基于智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中的研究與應用

朱思虎

摘 要：將智能虛擬技術應用于噴涂教學中是工學一體化教學發展的必然趨勢。對于汽車噴涂工學一體化教學，學生能掌握汽車噴涂方法，在實際的課程教學與企業要求的技能水平還有很大差距，學生在短時間內不能有效地掌握汽車噴涂的技能。為了進一步提升學生的汽車噴涂技能水平，對智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中進行研究。首先，介紹了智能虛擬噴涂教學的理論基礎。其次，闡述了汽車噴涂工學一體化教學的開展與存在的問題。再次，基于智能虛擬噴涂教學的工學一體化教學模式設計，最后對其效果進行了分析。

關鍵詞：工學一體化 智能虛擬 噴涂教學

1 引言

本文探討基于智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中的研究與應用。工學一體化教學作為一種革新教育的探索，不僅符合社會發展的需求，而且能夠培養學生的實踐能力和創新意識。隨著科技的不斷進步，虛擬仿真技術在教學中的應用也越來越廣泛。而基于智能算法的虛擬噴涂參數優化技術則能夠有效地提升虛擬噴涂教學的效果。

在本文中，首先介紹智能虛擬噴涂教學的理論基礎，虛擬現實技術涵義、虛擬現實技術在教學中的應用。接著，深入探討工學一體化教學的開展與不足，包括在汽車噴涂工學一體化教學開展與教學中的不足。在此基礎上，介紹基于智能虛擬噴涂教學的工學一體化教學模式設計，包括了基于智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中優勢，工學一體化教學的設計思考，工學一體化教學的過程設計，智能虛擬噴涂在工學一體化教學過程，教學案例與效果分析。最后，由此歸納總結出本文的結論。

本文為教育工作者和相關研究者提供一些新思路和實踐經驗，以促進智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中的廣泛應用。結果表明，智能虛擬噴涂教學系統在工學一體化教學中具有顯著的教育效果和廣泛的應用前景。綜上所述，智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中的應用為教育技術的發展提供了新思路和新方法。

2 智能虛擬噴涂教學的理論基礎

2.1 虛擬現實技術涵義

虛擬現實技術主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面。虛擬現實技術的模擬環境是基于計算機技術圖形構成的三維數字模型，這種虛擬的環境是通過由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像，產生一種人為虛擬的環境。感知是指理想的通過虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知，感知環境與事物的內在變化與發生“交互”作用。自然技能是人的身體運動，如跑步，眨眼等一切身體動作。通過計算機來運算與參與者的一系列動作與之匹配的數據，計算機中去生成一個綜合可感知的人工環境，并對用戶的輸入作出實時響應，并分別反饋到用戶的五官。虛擬現實具備三種特征，包括“沉浸性”、“交互性”和“創想性”。

2.2 虛擬現實技術在教學中的應用

虛擬現實技術在各行各業都用具有十分廣泛的應用和重要的現實意義。如在地理信息系統、虛擬醫學工程、航空航天等方面都有應用。其中基于VR技術的虛擬仿真技術是實現智能虛擬技術的代表，在教學上也得到了廣泛的應用。是實現智能虛擬教學的關鍵技術之一，可以將真實的操作過程通過計算機生成并呈現給學生，使學生在沒有實際的噴涂操作設備的情況下，能夠深入了解噴涂加工的流程和技術要領。需要收集真實噴涂加工過程的數據和操作記錄，利用數學模型和計算機技術，將這些數據和操作記錄轉換為虛擬噴涂場景。讓學生通過虛擬場景對噴涂加工技術進行實際操作和學習，不僅可以減少對實際物品和實驗設備的需求，還能讓學生在安全條件下進行實驗，提高噴涂實訓的效率。

3 汽車噴涂工學一體化教學的開展與存在的問題

3.1 汽車噴涂工學一體化教學開展

汽車噴涂課程之前采用傳統的教學方法，先理論后實踐，導致理論實踐脫節，學生不能很好掌握學習內容。為了提升學生的操作能力，汽車噴涂教學按照工學一體化教學進行開展，以企業工作過程構建教學過程。按照工學一體化教學資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估等六個環節開展教學任務。資訊環節，提出本次的工作任務，完成相應的知識點學習，掌握汽車噴漆的作用與工作原理。計劃環節，學生查閱相關資料與相關視頻制定計劃。決策環節，小組匯報學習任務操作方案，教師引導各組完善計劃。實施環節，各小組按照計劃進行操作，教師進行巡回指導，及時糾正學生不規范操作。檢查環節，按照企業作業要求檢查學習情況與任務完成效果。評價環節，小組同學進行小組討論自評、互評、師評。

3.2 汽車噴涂工學一體化教學中的存在的問題

汽車噴涂工學一體化教學提升了學生對知識技能的掌握，但是在開展汽車噴漆工學一體化課程教學中也發現有不足之處，主要存在的問題表現在以下幾個方面：第一，在安全環保方面，學生是初學者，還沒有形成較強的安全環保意識，可能由于操作不規范導致對環境和人體產生危害。第二，在教學成本方面，對剛開始學習噴涂的學生來說，沒有掌握噴涂技能，需要反復地訓練，無形當中就會浪費大量的涂料與板件從而增加成本。第三，學生的操作技能不能有效提升方面，在教學中發現，噴涂在走槍手法上非常嚴謹，如在噴槍調節、握槍姿態、噴槍的角度距離速度等都直接影響最終的噴涂效果，學生在進行噴涂訓練時很難形成操作技能或者需要很長時間的鍛煉。第四，學生在學習思維上受到一定局限性，對操作的技巧不能快速理解掌握，老師針對噴涂手法進行講解，學生還是不知道自己的操作誤區在什么地方。第五，在教學手段方面，老師能運用教學視頻，現場設備等開展教學，學生能按照講解內容進行操作，但是學生在控制噴漆的距離、噴槍的速度和噴槍的角度等方面很難把控，教師不能直觀將操作數據在學生面前展現出來。第六，在考核方面，老師也只能觀看學生的操作過程與噴涂的結果進行打分，在噴槍的噴射角度、噴槍的噴射距離、噴槍的移動速度等這些關系細節不易進行考核，或者只能主觀評價。這些細節是學生掌握噴漆技能的關鍵。

4 基于智能虛擬噴涂教學的工學一體化教學模式設計

4.1 基于智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中優勢

智能虛擬課堂的特點及優勢：利用虛擬現實技術進行教學，可以彌補學校教學經費的不足，降低教學成本，避免真實操作帶來的危險，學生可以多次探究實驗提升技能水平；提升學生學習體驗，創造多樣化學習情景，激發學生學習興趣，打破時間空間局限，引領開展創造性學習，促進學生可視化思維發展。采用智能虛擬噴涂，可以將學生置身于仿真環境中實踐與模擬實驗，提高實驗效果與安全。讓學生在仿真環境中開展高效的技能訓練，能夠讓學生感受到真實的噴涂操作過程，促進學生全身心地學習，使學生可以進行真實感較強的虛擬噴涂實驗，提升其操作技能與對噴涂工藝的理解。智能虛擬噴涂教學系統的實踐應用能夠極大地促進學生對噴涂工藝與噴涂過程的認識。

4.2 基于智能虛擬噴涂在工學一體化教學的設計思考

利用智能虛擬噴涂是解決教學中存在的不足與掌握噴漆技能的關鍵。工學一體化教學以引導學生深入研究，自主學習，不斷探索問題的解決方法，核心思想是通過綜合性和實踐性的學科知識來培養學生解決問題的綜合能力，具有提高學生創新能力和綜合素質的優點。在噴涂工學一體化教學中存在環境污染與人體傷害、教學成本較高、操作技能不能有效提升和考核不精確等。這些問題是存在的，也是可以解決的，關鍵在于教學設計的方法和手段。采用智能虛擬噴涂教學系統作為一種新型的教學手段，解決在學習過程中出現的環境污染與人體傷害、教學成本較高、操作技能不能有效提升、考核不精確等問題。智能虛擬噴涂教學系統可以極大地提高噴涂的精度和效率，通過學習虛擬噴涂的過程，學生可以加深對實際噴涂加工過程的理解。智能虛擬噴涂教學為工學一體化教學帶來了新的思路，在教學設計中要通過智能虛擬噴涂教學系統為學生提供了更加高效和優質的學習體驗，提升教學實踐應用和教學效果。

4.3 基于智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學的過程設計

教師在設計工學一體化課程教學時應該充分考慮數字化技術的應用，以提高學生的綜合素質和創新能力。結合智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中優勢，根據工學一體化教學任務特點，合理運用智能虛擬噴涂教學設備有機融入資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估等六個教學環節。以代表性學習任務底涂層涂裝中的空氣噴槍的使用為例：第一，資訊環節，利用智能虛擬噴涂教學設備學習相應的知識，如噴槍的結構認識，噴槍漆量調節旋鈕，噴槍氣壓調節旋鈕，風帽，噴槍扇幅調節旋鈕，噴槍校正按鈕，噴槍連接等知識；掌握汽車噴涂的作用與工作原理。第二，計劃環節，可以根據智能虛擬噴涂教學設備顯示與正在訓練項目的相關輔助提示功能作制定計劃。如最佳噴涂壓力的調整，最佳噴幅圖形的調整，最佳出漆量的調整，調整霧束的方向，霧化質量的檢查等。第三，決策環節，可以讓學生根據智能虛擬噴涂教學系統演練修訂自己的計劃。第四，實施環節，各小組同學在虛擬噴涂教學設備上進行練習，及時地調整糾正技能操作，快速地掌握噴涂走槍手法，空氣噴槍與工件表面的角度，空氣噴槍與被涂表面的正確距離，空氣噴槍移動的速度，空氣噴槍扳機的控制，噴涂邊緣的搭接。第五，檢查環節，回放學生在虛擬噴涂教學設備上的手部動作、移動速度、行走角度、距離等重要數據，判斷學習情況與任務完成效果。第六，評價環節，可以利用虛擬噴涂教學設備對操作過程中的整個噴涂過程參數，直觀地了解自己的不足。

5 教學案例與效果分析

5.1 教學實例

為驗證智能虛擬噴涂在工學一體化教學過程中運用的有效性，針對課程“汽車噴漆”中的“噴槍使用”這一工作任務，開展教學示范驗證。將授課班級同學隨機分成A、B兩個小組，A組同學在沒有使用智能虛擬噴漆設備的條件下進行一體化教學，B組同學在有使用智能虛擬噴漆設備的條件下進行一體化教學。通過對學習效果的統計研究，發現A組同學明顯低于B組。其原因是B組同學在各教學環節中得到了智能虛擬噴漆設備支持，提升了操作技能水平。以噴槍使用為例，具體教學步驟如圖1所示。

5.2 效果分析

通過智能虛擬噴涂教學在工學一體化教學中的應用實踐。學生在工學一體化學習任務中使用智能虛擬噴涂系統更容易掌握噴槍使用，學生可以更好地理解噴槍使用原理和噴槍操作技能。同時，學習過程安全環保，降低培訓成本。對環境和人體都無任何傷害，整個培訓過程綠色環保。無任何涂料或板件的消耗，大幅節省培訓物力成本。學習更為便捷，可以通過智能虛擬噴涂系統連接網絡查閱信息，也可以將相關噴涂知識的文檔資料拷貝到系統，學生可以隨時查閱，學生可以跟隨“引導噴槍”進行噴涂手法訓練。多種噴涂板件可選，可以提供汽車車身上常見板件進行噴涂訓練。實時輔助顯示，3D噴涂錄像可分享及學習。學生進行噴涂操作訓練時，系統會監控學生操作數據轉化為的圖形化提示學生，學生根據系統的提示及時糾正自己的操作動作。系統可以按照學生操作形成錄像，可分享可回看，也可對比噴涂訓練。動態設定任務、效果可評估。教師可以設定不同任務與不同參數，學生的學習結果可直接在系統上精確直觀反饋，老師可以根據整個操作過程對學生追蹤評定。

6 結語

在噴涂課程工學一體化教學中運用智能虛擬噴涂教學來提升學生的綜合能力具有重要的應用價值。通過研究發現，智能虛擬噴涂教學可以有效提高學生的學習興趣和自主學習能力。在教學中智能虛擬技術扮演了重要的角色，可以更直觀地展現噴涂加工的操作流程與操作細節，讓學生更深入地理解噴涂加工的原理和方法。在學習噴涂加工的流程和技術要領時，學生可以通過虛擬場景操作噴涂設備，觀察噴涂的效果和輸出參數，并對不同的參數進行調整，從而深入了解不同參數對噴涂效果的影響，為學生提供了更好的操作指導，實現更高效、更精確地噴涂加工過程。通過與工學一體化教學的整合，采用智能虛擬噴涂教學系統進行教學可以有效改善學生的學習效果，學生的實際操作能力也得到了提升，提高了學生的操作水平和綜合能力。這些成果和經驗凸顯了本研究的重要意義，為今后在工學一體化教學中的教學改革提供了借鑒。

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