虛擬仿真技術在應用型機電專業教學中的應用

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A

0 引言

實踐是職業技術教育院校應用型機電專業教學的一個重要環節，此環節可以使學生把所學的理論知識與實際工作相結合，從而提高其自身的工作能力、就業競爭力[1]。但在對教育市場的深入研究中發現，現有的專業教學模式存在設備短缺、實訓場地受限、實訓教學過程危險性大等問題，嚴重制約應用型機電專業教學的有效性和學生學習參與度。

按照教育市場最新頒布的人才培養計劃，應用型機電專業的學生須具備堅實的科學文化基礎和機電一體化設備安裝調試、故障診斷與維修、運行維護、技術改造以及有關的法律、法規等方面的知識與技能。即在教學中，教師須注重內容的實踐性與應用性，重視技能培訓，以提高學生的職業技能和實踐能力為中心，以系統的培訓為中心[2]。在學習中，學生不僅要學會對各類機電設備的操作、調試、維護等技能，還要學會解決實際問題及技術問題。為滿足此方面需求并深化專業教育等相關工作，本文在此次研究中，基于虛擬仿真技術的應用，以某高校作為研究試點，對其在應用型機電專業教學中的應用展開研究。

1搭建應用型教學資源庫

為滿足數字化資源在教學中的交互需求，在搭建應用型教學資源庫過程中將機電專業教學相關資源以數據格式和結構化的形式存儲到數據庫中，實現對教學資源的規范化與維護，深化資源管理[3]

資源庫包括系統管理員數據表、用戶數據表、報告數據表、問題數據表、專業實訓教學內容數據表等，本研究對其數據表構成進行分析。為實現多模塊教學資源的集成，使用戶能夠迅速、方便地檢索信息，在保障終端性能安全、操作方便、維護方便的前提下，按照E-R圖表的設計要求，結合上述表1中的內容，在各個模塊創建對應的數據表，在教學中結合具體需求，進行資源的更新、修訂等[4]

2創建機電設備三維可視化模型

在上述內容的基礎上，為實現教學過程的可視化，研究過程中利用3D建模軟件，將機電設備作業環境、傳感器分布等多個方面準確地還原，通過創建機電設備三維可視化模型，對機電系統中的各設備進行仿真制造，保證其在視覺上的逼真度和操作的精確性[5]。在建立模型時，可采用高層次造型方法，對教學設備的每個細節都進行細致處理，以保證所生成的三維模型結構與實際場景具有較高的匹配度與真實度。此種真實度不僅表現在外形方面，還表現在其實體屬性和行為仿真方面。以教學中的常見機電設備為例，創建其三維可視化模型，如圖1所示。

圖1機電設備三維可視化模型

圖2基于虛擬仿真技術搭建教學平臺架構

在教學中創建機電設備三維可視化模型，可以讓學生感受到真實的學習體驗，從而增強教學效果，避免將教學工作僅停留在表面[6]

3基于虛擬仿真技術的可視化教學實時交互設計

在上述內容的基礎上，基于虛擬仿真技術的應用，本研究進行教學平臺的構建。通過三層B/S（瀏覽器/web Server/Intermediate Server/Database Server/DatabaseServer）的網絡計算方式，使用API、公共網關技術、Java數據庫連接技術，進行機電設備三維可視化模型的導人[7]。平臺架構如圖2所示。

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在教學中，利用虛擬仿真技術作為教學輔助，通過EDA軟件實現在教學中從機電設備到電路、系統、物理過程的規劃設計、仿真分析、電路綜合以及電子設計。

虛擬仿真技術中的電子設計自動化（ElectronicDesignAutomation，EDA)軟件屬于通用可編程電路仿真軟件，其中包括超過1000種元件模擬模塊、13種儀器儀表仿真模塊、18種電路仿真分析方法[8]。其網絡版對B/S運算方式予以全面支持，適用于“電路”“信號系統”和“電子電路”等專業教學內容的在線虛擬仿真。為保證仿真交互結果的準確性，選擇具有較強運算能力和準確算法的高性能物理引擎，對機電設備作業中的不同設備、多種工況環境中運行狀態、現象進行模擬。物理引擎可實現類似于真實作業環境

的物理特性仿真，使教學終端界面具有更高的真實感[9-10] 。

完成上述設計后，為實現對虛擬仿真教學工作的進一步深化，滿足學生在學習中的多元化需求，在虛擬仿真終端，配置鼠標、手柄、鍵盤等硬件設備，學生可以在學習中根據需求，操作硬件設備，在界面中進行場景的漫游與交互。通過此種方式，建立現實世界、虛擬環境的交互連接，實現虛擬仿真技術在應用型機電專業教學中的應用。

4 實例應用分析

4.1實驗準備

本研究選擇某高校作為研究試點，在深入調研中發現，當前，此院校的應用型機電教學設備種類、數量較少，不僅難以滿足學生的基本學習需要，還會導致學生實踐學習機會不均衡，從而影響應用型人才的培養效果。同時，現有實習場所有限，部分高風險、高成本的訓練計劃很難在實踐中實施，導致高校教育教學工作一直處于受限狀態。雖然目前機電專業實踐教學采取了實踐操作指導、實驗室實習、項目驅動學習、個案研究等多種方式，但其在實踐中的運用還不夠充分，難以形成一個完備的知識體系。此外，機電專業的實習教學與企業的合作也存在一些問題，盡管與企業密切配合可以讓學生們能夠更好地設計出更接近實際需要的教學實踐，但是在具體實施中，相關工作大多難以達到預期的效果，導致教學內容與實際需求存在相互脫離的問題。針對此種現象，決定應用本文設計的方法，引進虛擬仿真技術，對高校應用型機電專業教學模式進行改進與完善。

為確保教學工作在實施中達到預期效果，設置應用型機電專業虛擬仿真教學測試現場，按照表1進行教學中輔助性軟件、硬件的集成。

表1教學輔助軟件、硬件集成

完成上述準備工作后，將其投入具體工作應用，展開如下文所示的測試工作。

4.2虛擬仿真教學界面展示

完成測試后，在終端進行機電專業虛擬仿真教學界面的展示，如圖3所示。

圖3虛擬仿真教學界面展示

從圖3所示的結果可以看出，本文設計的方法可以清晰展示機電設備的作業工況，同時，可操作界面自主調節觀察機電設備在作業中不同位置的工作狀態。由此可以證明，本文設計的方法在應用中效果良好，可以滿足機電專業虛擬仿真可視化教學需求。

4.3機電設備三維可視化模型適配度

在上述內容的基礎上，以交流接觸器、中間繼電器為例，對虛擬仿真技術創建的三維模型與其可視化結構模型進行匹配，通過檢驗結構模型與三維模型的匹配度，綜合分析虛擬仿真技術的應用效果。其結果如圖4所示。

圖4機電設備三維可視化模型適配度檢驗

度和一致性，幀速率應該維持在一個較高的水平。

在此過程中，需要注意的是，幀速率的變化幅度會影響用戶的體驗。在幀率穩定性較差情況下，圖像會出現卡頓、跳幀等情況。一般情況下，要保證畫面的流暢和舒適，游戲畫面的幀率必須大于 30fps ，從而保證畫面質量。對檢驗結果進行分析，如圖5所示。

圖5虛擬仿真界面切換中幀率穩定性檢驗結果

圖4對應2種設備的左側圖均為三維仿真模型，右側圖為可視化結構模型圖。

從圖5所示的結果可以看出，按照設計的方法進行虛擬仿真教學設計，該界面的幀率穩定性較高，即變化幅度較小，界面幀率滿足大于 30fps 的需求。

5結語

為滿足現代化市場對應用型人才的需求，在教學過程中，教師既要重視常規教學手段的應用，又要重視對學生的創造性、能力培養。培養學生的獨立思考和實際探究能力，可促使學生在學習中發現新的問題，提出新的想法，以此促進機電專業教育的發展。因此，本文基于虛擬仿真技術的應用，以某高校作為研究試點，通過搭建應用型教學資源庫、創建機電設備三維可視化模型、基于虛擬仿真技術的可視化教學實時交互設計，完成了此次設計。此種方式可以培養應用型人才。

從圖4所示的結果可以看出，應用虛擬仿真技術進行教學中的機電設備建模，可以提高三維仿真模型與可視化結構模型的適配度。此種方式保證教學工作的規范性，為學生提供更加真實的教學指導服務。

4.4虛擬仿真界面切換流暢度檢驗

完成上述測試后，將虛擬仿真教學中界面幀率穩定性作為檢驗指標。該指標主要表示1s內呈現和顯示圖片數量。在理想的情況下，為了保證圖像的流暢

參考文獻

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(編輯 王永超)

Application of virtual simulation technology in applied mechanical and electrical engineering teaching

GAO Fuming， WANG Bingjian (Training andEmployment Ofice，Liyang Secondary Vocational School of Jiangsu Province，Liyang 2133Oo，China)

Abstract:Inorder to deepen the teaching efectivenessof mechanicaland electricalmajors，thisarticle takesacertain university as aresearch pilot to study the application of virtual simulation technology in applied mechanical and electrical major teaching.Buildanapplication-oriented teaching resource libraryand store resourcesrelated to mechanical andelectrical education ina structured anddata format in the database.Using 3D modeling software， accurately restore multipleaspects such as the working environmentand sensor distribution of electromechanical equipment.By creating a 3D visualization model of electromechanical equipment，simulate and manufacture various devices in the electromechanical system.Basedon virtual simulation technology，a thre-tier B/S system is used to import thre-dimensional visualization models of mechanical and electrical equipmentusing Application Programming Interface(（API)，public gateway technology，and Java database connection technology，achieving real-time interactive design for visual teaching.The practical results showthat this methodcanachieve visual displayof virtual simulation models in teaching and ensure the stability of the frame rate of virtual simulation interface switching.

KeyWords:virtual simulation technology；resource base;3D visualization model；teaching method;mechanical and electrical engineering；applied