基于虚拟仿真平台的机械工程实践教学探讨

石昌帅 祝效华 董亮亮 蒋发光

摘要：本文对传统机械工程教学中的不足进行了分析，并提出虚拟仿真平台实践教学方案，具有360°旋转缩放，立体直观，耳眼手脑并用，深刻记忆等特点。采用虚拟仿真平台实践教学预实训更熟练，降低损耗，突破屏幕限制，安全可逆。本文旨在改善虚课堂知识传递效率问题，课堂当场实练，直观教学，多角度展示，激发学生创造力。虚拟现实实训能够直观生动的讲解抽象理论，实现更真实的仿真实训。

关键词：机械工程;虚拟现实;课堂知识传递效率;仿真实训

1 引言

钻完井井下作业与工具是机械工程专业井下作业与工具方向的一门主干专业课，系统地讲述多种常用井下工具的用途、结构、工作原理及存在问题，培养学生实际操作技能，最终培养一批高素质人才。结合虚拟仿真技术这一科技热点，将虚拟仿真技术在高职教育教学中推广应用，有助于教师信息化教学能力提升。

目前学生对石油装备的了解较少，且几乎只能通过教科书学习，很少有机会接触到实物，对于新型钻井设备更少有机会看到。机械工程对结构的要求高，学生仅仅通过图片与视频学习，而在理论课程之前安排的现场课程实习，也不能清楚看到工具内部具体结构和装配形式，因此学生对课程的理解较难。为了改善目前教学中的不足，提升课程质量，提高课程知识吸收率，培养学生实际操作能力，本文提出了基于虚拟仿真平台的机械工程专业的实践教学方案。

虚拟仿真平台即通过虚拟现实VR场景的展示，以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，由数字化模型、方法和工具，构成综合网络，包含仿真和3D虚拟現实的可视化，形象、生动、清晰地展现工具的工作原理、内部结构和装配关系等，加深学生对知识的理解。

2 传统教学的不足与分析

机械设备结构复杂，零部件很多，工作原理难以理解，并且通过图片只能看见机械装备的外观，不能看见内部结构和装配。为提高学生对知识的吸收率，非常有必要采用虚拟仿真教学平台。该课程目前存在以下几类问题：

2.1 传统教学的不足

教学内容抽象、不易理解：机械设备结构复杂，传统教学不能形象生动的表达装备的内部结构，传统教学主要通过书本、图片教学，学生不易理解，对课程内容的吸收率较低。

教学形式枯燥、缺乏兴趣：钻完井井下作业与工具课程主要是通过PPT、视频等方式教学，学生很少有机会见到真实的装备，因此学生很难理解课程，常常感觉课程枯燥，缺乏兴趣。

实训设备昂贵、损耗严重：实训设备昂贵，若大量购买成本太高，并且实训练设备的损耗严重，在学习理论课程过程中学生常常对知识理解不清。

2.2 课堂演示教学趋势

随着时代的进步，人们一直在追求更高效能解决课堂知识传递效率低的解决方案，从板书发展到PPT/Flash动画，再到3D虚拟仿真，以及现在全新的教学演示VR方案。学生佩戴3D眼镜，主要能通过三维表现让教学内容更加立体形象，省去了学生自行想象去构建轮廓，是新一代教学教具。

3 建设虚拟仿真平台

依托核心光学定位相机，智慧VR虚拟仿真中心解决方案，涵盖以大屏交互为核心大屏交互智慧教学，全景教学智慧课堂，大空间VR多人互动实训室，提供从知识认知-教学-教学演练-探究实训全链条教学实训方案，让教学更有效率，学习更有乐趣。

3.1 建设理念

以人为本：坚持整体规划以学生的需求为导向，重点解决实验项目条件不具备或实际运行困难等问题，点燃学生的求知欲。

创新实训：采用现代信息技术融入实验教学项目中，拓展实验教学内容广度和速度，延申实验教学时间和空间，倡导探究式学习实训。

技术融合：应用多媒体、虚拟现实、大屏交互、人机交互等数字化、智能化技术手段，提高实验教学的吸引力和教学效果。

3.2 虚拟仿真优势

360°旋转缩放，立体直观。耳眼手脑并用，深刻记忆。预实训更熟练，降低损耗。突破屏幕限制，安全可逆。

3.3 虚拟仿真平台建设

硬件系统的构成主要有投影仪及幕布、红外线信号同步器、图形工作站、动捕服务器、数据交互机、VR头盔、同步播放LED屏、虚幻引擎、背包电脑等。软件系统主要有VR实训软件、VR钻完井井下工具模型。

辅助设计，对于复杂的大型三维素材进行超大画面显示，能即时预览、修改内容信息，可以支持多人不同平台（电脑、VR头盔、AR眼镜）同步协作，也可以跨地域进行协作。

4 平台功能与意义

虚拟仿真教学平台解决了课堂知识传递效率低的问题，能够实现课堂当场实练、多角度展示、激发学生创造力。

在传统实训中，受场地、资金、安全性的限制，很难做到高效实训，通过VR交互大屏让学生通过便捷的操作，在虚拟环境中进行，提高学习效率，且不受时间与空间的限制。将虚拟环境取代现实环境、虚拟物件取代实体物件、虚拟操作取代实体操作，让他们获得一种身临其境的三维立体视听影像和交互感受。

5 结语

虚拟仿真平台有效解决了传统实验室面临的训练机会少、设备损耗严重、形式枯燥、实训操作危险等难题，实现创新的“VR教学”+“互动探索”+“仿真实训”的一体化教学模式，辅助理论教学，直观生动的讲解抽象理论。

参考文献：

[1] 王福平，姚新伟，张国芳，等.井下作业与工具课程教学改革研究[J].教改论坛，2017（09）.

[2] 焦国盈，裴平汀，王建华，等.论完井与井下作业课程教学改革[J].重庆科技学报，2010（12）.

[3] 施祝斌.虚拟仿真技术在高职教学中的应用[J].中国职业技术教育，2013（20）.

[4] 程琼.虚拟仿真技术应用于教育教学的路径探讨[J].科技资讯，2018（21）.

（作者单位：西南石油大学 机电工程学院）