虚拟拆装在CAI创新实践中的教学应用研究

王迪 高翔 朱红波 李凡 徐春霞

[摘           要]  以SolidWorks Composer为虚拟仿真平台开发一套多级离心泵的虚拟拆装系统。利用三维实体软件创建多级离心泵零部件模型并利用约束关系配合成装配体，将模型导入到虚拟仿真平台上，借助工业现场设备的作业指导书，将正确拆装流程图开发成人机交互功能。学生通过操作可对多级泵进行虚拟拆装，进一步加深设备内部装配关系和结构原理，同时教师对多级离心泵的拆装流程作出正确评价，且保证拆装人员安全和减少设备损耗等问题。

[关    键   词]  SolidWorks Composer;多级离心泵;实践教学;虚拟拆装;创新

[中图分类号]  G712                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2020）09-0122-02

离心泵的拆装是高职教育“化工设备维修技术专业”的核心课程——“化工泵的运行维护与检修”实践教学中的重要组成部分。在课程实践教学中，通过拆装离心泵实体，熟悉了解泵体的正确拆装流程以提高维修操作技能，但在后续的实践教学中往往遇到一系列问题，诸如：由于课堂教学人数较多，工位数量有限的问题;由于设备反复拆装造成零部件不可逆修复问题;学生操作规程错误，造成人身安全问题;对于常规实践课程消极怠慢，不主动不积极等，此时传统实践教学急需改进。而随着国家鼓励大众创新，提倡高校创新成果转化，利用CAI（Computer Aided Instruction）——计算机辅助教学方法进行创新实践，对传统教学模式改革已迫在眉睫。2010年高职国家级精品课也明确评审指标：应建立虚拟仿真教学环境如虚拟工厂、虚拟工位、虚拟项目等，通过优化教学过程，提升教学效果[1]。本文作者将基于Solidworks Composer的虚拟仿真平台用于多级离心泵的实践教学中，形成一种新型的计算机辅助授课模式，即“CAI系统+实践教学”。

一、CAI教学特点

姜大源[2-3]认为职业教育不仅要为社会培养高素质技术技能人才，也要承载学生满足自我个性和形象思维的需求。我国领导人也多次提到，“大众创新、万众创业”要坚持改革创新，通过创新引领就业、创业，作为教学引领者，教师更亦如此。当代职业教育的教学模式不断创新，充分借助全新的信息技术作为媒介进行交流互动，利用计算机设计丰富教学模式是当前教学改革趋势。CAI（Computer Aided Instruction）计算机辅助教学模式是利用计算机的人机互动对话，通过对图像、文字、动画等多种媒体技术进行教学的呈现和传递，并将其整合成交互性强的多媒体课件，以完成现代化教学的一种方式[4]。在CAI情境模式下，每一位学生都可以在模拟环境中进行虚拟学习，提高实践教学效果。由于互聯网技术的迅猛发展，不断涌现出新的教学形式，如网络精品课程、微课、慕课、智慧职教云课堂等网络教学，而通过设计软件和信息平台开发交互式课件是当前迫切的任务。

二、以多级离心泵虚拟拆装为例

泵是用来输送流体并给其增加能量的机械。泵的应用特别广泛，种类繁多，在石油、化工、钢铁、船舶、农业、城市给排水等行业有广泛的应用。多级离心泵是由两个或两个以上叶轮串联工作而成，具有扬程高、流量均匀等特点，有文献指出[5]多级离心泵的使用率约占泵使用总数的一半。在CAI教学中，通过展示多级离心泵的3D模型，设置截面剖视图、局部透明度让学生更清晰设备的装配关系及结构原理。结合现场设备作业指导书，让每一位学生对其3D模型在虚拟环境中进行拆装，使其对设备内部结构及拆装流程有更深刻的认识，最终达到较好的学习效果。

（一）虚拟展示设计

随着信息技术的发展，三维虚拟展示将以其独有的魅力取代传统二维展示。三维虚拟展示以计算机媒体为依托，对产品展示具有全面性和体验性等特征[6]。虚拟展示也将成为实践性教学的重要组成部分，利用虚拟展示，它充分调动了人的视觉，让学生一目了然。如多级离心泵简图如图1所示，主要由吸入段、吐出段、泵体、仪表、阀门、电机、开关等几部分组成。在进行虚拟展示时，其内部构件可进行阶梯剖、可视化等设置如图2所示，可以清晰中段、导轮、叶轮、密封环、密封垫片的内部装配关系，最终生成的不仅仅是一个正确拆装流程的视频文件，还可以生成互联网格式文件，将虚拟展示动画发布于网上，学生课后也可以通过网站访问，借助虚拟展示从视觉上获取所需要的各种信息。

（二）虚拟现实设计

虚拟现实技术通过信息化手段模拟现实环境，将多源信息、三维视景、个人行为高度融合的系统仿真，具有极强的真实性和交互性。虚拟拆装系统允许每一位学生根据自己不同的视角设计出拆装方案，对比作业指导书，及时发现问题并纠正。例如图3、图4分别是学生虚拟拆卸多级泵的轴承组件、平衡盘装置，拆卸步骤一目了然，最终生成exe文件上交。通过虚拟操作过程提高了计算机操作水平和创新能力，激发学生的求知欲和参与实践教学活动的热情，当前克拉玛依职业技术学院机械工程系也成立了3D创新兴趣小组[7]，借助虚拟现实平台，师生共建开发新实训项目，协助企业完成设备DQ改造展示。

三、结论

加强实践性教学，培养技能型人才更有助于高职学生就业、创业，结合CAI虚拟仿真教学是当今职业教育探索发展的必然趋势。较传统机泵拆装实践课程教学模式，虚拟拆装有如下几方面的优点;

1.虚拟展示，提高教学效果。通过典型设备的3D模型剖视图、局部放大图、透明度显示、动画流程设置，使实践性教学呈现和传递的知识更加丰富，让学生更清晰设备内部的装配关系和结构原理，加深了学生对学习内容的理解。

2.虚拟拆装，提高操作水平。通过对计算机操作可实现3D模型的渲染、标识、缩放、旋转、拆解、组装等工作，完成个性化拆装任务，提高学生对设备结构的认知效果，培养学习主动性和空间想象力，有效提升了整个课堂的教学效果。

3.节约成本，安全有保障。虚拟拆装模型不存在设备维护保养及损耗等问题。虚拟拆装，不受时间、地点等物理因素的限制，更重要的是用户可以通过互联网平台进行操作。

参考文献：

[1]蒋燕.基于虚拟企业的精品课程资源库建设方案探索[J].中国职业技术教育，2013（32）：57-60.

[2]姜大源.完善职业教育和培训体系：现状、愿景与当务[J].中国职业技术教育，2017（34）：25-34.

[3]姜大源.职业教育学研究新论[J].职业技术教育，2007，28（15）：54-56.

[4]张俊兰，刘雪玲.目前高校多媒体CAI教学模式浅析[J].山西高等学校社会科学学报，2002（4）：92-93.

[5]王珲.多级离心泵设计及其结构特性分析[D].大连：大连工业大学，2016.

[6]王军良，解宇鹏，王仲勋，等.基于SolidWorks Composer的齿轮泵虚拟设计与展示[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2018，36（6）：42-47.

[7]王迪，孙立强，李凡，等.高职课外实施“兴趣小组”的实践与研究[J].教育现代化，2019，6（62）：290-292.

◎编辑 曾彦慧