虛擬仿真技術(shù)在高職機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：新時(shí)代下，高職教學(xué)的實(shí)踐性受到了更多的關(guān)注。實(shí)訓(xùn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要渠道，與其他專業(yè)相比，高職機(jī)電一體化專業(yè)課程融合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)，內(nèi)容綜合性強(qiáng)，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式和內(nèi)容具有一定局限性，已難以滿足新時(shí)代機(jī)電一體化專業(yè)的教學(xué)需求。虛擬仿真技術(shù)作為“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的代表，集合智能傳感器、計(jì)算機(jī)、深度學(xué)習(xí)等最新信息技術(shù)成果，能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界要素，并通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多感官傳達(dá)。基于此，文章針對(duì)虛擬仿真技術(shù)在高職機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討研究，以期有所幫助。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù) 高職機(jī)電一體化專業(yè) 實(shí)訓(xùn)教學(xué)

高職作為向社會(huì)輸送綜合型技能人才的基地，學(xué)生實(shí)踐能力的提高是教學(xué)重點(diǎn)之一。機(jī)電一體化課程知識(shí)點(diǎn)較多，內(nèi)容廣泛，而且需要具備一定的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)部分學(xué)生來(lái)說(shuō)具有一定難度，影響了專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的開(kāi)展。虛擬仿真技術(shù)依托于計(jì)算機(jī)，能夠直觀、生動(dòng)模擬真實(shí)場(chǎng)景，使學(xué)生在完成技能訓(xùn)練的同時(shí)提升動(dòng)手能力。對(duì)于其在高職機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 虛擬仿真技術(shù)在高職機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 提升教學(xué)效果

教學(xué)效果的提升是虛擬仿真技術(shù)最大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一。虛擬仿真技術(shù)作為信息技術(shù)的產(chǎn)物，在互聯(lián)網(wǎng)條件下能夠隨時(shí)使用、查看。課堂教學(xué)中，教師可以利用虛擬仿真技術(shù)，從多角度演示，突破重點(diǎn)，為學(xué)生的自主操作打下基礎(chǔ)。學(xué)生也可以不受時(shí)間和空間限制，針對(duì)自身疑惑點(diǎn)和學(xué)習(xí)薄弱點(diǎn)，在虛擬仿真技術(shù)營(yíng)造出的三維環(huán)境中，反復(fù)操作觀看。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)也可以和智慧課堂技術(shù)聯(lián)動(dòng)，使教師能夠及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和知識(shí)點(diǎn)掌握情況，便于開(kāi)展個(gè)性化教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

1.2 降低教學(xué)成本

機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容多樣，包括電工實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、供配電技術(shù)實(shí)訓(xùn)、可編程序控制器實(shí)訓(xùn)、單片機(jī)技術(shù)實(shí)訓(xùn)、電力自動(dòng)化與繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)等，均需要對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)施支持，以上硬件和軟件后續(xù)的更新、升級(jí)，一定程度上提高了教學(xué)成本。虛擬仿真技術(shù)僅需要計(jì)算機(jī)和對(duì)應(yīng)軟件，即能夠?yàn)榻虒W(xué)提供多樣豐富的素材和貼近真實(shí)情境的場(chǎng)景平臺(tái)，在交互式仿真環(huán)境中開(kāi)展教學(xué)，有效控制了教學(xué)成本。

1.3 保證教學(xué)安全

安全是各學(xué)科教學(xué)的共通要求。機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)涉及高壓電路、運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件等內(nèi)容，具有不可忽視的安全隱患，甚至威脅人身安全。虛擬仿真技術(shù)以擬真為核心，教師教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐均在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，大大降低了誤操作等帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，也能有效規(guī)避因教學(xué)硬件老化引發(fā)的安全事故。也可以在虛擬仿真技術(shù)中集成修正預(yù)警功能，第一時(shí)間對(duì)學(xué)生的誤操作發(fā)出警告，能夠引導(dǎo)學(xué)生及時(shí)修正錯(cuò)誤，樹(shù)立牢固安全意識(shí)。

2 高職機(jī)電一體化專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)是高職機(jī)電一體化專業(yè)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，主要包括虛擬廠房、虛擬設(shè)備、虛擬工具、虛擬輔助設(shè)備等，共同形成一個(gè)最大程度接近現(xiàn)實(shí)世界元素，能夠進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、加工、裝配以及電氣配置，運(yùn)動(dòng)仿真等操作的實(shí)踐平臺(tái)。具體內(nèi)容模塊如下。

2.1 工程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)模塊

工程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)模塊以機(jī)械繪圖軟件為基礎(chǔ)，能夠在繪圖結(jié)束后，為其賦予材料、特性等設(shè)定，進(jìn)行虛擬位置、尺寸、機(jī)械性能強(qiáng)度等檢測(cè)。同時(shí)能夠自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)工程圖面、對(duì)應(yīng)的元器件及零件清單、三維初級(jí)模型，為后續(xù)加工打下基礎(chǔ)。此外，可以在其中添加標(biāo)準(zhǔn)零件資源庫(kù)，便于隨時(shí)調(diào)取組裝。

2.2 機(jī)械加工仿真實(shí)訓(xùn)模塊

機(jī)械加工仿真實(shí)訓(xùn)模塊是對(duì)零件的加工工藝安排、機(jī)械加工的虛擬仿真。需包含不同類型、規(guī)格機(jī)床模塊，以及對(duì)應(yīng)的加工工序功能、通用刀具模型，使學(xué)生能夠使用與操作現(xiàn)實(shí)實(shí)際機(jī)床相同的操作方法進(jìn)行加工。此外，還需要加入多樣的自定義功能，例如能夠?qū)γ鞑牧闲螤睢⒊叽纭⒉牧线M(jìn)行定義，還可以對(duì)加工刀具性能進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置等。

2.3 測(cè)量實(shí)訓(xùn)模塊

測(cè)量實(shí)訓(xùn)模塊是對(duì)零件測(cè)量檢驗(yàn)的仿真，需包含三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、千分尺、百分表、水平儀、次元設(shè)備等相關(guān)測(cè)量設(shè)備，并具備自動(dòng)測(cè)量、標(biāo)注等功能。同時(shí)還需與其他模塊、基礎(chǔ)素材庫(kù)聯(lián)動(dòng)，使學(xué)生能夠直接調(diào)出加工好的模塊，結(jié)合測(cè)量結(jié)果探索不合格原因，并返回設(shè)計(jì)、加工模塊進(jìn)行修改。

2.4 機(jī)械仿真實(shí)訓(xùn)模塊

機(jī)械仿真實(shí)訓(xùn)模塊是對(duì)實(shí)際機(jī)械設(shè)備的仿真，須具備內(nèi)容覆蓋全面的零部件庫(kù)，以及設(shè)計(jì)、調(diào)用非標(biāo)準(zhǔn)零部件功能，使學(xué)生能夠依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行組裝，并實(shí)時(shí)測(cè)量反饋功能，以標(biāo)定最終運(yùn)動(dòng)精度和誤差。還須具備與圖紙生成模塊的聯(lián)動(dòng)功能，拓展虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用空間。

2.5 信號(hào)配置實(shí)訓(xùn)模塊

信號(hào)配置實(shí)訓(xùn)模塊是對(duì)電氣化控制模擬仿真的模塊。須具備基礎(chǔ)的控制信號(hào)文件，和個(gè)性化的控制程序編寫功能。并能夠添加按鈕、輸入框、指示燈等控件，形成人機(jī)交互平臺(tái)。

2.6 信號(hào)映射實(shí)訓(xùn)模塊

信號(hào)映射實(shí)訓(xùn)模塊是在電氣信號(hào)和機(jī)械部件間建立綁定關(guān)系的功能模塊。須具備低壓電氣元器件、液壓氣壓元器件、傳感元器件等基礎(chǔ)零部件庫(kù)，以及機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)圖的導(dǎo)入功能，能夠?qū)㈦姎庠骷膮?shù)特性導(dǎo)入其他機(jī)械仿真模塊之中，實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同控制。

3 虛擬仿真技術(shù)在高職機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用建議

3.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。高職機(jī)電一體化教師需要結(jié)合虛擬仿真技術(shù)特征，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，確保應(yīng)用效果。

實(shí)訓(xùn)前，教師可運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)預(yù)演實(shí)操流程，通過(guò)三維動(dòng)態(tài)演示分解任務(wù)目標(biāo)、安全規(guī)范及操作要點(diǎn)，幫助學(xué)生建立清晰認(rèn)知。實(shí)踐階段，借助技術(shù)優(yōu)勢(shì)構(gòu)建可循環(huán)訓(xùn)練場(chǎng)景：如開(kāi)放工業(yè)機(jī)器人多編程語(yǔ)言模擬平臺(tái)，引導(dǎo)對(duì)比調(diào)試差異；或搭建設(shè)備故障庫(kù)開(kāi)展排障演練，強(qiáng)化學(xué)生定位問(wèn)題與應(yīng)急處理的雙重能力。技術(shù)支撐下的重復(fù)驗(yàn)證機(jī)制，能有效提升實(shí)訓(xùn)精準(zhǔn)度，鍛煉學(xué)生快速定位問(wèn)題所在并采取正確措施的能力。

教師應(yīng)強(qiáng)化教學(xué)開(kāi)放性，融入行業(yè)熱點(diǎn)激活創(chuàng)新思維。例如，以智能家居、智能物流等機(jī)電一體化前沿領(lǐng)域?yàn)轫?xiàng)目載體，鼓勵(lì)學(xué)生基于虛擬仿真平臺(tái)自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)、迭代功能方案，既能強(qiáng)化實(shí)踐能力，又能同步對(duì)接行業(yè)需求，增強(qiáng)就業(yè)適應(yīng)性。跨學(xué)科整合是深化教學(xué)的關(guān)鍵：可融合數(shù)學(xué)建模、編程與自動(dòng)控制原理構(gòu)建復(fù)合任務(wù)，或?qū)㈦姎饣A(chǔ)與PLC技術(shù)交叉訓(xùn)練，形成“理論-技術(shù)-應(yīng)用”閉環(huán)，系統(tǒng)性提升專業(yè)認(rèn)知深度，將基礎(chǔ)電氣操作與PLC編程結(jié)合，構(gòu)建完善的教學(xué)體系，推動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知。

3.2 創(chuàng)新教學(xué)方式

教學(xué)方式是教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)任務(wù)呈現(xiàn)的構(gòu)架，需結(jié)合虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)特征，不斷創(chuàng)新教學(xué)方式。

例如，為充分激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐參與意愿，教師可以采取任務(wù)式教學(xué)模式，將學(xué)生隨機(jī)分組后，設(shè)置貼近企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的操作性任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮自身主觀能動(dòng)性，探尋解決方案，完成任務(wù)。例如學(xué)習(xí)正反轉(zhuǎn)控制電路的原理、安裝及檢測(cè)相關(guān)內(nèi)容時(shí)，教師可以模仿企業(yè)人員架構(gòu)，設(shè)置設(shè)計(jì)師、操作員、監(jiān)理員三種不同崗位，并將學(xué)生分為三人一組的小組，使各小組通過(guò)抽簽方式明確成員崗位擔(dān)當(dāng)。實(shí)踐中，小組學(xué)生需依據(jù)教師設(shè)置的任務(wù)目標(biāo)，召開(kāi)評(píng)估會(huì)議，共同研討項(xiàng)目要求，集合全員力量構(gòu)建初步模塊，由設(shè)計(jì)員提出最終設(shè)計(jì)方案，由操作員借助虛擬仿真技術(shù)模擬設(shè)計(jì)方案的生產(chǎn)流程，由監(jiān)理員探討設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。形成設(shè)計(jì)方案后，設(shè)計(jì)員需要模擬生成標(biāo)準(zhǔn)電氣原理圖，操作員依據(jù)原理圖從虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)中選擇對(duì)應(yīng)模塊，確定元器件型號(hào)，監(jiān)理員進(jìn)行審核與預(yù)算編制模擬。最后小組成員還需共同模擬零部件組裝操作，并借助視頻拍攝等方式記錄。這一過(guò)程中，虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供了一個(gè)理想的探究平臺(tái)，能夠使學(xué)生不斷驗(yàn)證自身設(shè)計(jì)方案，實(shí)時(shí)反饋設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化提升，切實(shí)鍛煉了學(xué)生的合作交流能力和問(wèn)題解決能力。

翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，虛擬仿真技術(shù)的可操作性優(yōu)勢(shì)為翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用提供了良好基礎(chǔ)。例如學(xué)習(xí)升降電梯機(jī)電傳動(dòng)與控制一部分知識(shí)時(shí)，教師可以提前利用虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行模擬生成，并發(fā)布在在線學(xué)習(xí)群組中，布置預(yù)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀看視頻講座、閱讀電子教材等方式自學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。實(shí)訓(xùn)課堂上，教師需要圍繞知識(shí)難點(diǎn)設(shè)置更加綜合、復(fù)雜，更加接近于實(shí)際職場(chǎng)環(huán)境的任務(wù)，推動(dòng)學(xué)生運(yùn)用預(yù)習(xí)所學(xué)進(jìn)行模擬探究，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中教師布置任務(wù)、學(xué)生被動(dòng)跟隨的模式，推動(dòng)學(xué)生、師生之間的交流溝通，構(gòu)建出積極、熱烈的學(xué)習(xí)氛圍，全面鍛煉學(xué)生能力。此外，教師還需關(guān)注行業(yè)需求變化和技術(shù)手段的創(chuàng)新，將教學(xué)方式層次化、模塊化，更好地為不同基礎(chǔ)、能力的學(xué)生提供針對(duì)性的學(xué)習(xí)路徑和支持，切實(shí)保障教學(xué)效果。

3.3 完善教學(xué)資源建設(shè)

充實(shí)的教學(xué)資源能夠?yàn)樘摂M仿真技術(shù)的應(yīng)用提供源源不斷的素材，進(jìn)而推動(dòng)教學(xué)的創(chuàng)新，為高職機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供強(qiáng)有力的保障。高職院校需要針對(duì)本校教學(xué)基礎(chǔ)、教學(xué)需求等，綜合教學(xué)資源的多樣性和實(shí)用性，構(gòu)建可拓展的教學(xué)資源庫(kù)。

首先，需注重基礎(chǔ)知識(shí)理論和實(shí)訓(xùn)資源庫(kù)的建設(shè)，全面放眼機(jī)電一體化專業(yè)理論和實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求，整合機(jī)械設(shè)計(jì)原理、自動(dòng)控制理論、電氣工程等基礎(chǔ)知識(shí)和對(duì)應(yīng)教學(xué)內(nèi)容。還需收集相關(guān)案例，例如可圍繞校企合作，將合作企業(yè)的一線工程項(xiàng)目納入其中，確保其符合時(shí)代、行業(yè)發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)，使學(xué)生在案例分析、操作中具備將所學(xué)應(yīng)用于解決現(xiàn)實(shí)中的能力。

同時(shí)，需關(guān)注教學(xué)資源庫(kù)的適用性和實(shí)效性。高職院校可借助定期調(diào)查的方式，明確機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用效果和不足，把握學(xué)生、教師的實(shí)際需求，針對(duì)性收集、整合教學(xué)資源，并對(duì)其進(jìn)行深層次地加工整理，更好適應(yīng)教學(xué)需求。實(shí)踐中，高職院校可以與相關(guān)軟件服務(wù)提供商建立良好關(guān)系，形成符合自身需求的針對(duì)性資源系統(tǒng)，確保教學(xué)資源準(zhǔn)確、全面、及時(shí)有效。

3.4 培養(yǎng)教師團(tuán)隊(duì)

教師是教學(xué)的主要參與者之一，專業(yè)、高素養(yǎng)的教師團(tuán)隊(duì)是提升虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量的重要保障。

首先，高職院校應(yīng)雙軌推進(jìn)師資建設(shè)：一方面，是強(qiáng)化教師培訓(xùn)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)專題研修提升應(yīng)用能力，使其掌握軟件操作及問(wèn)題解決技巧，推動(dòng)技術(shù)融入理論、實(shí)訓(xùn)等課程體系中，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。定期組織虛擬仿真教學(xué)案例研討、課例競(jìng)賽等交流活動(dòng)，促進(jìn)經(jīng)驗(yàn)共享。另一方面，是拓寬人才引進(jìn)渠道，吸納職業(yè)技能大賽獲獎(jiǎng)?wù)叩葟?fù)合型人才，配套開(kāi)展教學(xué)法培訓(xùn)，構(gòu)建“技術(shù)能手+教學(xué)骨干”的梯隊(duì)化師資結(jié)構(gòu)，確保技術(shù)應(yīng)用與教學(xué)實(shí)踐深度融合。通過(guò)各類職業(yè)技能大賽機(jī)制，使其提供更加適宜的教學(xué)相關(guān)知識(shí)培訓(xùn)，便于組建優(yōu)秀的教師團(tuán)隊(duì)。

同時(shí)，高職院校應(yīng)當(dāng)注重發(fā)揮高職教育的職業(yè)化特征，不斷深化校企合作機(jī)制，邀請(qǐng)用人企業(yè)工程師、技術(shù)專家等開(kāi)辦虛擬仿真技術(shù)講座，為教師提供進(jìn)入企業(yè)一線交流體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，使其充分把握企業(yè)的一線需求，針對(duì)性提升自身能力，完善教學(xué)，確保教學(xué)內(nèi)容始終緊跟行業(yè)發(fā)展步伐。也可以引入雙師制度，引進(jìn)具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程師和技術(shù)專家擔(dān)任兼職講師。

4 總結(jié)

綜上所述，高職機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為教學(xué)任務(wù)的落實(shí)和學(xué)生學(xué)習(xí)的開(kāi)展提供了充分保障，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。高職院校、教師需要主動(dòng)行動(dòng)，從機(jī)械設(shè)計(jì)仿真、機(jī)械加工仿真、測(cè)量、機(jī)械裝調(diào)、機(jī)電一體化線路搭建與仿真等內(nèi)容的虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，并從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、創(chuàng)新教學(xué)方式、完善教學(xué)資源建設(shè)、培養(yǎng)教師團(tuán)隊(duì)等方面入手，確保虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用效果，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生充分探究實(shí)踐，以充分利用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其發(fā)揮更大的教育效能。

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[4]呂銘.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職院校動(dòng)漫教學(xué)中的應(yīng)用研究[C]//四川省電子學(xué)會(huì)，重慶市電子學(xué)會(huì)，四川省職業(yè)技能競(jìng)賽研究中心，重慶市人力資源開(kāi)發(fā)服務(wù)中心.2024年第四屆川渝“數(shù)智”作品設(shè)計(jì)應(yīng)用技能大賽暨第十屆四川省智能硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用大賽會(huì)議論文集.四川科技職業(yè)學(xué)院，2024：189-191.