虚拟仿真技术在机械装调实训教学中的应用研究

黄登红

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

一、机械装调实训引入虚拟仿真技术的必要性

机械装调实训课程是高职机电类专业的核心课程，其主要教学目标是使学生熟悉典型机械部件组成结构、工作原理等基本知识，掌握机械部件安装、调试及故障维修的基本技能，同时培养学生的规范操作意识、合作精神等。机械装调实训教学，传统上多采用机械实物设备进行教学[1]。采用设备实物教学，教学情境与实际情况一致性高，但存在一定的局限性：(1)工位数量通常难以满足需要。近年来，各职业院校在实验实训硬件建设方面的投入经费逐年有增加，但远远跟不上学校规模的发展。相当部分学校的实训设备数量与学生实训人数不匹配，特别是对于种类多、价格贵的机械装调实训设备，数量更是不足。实训时，通常6-7个甚至更多的学生共用一套机械装调实训平台，难以保证每个学生得到足够的操作技能训练。(2)机械设备更新换代成本高，导致许多职业院校存在实训设备型号落后、跟不上企业技术发展步伐等问题。对于机床、汽车的机械部件拆装实训，设备更新换代就更不容易了。由于学校的机械装调实训设备属过时淘汰设备，企业已不使用，学生通过实训掌握的设备知识和操作技能到了企业基本就用不上。(3)存在安全隐患。许多机械部件结构复杂、质量笨重，在安装调整实训初期阶段，学生还不熟悉和熟练，很容易造成人身意外伤害和设备损坏，安全风险大。

虚拟仿真技术是将多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息技术进行集成的技术，将该技术引入到机械装调实训教学有着诸多优点：(1)提供足够的工位(每人一台计算机即可)，保证每个学生都能得到充分训练。(2)虚拟设备升级经济快捷，可让学生及时熟悉新型设备功能及操作。(3)节能、安全。仿真操作过程可以实现无油料消耗，避免设备和零部件的损坏，极大地降低操作消耗和环境污染[2]。仿真操作不会对操作对象造成实质性损害，更不会因操作失误对学员造成人身危害。

因此，虚拟仿真技术在高职教育中开始得到广泛的应用，仿真实训成为实训教学重要的组成部分和提高教学质量的重要手段[3]。国内陆续开发出一些可用于机械装调的仿真教学软件，如上海宇龙软件有限公司开发的汽车仿真维修软件、汽车厦门创壹软件公司开发的数控机床虚拟实训系统等，为机械装调仿真实训教学提供了技术支持[4]。

二、机械装调实训教学对仿真系统的功能要求

在机械装调实训中，教师需要展示机械部件结构、工作原理，讲解和演示拆装、调整的工艺和操作步骤，学生需要根据机械部件装配图，确定拆装工艺，完成拆装和调整等。因此，为便于机械装调实训教学，仿真系统需要具备如下功能：

1)机械部件结构展示

具备机械设备内部结构展示功能，即场景移动、缩放、旋转；各典型部件结构展示；某些剖面图的展示等。

在实际拆装中，通常要阅读装配图，根据装配图来确定拆装工艺等，因此在仿真系统中，还需提供总装图、部件装配图等。使用者能根据需要随时调出所需要部件的装配图进行查阅分析。

2)物体相关信息的展示

名称、用途、基本工作原理、外形尺寸、材料、维护保养知识等文字信息，提供整机拆卸的工艺单、拆卸规范等。

3)交互式拆装功能

能够进行拆装工具的选择；自动拆装(被选择物体按预先设置的运动方式进行自动拆装)；手动拖动(可通过预先设置的规则对物体的移动进行限制)；拆装、调试过程实现撤销、还原等操作；提供物体运动路径、运动方式等约束规则的编辑功能；提供机械拆装先后顺序的规则设置；提供子物体组合功能的设置；提供拆装提示功能设置。

4)方便观摩的动画功能

动画演示功能要求方便观摩，且符合实际情况。使用者在进行零部件拆卸、装调的练习过程中，能够随时打开或中断该项目的教学动画演示，以便学习观摩。仿真系统应能将拆装、连接等操作过程记录为动画，实现过程回放、动画参数设置(动画帧数控制及单帧设置)等。零部件拆卸、装调的动画演示，在细节上应贴近实际工艺和流程，不应是简单的拼装动画演示。

5)考核功能

能够进行拆装考核(包括工具选择、拆装方式、拆装顺序等)；能够实现试卷、试题库的编辑等管理功能。

6)具有开放性，便于用户二次开发

为更好地满足各学校的特定需求，仿真系统应该具有开放性，提供接口便于二次开发。系统管理员可根据需要增减实训设备、实训项目，对工艺路线进行编辑等。

三、机械装调仿真实训平台的构建

职业院校需结合本校的实际情况，如专业人才培养规格、教学内容、教学载体等，选用或自主开发合适的仿真实训平台。对于市场上成熟的、符合本校教学要求的仿真软件，可直接购买引进，如果通用的仿真软件难以满足学校的特定需求，可采取校本自主开发等方式构建仿真实训平台[5]。

虽然目前常见的相关机械装调仿真软件都能实现某种机械产品的机械结构、安装过程等展示功能，但在教学载体选择，以及调试工艺的展示、考核等方面还不能很好满足我校需要，因此我校与上海宇龙软件有限公司合作，共同开发了机械装调仿真实训教学平台。

机械装调仿真实训教学平台的模块结构如图1所示，主要分为用户系统、教学系统、协作与交流系统和管理员系统等四个系统。

用户系统包括“用户登录”和“修改信息”等，主要实现对用户的管理。它将用户分为三个类:教师、学生和管理员,不同级别的用户所授权限不同。

教学系统分为教学、实训、考核、资讯管理和考核维护等四个模块。在该系统中，以数控机床的机械部件为教学载体，设置了数控机床主传动机械部件的装调、数控机床进给传动机械部件的装调、数控机床辅助装置机械部件的装调、数控机床整机调试等4个学习情境(可根据需要扩展)，如表1所示。每个学习情境均包含了若干个核心技能训练项目任务，以及各项目任务的辅助教学文本、代表性的企业生产过程、课堂教学等视频、考核题库等资源。

图1 机械装调仿真实训教学平台的模块结构

协作与交流系统包括“学习论坛”和“疑难解答”两大模块,可以解决网络课堂中的双向交流问题,支持课堂讨论与实时答疑。

管理员系统主要为系统管理员所设计,系统管理员可以通过进入该系统后实现对整个系统的管理和维护。

该仿真实训平台注重装配调试工艺的展示，突出装配图识别、装调工艺制订、调试和检测等基本技能的养成训练，注重将职业教育与国家职业标准相结合，并提供了用户二次开发接口，具有良好的实用性和适应性，较好地满足了我校机械装调实训的教学要求。

表1 仿真实训平台学习情境和项目任务设计

四、仿真技术应用于机械装调实训的教学设计

长沙航空职业技术学院在运用仿真技术进行机械装调实训教学实践中，逐步探索出虚实结合的五步式教学模式，取得了较好的效果。

1)借助仿真系统讲解机械结构、工作原理等。在项目训练前，教师先讲解设备结构、工作原理，一边讲理论，一边通过计算机仿真软件实时展示，使学生从枯燥的理论教学中解脱出来，给学生一个直观的认识。

2)实训操作步骤演示。教师重点讲解机械部件的拆装工艺、操作流程及注意事项，通过仿真系统演示机械部件拆装的操作步骤。

3)学生模拟操作、教师巡回指导。学生利用仿真软件进行机械部件拆装操作仿真，教师巡回指导，及时掌握学生学习动态。

4)学生分组实物操作、教师巡回指导。学生经过模拟训练对要做的工作胸有成竹后，再进行实操实训，可减少错误，避免安全事故的发生。在实操实训阶段，采用分组讨论、协作学习等形式设计教学，注重师生和生生之间情感互动，培养学生团队合作和协同解决问题的能力。

5)教学点评。结合学生模拟操作及实际操作的过程与结果，给学生相应的教学评价，并重点进行点评，及时纠正不规范的操作或错误的操作。

在仿真实训中，学生能够人人参与、人人动手，对学习结构、原理和操作步骤起到事半功倍的效果；在实操实训中，训练学生应用知识和技能解决实际问题的能力，培养了学生的团队合作意识。

五、应注意的问题

(一)合理构建机械装调仿真实训平台

要进行充分调研，全面了解职业岗位的技能要求，提炼出相应的学习情境，依此规划好仿真实训平台的开发内容，使实训教学与企业岗位对接。构建仿真实训平台时，要深入了解学生的学习习惯和学习方式，并依此设计好虚拟平台的交互方式和呈现方式。要采用模块化、开放性系统制作思路，便于系统的二次开发。

(二)仿真实训不能取代实操实训

利用虚拟现实技术教学， 能够激发学生学习兴趣、提高教学效果，但它不能替代真实的动手实践。机械部件安装调试实训涉及到各种典型机械零部件装配和调整，用到的装调工具种类、型号很多。仿真实训中，学生虽然也能使用各种工具来进行机械零部件装配和调整，但这些安装和调整是程序化、理想化的，不像实际那样会遇到各种情况，工具的使用也只是用电脑鼠标点击就可以了。这种方式终归不是真正动手实践， 在一定程度上降低了技能训练效果。在仿真实训进行危险性操作时，不会造成损失，容易使学生养成不遵守操作规程的不良习惯。因此,仿真实训与实操实训要结合应用，优势互补、相得益彰。

(三)加大培训推广和技术支持力度

仿真实训教学系统的合理设计和有效使用，需要教师在教学理念和教学能力上都达到一定的水平。学校应加大培训力度，积极开展虚拟仿真技术交流、应用与经验推广、成果展示等活动，提高教师虚拟仿真技术应用水平。要加大技术支持力度，虚拟仿真平台开发技术较难，仅仅依赖教师是不够的，要充分发挥校企合作资源优势，让开发制作主要工作由企业(如专业软件开发公司)技术人员完成，学校专业教师将主要精力用于教学设计、脚本撰写。这样，既可以保证资源的质量，又有利于提高专业教师研发、使用虚拟仿真资源的积极性。

[1] 姜大源.当代德国职业教育主流教学思想研究[M].北京：清华大学出版社，2006,(9).

[2] 杨春明.采用模拟仿真教学提高学生实际操作能力的实践[J].辽宁行政学院学报，2011，(1).

[3] 王金岗.虚拟现实技术在高职实践教学中的应用研究[J].中国职业技术教育，2011，(23).

[4] 许爱军，张文金.虚拟现实技术在职业教育中应用的现状、问题及对策[J]．中国职业技术教育，2011，(8).

[5] 孙丕波，周利江.一种通用性虚拟教学平台的研究[J]. 中国科技信息,2006,(4).