黃登紅

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

一、機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)引入虛擬仿真技術(shù)的必要性

機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)課程是高職機(jī)電類專業(yè)的核心課程，其主要教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生熟悉典型機(jī)械部件組成結(jié)構(gòu)、工作原理等基本知識(shí)，掌握機(jī)械部件安裝、調(diào)試及故障維修的基本技能，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)范操作意識(shí)、合作精神等。機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，傳統(tǒng)上多采用機(jī)械實(shí)物設(shè)備進(jìn)行教學(xué)[1]。采用設(shè)備實(shí)物教學(xué)，教學(xué)情境與實(shí)際情況一致性高，但存在一定的局限性：(1)工位數(shù)量通常難以滿足需要。近年來，各職業(yè)院校在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)硬件建設(shè)方面的投入經(jīng)費(fèi)逐年有增加，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上學(xué)校規(guī)模的發(fā)展。相當(dāng)部分學(xué)校的實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量與學(xué)生實(shí)訓(xùn)人數(shù)不匹配，特別是對(duì)于種類多、價(jià)格貴的機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，數(shù)量更是不足。實(shí)訓(xùn)時(shí)，通常6-7個(gè)甚至更多的學(xué)生共用一套機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，難以保證每個(gè)學(xué)生得到足夠的操作技能訓(xùn)練。(2)機(jī)械設(shè)備更新?lián)Q代成本高，導(dǎo)致許多職業(yè)院校存在實(shí)訓(xùn)設(shè)備型號(hào)落后、跟不上企業(yè)技術(shù)發(fā)展步伐等問題。對(duì)于機(jī)床、汽車的機(jī)械部件拆裝實(shí)訓(xùn)，設(shè)備更新?lián)Q代就更不容易了。由于學(xué)校的機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)設(shè)備屬過時(shí)淘汰設(shè)備，企業(yè)已不使用，學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)掌握的設(shè)備知識(shí)和操作技能到了企業(yè)基本就用不上。(3)存在安全隱患。許多機(jī)械部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量笨重，在安裝調(diào)整實(shí)訓(xùn)初期階段，學(xué)生還不熟悉和熟練，很容易造成人身意外傷害和設(shè)備損壞，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

虛擬仿真技術(shù)是將多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息技術(shù)進(jìn)行集成的技術(shù)，將該技術(shù)引入到機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)教學(xué)有著諸多優(yōu)點(diǎn)：(1)提供足夠的工位(每人一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可)，保證每個(gè)學(xué)生都能得到充分訓(xùn)練。(2)虛擬設(shè)備升級(jí)經(jīng)濟(jì)快捷，可讓學(xué)生及時(shí)熟悉新型設(shè)備功能及操作。(3)節(jié)能、安全。仿真操作過程可以實(shí)現(xiàn)無油料消耗，避免設(shè)備和零部件的損壞，極大地降低操作消耗和環(huán)境污染[2]。仿真操作不會(huì)對(duì)操作對(duì)象造成實(shí)質(zhì)性損害，更不會(huì)因操作失誤對(duì)學(xué)員造成人身危害。

因此，虛擬仿真技術(shù)在高職教育中開始得到廣泛的應(yīng)用，仿真實(shí)訓(xùn)成為實(shí)訓(xùn)教學(xué)重要的組成部分和提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段[3]。國(guó)內(nèi)陸續(xù)開發(fā)出一些可用于機(jī)械裝調(diào)的仿真教學(xué)軟件，如上海宇龍軟件有限公司開發(fā)的汽車仿真維修軟件、汽車廈門創(chuàng)壹軟件公司開發(fā)的數(shù)控機(jī)床虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等，為機(jī)械裝調(diào)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了技術(shù)支持[4]。

二、機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)教學(xué)對(duì)仿真系統(tǒng)的功能要求

在機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)中，教師需要展示機(jī)械部件結(jié)構(gòu)、工作原理，講解和演示拆裝、調(diào)整的工藝和操作步驟，學(xué)生需要根據(jù)機(jī)械部件裝配圖，確定拆裝工藝，完成拆裝和調(diào)整等。因此，為便于機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，仿真系統(tǒng)需要具備如下功能：

1)機(jī)械部件結(jié)構(gòu)展示

具備機(jī)械設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示功能，即場(chǎng)景移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)；各典型部件結(jié)構(gòu)展示；某些剖面圖的展示等。

在實(shí)際拆裝中，通常要閱讀裝配圖，根據(jù)裝配圖來確定拆裝工藝等，因此在仿真系統(tǒng)中，還需提供總裝圖、部件裝配圖等。使用者能根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)出所需要部件的裝配圖進(jìn)行查閱分析。

2)物體相關(guān)信息的展示

名稱、用途、基本工作原理、外形尺寸、材料、維護(hù)保養(yǎng)知識(shí)等文字信息，提供整機(jī)拆卸的工藝單、拆卸規(guī)范等。

3)交互式拆裝功能

能夠進(jìn)行拆裝工具的選擇；自動(dòng)拆裝(被選擇物體按預(yù)先設(shè)置的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行自動(dòng)拆裝)；手動(dòng)拖動(dòng)(可通過預(yù)先設(shè)置的規(guī)則對(duì)物體的移動(dòng)進(jìn)行限制)；拆裝、調(diào)試過程實(shí)現(xiàn)撤銷、還原等操作；提供物體運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式等約束規(guī)則的編輯功能；提供機(jī)械拆裝先后順序的規(guī)則設(shè)置；提供子物體組合功能的設(shè)置；提供拆裝提示功能設(shè)置。

4)方便觀摩的動(dòng)畫功能

動(dòng)畫演示功能要求方便觀摩，且符合實(shí)際情況。使用者在進(jìn)行零部件拆卸、裝調(diào)的練習(xí)過程中，能夠隨時(shí)打開或中斷該項(xiàng)目的教學(xué)動(dòng)畫演示，以便學(xué)習(xí)觀摩。仿真系統(tǒng)應(yīng)能將拆裝、連接等操作過程記錄為動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)過程回放、動(dòng)畫參數(shù)設(shè)置(動(dòng)畫幀數(shù)控制及單幀設(shè)置)等。零部件拆卸、裝調(diào)的動(dòng)畫演示，在細(xì)節(jié)上應(yīng)貼近實(shí)際工藝和流程，不應(yīng)是簡(jiǎn)單的拼裝動(dòng)畫演示。

5)考核功能

能夠進(jìn)行拆裝考核(包括工具選擇、拆裝方式、拆裝順序等)；能夠?qū)崿F(xiàn)試卷、試題庫的編輯等管理功能。

6)具有開放性，便于用戶二次開發(fā)

為更好地滿足各學(xué)校的特定需求，仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有開放性，提供接口便于二次開發(fā)。系統(tǒng)管理員可根據(jù)需要增減實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，對(duì)工藝路線進(jìn)行編輯等。

三、機(jī)械裝調(diào)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建

職業(yè)院校需結(jié)合本校的實(shí)際情況，如專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)格、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)載體等，選用或自主開發(fā)合適的仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。對(duì)于市場(chǎng)上成熟的、符合本校教學(xué)要求的仿真軟件，可直接購(gòu)買引進(jìn)，如果通用的仿真軟件難以滿足學(xué)校的特定需求，可采取校本自主開發(fā)等方式構(gòu)建仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[5]。

雖然目前常見的相關(guān)機(jī)械裝調(diào)仿真軟件都能實(shí)現(xiàn)某種機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)、安裝過程等展示功能，但在教學(xué)載體選擇，以及調(diào)試工藝的展示、考核等方面還不能很好滿足我校需要，因此我校與上海宇龍軟件有限公司合作，共同開發(fā)了機(jī)械裝調(diào)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。

機(jī)械裝調(diào)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為用戶系統(tǒng)、教學(xué)系統(tǒng)、協(xié)作與交流系統(tǒng)和管理員系統(tǒng)等四個(gè)系統(tǒng)。

用戶系統(tǒng)包括“用戶登錄”和“修改信息”等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的管理。它將用戶分為三個(gè)類:教師、學(xué)生和管理員,不同級(jí)別的用戶所授權(quán)限不同。

教學(xué)系統(tǒng)分為教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、考核、資訊管理和考核維護(hù)等四個(gè)模塊。在該系統(tǒng)中，以數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件為教學(xué)載體，設(shè)置了數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)機(jī)械部件的裝調(diào)、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)械部件的裝調(diào)、數(shù)控機(jī)床輔助裝置機(jī)械部件的裝調(diào)、數(shù)控機(jī)床整機(jī)調(diào)試等4個(gè)學(xué)習(xí)情境(可根據(jù)需要擴(kuò)展)，如表1所示。每個(gè)學(xué)習(xí)情境均包含了若干個(gè)核心技能訓(xùn)練項(xiàng)目任務(wù)，以及各項(xiàng)目任務(wù)的輔助教學(xué)文本、代表性的企業(yè)生產(chǎn)過程、課堂教學(xué)等視頻、考核題庫等資源。

圖1 機(jī)械裝調(diào)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的模塊結(jié)構(gòu)

協(xié)作與交流系統(tǒng)包括“學(xué)習(xí)論壇”和“疑難解答”兩大模塊,可以解決網(wǎng)絡(luò)課堂中的雙向交流問題,支持課堂討論與實(shí)時(shí)答疑。

管理員系統(tǒng)主要為系統(tǒng)管理員所設(shè)計(jì),系統(tǒng)管理員可以通過進(jìn)入該系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理和維護(hù)。

該仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)注重裝配調(diào)試工藝的展示，突出裝配圖識(shí)別、裝調(diào)工藝制訂、調(diào)試和檢測(cè)等基本技能的養(yǎng)成訓(xùn)練，注重將職業(yè)教育與國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，并提供了用戶二次開發(fā)接口，具有良好的實(shí)用性和適應(yīng)性，較好地滿足了我校機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)要求。

表1 仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)學(xué)習(xí)情境和項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)

四、仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院在運(yùn)用仿真技術(shù)進(jìn)行機(jī)械裝調(diào)實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐中，逐步探索出虛實(shí)結(jié)合的五步式教學(xué)模式，取得了較好的效果。

1)借助仿真系統(tǒng)講解機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理等。在項(xiàng)目訓(xùn)練前，教師先講解設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理，一邊講理論，一邊通過計(jì)算機(jī)仿真軟件實(shí)時(shí)展示，使學(xué)生從枯燥的理論教學(xué)中解脫出來，給學(xué)生一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。

2)實(shí)訓(xùn)操作步驟演示。教師重點(diǎn)講解機(jī)械部件的拆裝工藝、操作流程及注意事項(xiàng)，通過仿真系統(tǒng)演示機(jī)械部件拆裝的操作步驟。

3)學(xué)生模擬操作、教師巡回指導(dǎo)。學(xué)生利用仿真軟件進(jìn)行機(jī)械部件拆裝操作仿真，教師巡回指導(dǎo)，及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。

4)學(xué)生分組實(shí)物操作、教師巡回指導(dǎo)。學(xué)生經(jīng)過模擬訓(xùn)練對(duì)要做的工作胸有成竹后，再進(jìn)行實(shí)操實(shí)訓(xùn)，可減少錯(cuò)誤，避免安全事故的發(fā)生。在實(shí)操實(shí)訓(xùn)階段，采用分組討論、協(xié)作學(xué)習(xí)等形式設(shè)計(jì)教學(xué)，注重師生和生生之間情感互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和協(xié)同解決問題的能力。

5)教學(xué)點(diǎn)評(píng)。結(jié)合學(xué)生模擬操作及實(shí)際操作的過程與結(jié)果，給學(xué)生相應(yīng)的教學(xué)評(píng)價(jià)，并重點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，及時(shí)糾正不規(guī)范的操作或錯(cuò)誤的操作。

在仿真實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生能夠人人參與、人人動(dòng)手，對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)、原理和操作步驟起到事半功倍的效果；在實(shí)操實(shí)訓(xùn)中，訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用知識(shí)和技能解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

五、應(yīng)注意的問題

(一)合理構(gòu)建機(jī)械裝調(diào)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

要進(jìn)行充分調(diào)研，全面了解職業(yè)崗位的技能要求，提煉出相應(yīng)的學(xué)習(xí)情境，依此規(guī)劃好仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開發(fā)內(nèi)容，使實(shí)訓(xùn)教學(xué)與企業(yè)崗位對(duì)接。構(gòu)建仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)時(shí)，要深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方式，并依此設(shè)計(jì)好虛擬平臺(tái)的交互方式和呈現(xiàn)方式。要采用模塊化、開放性系統(tǒng)制作思路，便于系統(tǒng)的二次開發(fā)。

(二)仿真實(shí)訓(xùn)不能取代實(shí)操實(shí)訓(xùn)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)， 能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果，但它不能替代真實(shí)的動(dòng)手實(shí)踐。機(jī)械部件安裝調(diào)試實(shí)訓(xùn)涉及到各種典型機(jī)械零部件裝配和調(diào)整，用到的裝調(diào)工具種類、型號(hào)很多。仿真實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生雖然也能使用各種工具來進(jìn)行機(jī)械零部件裝配和調(diào)整，但這些安裝和調(diào)整是程序化、理想化的，不像實(shí)際那樣會(huì)遇到各種情況，工具的使用也只是用電腦鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可以了。這種方式終歸不是真正動(dòng)手實(shí)踐， 在一定程度上降低了技能訓(xùn)練效果。在仿真實(shí)訓(xùn)進(jìn)行危險(xiǎn)性操作時(shí)，不會(huì)造成損失，容易使學(xué)生養(yǎng)成不遵守操作規(guī)程的不良習(xí)慣。因此,仿真實(shí)訓(xùn)與實(shí)操實(shí)訓(xùn)要結(jié)合應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相得益彰。

(三)加大培訓(xùn)推廣和技術(shù)支持力度

仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和有效使用，需要教師在教學(xué)理念和教學(xué)能力上都達(dá)到一定的水平。學(xué)校應(yīng)加大培訓(xùn)力度，積極開展虛擬仿真技術(shù)交流、應(yīng)用與經(jīng)驗(yàn)推廣、成果展示等活動(dòng)，提高教師虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用水平。要加大技術(shù)支持力度，虛擬仿真平臺(tái)開發(fā)技術(shù)較難，僅僅依賴教師是不夠的，要充分發(fā)揮校企合作資源優(yōu)勢(shì)，讓開發(fā)制作主要工作由企業(yè)(如專業(yè)軟件開發(fā)公司)技術(shù)人員完成，學(xué)校專業(yè)教師將主要精力用于教學(xué)設(shè)計(jì)、腳本撰寫。這樣，既可以保證資源的質(zhì)量，又有利于提高專業(yè)教師研發(fā)、使用虛擬仿真資源的積極性。

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