓展

在傳統教學模式下，一般以理論教學為主、實踐教學為輔，理論直接轉入實踐，學生接受度較低，且受限于具體實物，不利于學生創新能力的培養。借助于虛擬仿真技術，可在理論教學和實踐教學之間搭建橋梁，構建“理論—虛擬—實踐”一體化的教學模式。通過虛擬仿真系統，一方面，可以鞏固所學理論知識，加深理解；另一方面，通過虛擬操作，使學生掌握關鍵環節和基本操作技能，為實裝操作、理論聯系實際打下堅實的基礎。同時，虛擬仿真技術還可以為學生提供廣闊的想象空間和無限可能，有利于學生創新能力的培養［5-6］。

二、當前真空吸取系統教學存在的問題

（一）實踐教學比例偏低、手段單一

真空吸取系統涉及設備眾多，工作過程中需要多操作號手協同配合，在教學過程中應特別注重實踐的內容，有利于培養學生掌握裝備性能、操作技能、創新能力和科技素養。然而，受總學時數的限制，真空吸取系統傳統教學模式以課堂講授為主、實踐教學為輔，實踐教學比例偏低，且以實裝參觀為主要形式，手段單一，學生只能了解裝備的基本操作流程和簡單操作，不利于培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，學生主動學習的興趣不強，創新動力不足。

（二）教學設備嚴重滯后于部隊實戰化真空吸取系統的發展

近年來，隨著科學技術的不斷發展，部隊武器裝備的更新換代不斷加速，新型裝備不斷列裝并投入使用。真空吸取系統在武器裝備操作、訓練的過程中應用得非常廣泛，信息化、智能化水平不斷提升，新型真空吸取系統不斷列裝部隊。相比較而言，學校教學設備無論在數量上還是型號上都嚴重滯后于部隊實戰化真空吸取系統的發展，更新換代慢，很難開展有針對性的教學實踐科目，教學效果和教學模式難以滿足部隊的實戰化需求。

（三）實踐教學受多種因素的制約，開設困難、成本高昂

軍隊院校對實踐教學的要求呈日益增加的態勢，但常常因教學裝備數量、場地、時間、經費、安全性等因素的制約，很多實踐教學開設困難，即使開設了也無法保證良好的教學效果。以真空吸取系統實踐教學為例，被吸件一般極為特殊（易燃易爆）或非常重要，且所用設備電壓高、結構和控制復雜、環境惡劣（噪聲大）等，存在極大的安全隱患，為了防止安全事故的發生，當前真空吸取系統實踐教學多為教師提前準備好并進行安全檢查，學生根據教師的指令完成一些簡單操作，而后觀察和記錄現象，無法使學生真實有效地參與到操作全流程，不利于學生實踐能力的提高。

三、虛擬仿真技術在真空吸取系統教學中的應用

（一）虛擬仿真技術在真空吸取系統理論教學中的應用

真空吸取系統涉及真空吸取器、真空泵、真空壓力表、真空管路連接閥以及橡膠管路等部件，知識涵蓋機械、真空技術、力學等多學科知識，內部結構復雜、抽象，部件眾多，學生掌握較為不易。傳統教學方式以實裝參觀為主，走馬觀花，學員看不透、看不全，也學不深。因此，在理論課教學過程中輔以虛擬仿真技術，可以為學生提供圖文并茂、平面立體結合、聲形具備、豐富多彩的多維學習資源，將復雜的結構運用三維空間的方式全方位展現給學生，真實模擬復雜部件內部的構造，學生可進行360°查看，并可以與三維模型及場景進行交互，包括放大、縮小、旋轉等操作，激發學生的學習興趣。例如，真空閥門是真空吸取器的核心部件，可實現吸、放、關三種狀態的轉換，傳統教學依靠平面圖紙進行，學生僅靠空間想象難以理解真空閥門的內部結構及相互位置關系，教學效果不佳。運用虛擬仿真技術，可以直觀地展示真空閥門內部結構及各零部件間的位置關系，易于理解，從而使學生的學習興趣高、學習效果好。

氣鎮閥是真空吸取系統中旋片式真空泵的重要組成部分，其工作原理不易理解，運用虛擬仿真技術可以在三維空間內逼真地呈現氣鎮閥各零部件的動作狀態以及內部氣路的走向，將復雜的工作原理過程形象化、簡單化，學生可以很直觀地認識、理解氣鎮閥的工作原理。因此，將虛擬仿真技術應用到真空吸取設備的理論教學中，可以加深學生對理論知識的理解與掌握，有效解決理論教學過程中存在的理論理解不到位的問題。

（二）虛擬仿真技術在真空吸取系統實踐教學中的應用

1.虛擬仿真技術在真空吸取系統虛擬拆裝實踐教學中的應用。旋片式真空泵在真空吸取系統中占有舉足輕重的地位，真空吸取器真空腔真空度的獲得與保持都依靠真空泵的正常工作。在旋片式真空泵結構特點、工作原理和維修保養學習的過程中，拆裝實踐教學是非常有效的途徑之一。然而，受學時、真空泵數量、空間場地、成本、安全等諸多因素的限制，拆裝實踐教學一般難以有效開展，即使開展也無法達到預期的教學效果。鑒于此，運用虛擬仿真技術，構建旋片式真空泵的三維仿真模型（如圖1和圖2所示），可有效克服時間、空間場地、真空泵數量、成本、安全等因素的制約，實現每名學生人手一臺設備，極大地提高了教學效率和學生的學習積極性。

2.虛擬仿真技術在真空吸取系統操作訓練教學中的應用。真空吸取系統涉及的部件眾多，在實際操作訓練過程中，需要多號手協同配合，牽一發而動全身，毫無操作經驗的學生直接進行實裝操作存在一定的風險隱患，加之真空吸取系統所吸部件往往非常重要或極為特殊，稍有不慎，就會造成嚴重后果。相比而言，虛擬仿真技術在真空吸取系統訓練教學中具有突出優勢。通過虛擬仿真技術構建三維仿真訓練場景，可實現單機和多號手協調兩種訓練模式，在訓練模式下，每一步操作均有語音和文字提示，每一步操作對象均會有高亮閃爍提示，指引用戶進行操作。操作步驟與操作規范和實裝一致，可幫助用戶快速掌握相關崗位的操作技巧。虛擬訓練操作熟練且考核合格后方可轉入實裝操作訓練，實現虛擬與現實的優勢互補，提高訓練效率，降低訓練成本。

3.虛擬仿真技術在真空吸取系統故障分析排除教學中的應用。真空吸取系統不同部件的故障模式、故障現象以及故障機理各不相同，傳統教學模式采用理論講解模式，無法讓學生看到具體的故障現象，也難以真正理解相應的故障機理，學生的學習興趣低、學習效果差。虛擬仿真技術的可塑性可以模擬不同部件的多種故障模式，并對相應的故障現象和故障機理進行演示，直觀明了，能激發學生的學習興趣和積極性，易于學生理解掌握。例如，以一次吸取器真空腔真空度不合格的案例式教學為例，引導學生從流出真空腔氣體量驟減和流入氣體量驟增兩個方面查找故障原因，在此過程中，學生可以自由組合多種故障模式，親身經歷、自主設計，并通過虛擬仿真技術分別演示不同組合模式下的故障過程和造成的故障現象，在提升學習效果的同時有利于學生實踐能力、創新能力的培養。

（三）虛擬仿真技術在真空吸取系統考核評估中的應用

利用虛擬仿真技術可以實現對學生的考核評估工作，以真空吸取系統考核評估為例，包括理論考核和操作考核兩個部分。理論考核時系統會自動從題庫的多類題型中隨機抽取試題組成一套試卷，學生在規定的時間內完成試卷并提交，系統自動評卷打分，并將成績寫入數據庫中。操作考核三維場景與操作訓練場景一致，考核時無語音、文字和高亮提示，學生需在規定的時間內按預定規程完成考核的所有操作步驟，如有錯誤操作，系統會予以提示并記錄扣分細節，待考核結束后，在結算匯總頁面統一展示，并將最后的考核情況寫入數據庫中。考核結束后，教師可以通過后臺查看考核時間、成績等信息，并可通過餅狀圖對成績進行分析統計，全面掌握學生的學習效果，進而有針對性地調整、替換或者重新設計教學訓練內容，提高教學的針對性和有效性。

結語

虛擬仿真技術以其趣味性、真實性、互動性、沉浸性等優勢成為現代化教學的重要手段之一，具有非常廣闊的應用前景。在真空吸取系統教學中引入虛擬仿真教學，可有效彌補傳統教學存在的不足，激發學生的學習興趣，改善教學效果，培養學生的創新創造能力。

參考文獻

［1］葛利玲，湯玉斐，鄒軍濤，等.基于虛擬仿真技術的“金屬塑性變形與再結晶”綜合實驗教學改革與實踐［J］.中國教育信息化，2021（18）：34-37+72.

［2］鄧江洪，陳新元，曾良才.虛擬仿真技術在“液壓傳動”課程中的應用研究［J］.教育教學論壇，2021（3）：157-160.

［3］王浩.高校土木工程專業虛擬仿真實驗教學模式研究［J］.牡丹江大學學報，2018，27（1）：139-142.

［4］王蓉，韋慶敏，覃利琴，等.基于虛擬仿真技術的線上線下混合式教學模式在無機化學實驗中的應用［J］.化工設計通訊，2021，47（11）：112-113.

［5］呂凱，李海崗，于洪兵，等.基于虛擬仿真技術的“電控發動機”教學案例研究［J］.實驗室科學，2021，24（4）：97-99.

［6］周振起，趙星海，肖斌，等.基于電廠運行虛擬實踐教學系統的教學改革與實踐［J］.教育教學論壇，2017（49）：151-152．

Application of Virtual Simulation Technology in Vacuum Absorption System Teaching

XUE Hai-jian， DONG San-qiang， SHEN Rui-qiang

（College of Nuclear Engineering， Rocket Force University of Engineering， Xian，

Shaanxi 710025， China）

Abstract： Virtual simulation technology is a new educational productivity， with the advantages of being realistic， interesting and efficient， safe and affordable， and free to expand. In view of the shortcomings in the teaching of traditional vacuum absorption system， the virtual simulation technology is introduced into the teaching， the traditional teaching mode is extended， and the application of virtual simulation technology in the teaching of vacuum absorption system is discussed from the aspects of theoretical teaching， practical teaching and assessment. The practical results show that the introduction of virtual simulation technology can help stimulate students interest in learning， enhance the interest of classrooms， enhance students participation， improve teaching effects， cultivate students innovation and creativity， and provide a new way for curriculum teaching reform.

Key words： virtual simulation; vacuum adsorption system; education