浅析虚拟仿真技术在高职机械专业实训中的应用

梁矗军

(无锡商业职业技术学院 江苏无锡 214153)

浅析虚拟仿真技术在高职机械专业实训中的应用

梁矗军

(无锡商业职业技术学院 江苏无锡 214153)

机械专业实训引入虚拟仿真技术是一种新的教学模式。通过分析高职机械专业实训中存在的问题以及虚拟仿真技术的优势，提出虚拟仿真实训的发展新思路、实现方法以及虚拟仿真实训实施中应注意的问题。实际运行表明,虚拟仿真实训可以解决现实实训中的经费、场地等问题，并有效扩展教学内容，激发学生学习兴趣，有利于学生职业技能的形成。

虚拟技术； 虚拟仿真； 机械专业； 实训平台

0 引言

教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》【教高〔2006〕16号】中指出：高职教育人才培养模式改革的重点是教学过程的实践性、开放性和职业性，实验、实训、实习是三个关键环节。因此，各高等职业院校积极响应教育部的要求，在各专业教学计划中开设实训实践课程，改善实训、实习基地条件。但受到实训场地、实训设备等方面的限制，一些实训环节无法很好展开。利用虚拟现实技术却能很好地解决这个问题，制作仿真实训平台，模拟真实工作环境展示教学内容，让学生大量实践操作、重复验证，提高实训效果。

1 虚拟技术简介

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称 VR)是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅等感觉，人作为参与者通过适当装置自然地对虚拟世界进行体验和交互。

荷兰、德国、日本等国家在虚拟现实技术应用方面发展极为迅速，特别在工业、商业、教育等领域中应用较多，发展较快。在工业设计领域，虚拟现实技术主要应用于产品外形设计、虚拟装配、产品加工过程仿真、设备管理等[1]。虚拟仿真技术应用于教育领域当中，形成一种新的教学模式——虚拟仿真教学，即利用实物或计算机创设相应的虚拟环境或工具，并模拟真实事例进行操作、验证、设计、运行等实验、实训的教学方式[2]。

2 在机械专业实训中采用虚拟仿真技术的研究

2.1 高职机械专业实训中存在的问题

近几年，由于招生规模不断扩大，各高职院校普遍存在硬件资源不足、教育经费欠缺、实训实验设备缺乏等现象。由于机械加工设备越来越精密复杂，从设备、人员安全考虑，一名辅导人员无法对多名学生同时指导，辅导人员也存在不足现象。

另外，某些实训项目对实训场地也有一定要求，比如场地大小、配套电气液辅助系统、安全性等，有些院校是无法达到这些标准的。即使有这类高精尖的实验场所，由于其维护维修费用高、开放时间短，学生实训时又会受到时间的限制，导致其动手能力也受到限制[3]。

2.2 采用虚拟仿真技术的可行性与优势

与传统的实物形态实训不同，应用虚拟仿真技术进行实训主要通过计算机软件实现。而对于现在的大中专学生，计算机的使用基本已经普及，因此采用虚拟仿真技术进行实训课程的教学是可行的。

使用虚拟现实技术制作的虚拟仿真实训软件，主要有创建机械零部件三维模型、设计互动脚本控制、机械模型的拆装维修等功能，适用于机械类专业群，具有通用性。实验仪器和实验工具都可通过3D软件建模设计出来，实训时，教师设置参数变化以创建不同的虚拟环境，学生在其中重复进行各项技能训练，从而获得不同的实训经验[4]。

由于实训环境和实验仪器都是虚拟的，学生在操作中即使有误操作也不会引起设备损坏，可以放心大胆地进行实验，大大减低实训设备的损耗率，也有利于学生熟练掌握实训技能，提高实践能力。利用虚拟技术设计的模型可以根据当前技术革新进行快速更新，保证实训基地的“常新”状态。这些都是虚拟仿真实训软件的优势。

2.3 虚拟仿真实训教学的发展新思路

1)结合区域经济和技术的发展，开发虚拟仿真实训软件。目前，很多优秀的虚拟仿真软件大多是国外开发的，这些软件不能够完全适应国内教学现状，并由于其价格昂贵，大多数高职院校只能购买其一部分功能。因此，开发适合我国高职院校教学的虚拟仿真实训软件是迫切需要解决的问题。

开发虚拟仿真实训软件，除了要与专业紧密结合，还要紧跟高端制造业的发展，支持区域经济、重大产业和新兴技术的发展，与行业企业共同开发紧密结合生产实际的实训内容，保持技术先进性。同时，建设虚拟教学车间、虚拟教学工厂、虚拟实训基地，形成虚拟仿真实训基地群，进而实现区域辐射，直接支持区域经济和技术的发展。

2)标准化设计实训内容，实现虚拟仿真实训软件的规范化。当前，各高职院校越来越注重虚拟仿真实训教学的发展。但是，各高职院校使用的虚拟仿真系统大多是与院校自身使用的教学设备配套，即使是院校自行开发的仿真软件也具有很强的针对性，只能用于院校内部，没有统一规范和标准。

由于机械专业实训课程种类较多，真正要使开发的虚拟仿真实训软件做到统一标准比较困难，因此设计虚拟仿真实训内容时要向着质量检验标准化、学生使用操作流程化的方向发展。比如设计机械设计课程虚拟仿真实训的“减速机设计”内容时，学生只能根据操作流程提示完成设计步骤，实现其设计过程的标准化；设计完成后，通过虚拟仿真软件的运动分析、受力分析检验其设计结果的正确性，从而实现质量检验标准化。

另外，还可将各种材料特性在虚拟仿真软件中形成数据库，在进行数据分析时调用其特征，实现数据分析的标准化和规范化，提高教学质量。

3)改革实训模式，发展虚实结合的实训教学。仿真实训教学通过视频演示、操作提示、帮助菜单等加强学生对实训内容的理解，能够提高其动手能力。但由于缺少“实物感”，并不能真正替代实践操作训练。虚拟仿真实训与实操实训各有其优势，相互补充但不可相互取代。因此实训教学模式应作相应改革，形成”实物—虚拟—实物”的模式。

比如加工中心实训课程中的“对刀”过程看似简单，但大多数学生不能掌握操作要领，容易发生撞刀现象。利用仿真实训软件边教学边演示，在易出问题环节用放大、慢动作回放等方式，通过刀具和被加工对象的相对运动加深学生对“对刀”的理解，再通过仿真软件掌握实际操作。在内容安排上，先让学生对毛坯和成品进行实物观察，再进行仿真实训，掌握实训内容和操作流程，仿真产品经教师确认后才进行实物实训，达到事半功倍的效果。

近几年来，从我院学生参加各类机械设计大赛取得的成绩及毕业后从事岗位的情况来看，在校期间这种“实物—虚拟—实物”的实训模式对学生职业技能的形成起了很大的影响。

3 设计虚拟仿真实训软件的方法探究

1)根据实训课程要求建立仿真模型。根据实训课程内容要求，对实训中所需的机械零部件进行三维建模。仿真模型可以采用相应专业软件进行建模，以此满足机械零部件建模尺寸的准确性；也可用3ds Max等三维软件建模，对一些复杂细节使用贴图的方式实现。在建模时要注意减少面数，并赋予各零部件材质属性及对模型进行优化，以提高虚拟仿真软件的运算速度[5]。

2)设计仿真模型的交互控制。机械专业的实训内容包括机械结构拆装分解、零部件的功能分析、故障检测与维修等，设计时要展示机械部件结构、演示工作原理，能够进行拆装调整等，因此在设计仿真模型的交互控制主要包括对模型的拾取、操作、释放，操作时能进行移动、旋转、缩放。在机械拆装分解、故障维修等环节还需进行正确性检测，引导学生准确无误按操作规范完成整个实验。

3)打包发布，生成虚拟仿真实训平台。设计实训平台时要考虑界面的友好性与实用性，有完备的帮助文档。实训平台可以包括机械部件展示、操作相关理论信息提示、交互式拆装、动画演示、测试考核等功能模块，能指导学生从理论知识转化到实践操作，在动画演示、信息提示等模块引导下独立完成机械部件的拆装维修等，并通过测试考核模块强化实践操作能力，达到实训目的。

4 虚拟仿真技术在实训中应用时要注意的问题

1)正确处理虚拟操作与现实操作的关系。虚拟仿真技术的本质是人与计算机通信的技术，通过使用虚拟仿真技术模拟现实的各种视、听、触、嗅活动。但是虚拟仿真操作只是模拟真实生产的过程，利用鼠标、键盘等电脑设备进行理想化的操作，是一种程序化的模式，与现实操作的机动性和不可预见性存在一定的差距。另外，在仿真实训中进行危险性操作时，系统提醒学生会有危险发生，却不会造成损失，容易使学生养成不遵守操作规程的不良习惯。因此，需要正确处理真实实训教学和虚拟实训教学的关系，可以将仿真实训与真实实训有机结合，利用仿真实训软件强化实际操作技能。

2)影响师生情感交流，情感培养缺失。技术可以给人们的学习和工作带来高效便利，也容易使人懒惰，导致人们过分依赖技术解决各种问题，可能弱化人们独立思考的能力以及探究精神。

将虚拟仿真技术应用于机械专业实训过程中，在一定程度上会弱化师生之间的情感交流。虚拟仿真实训主要以计算机各种软硬件为基础，学生在实训时可以通过学习视频、操作示范、帮助菜单等自行探究，不再需要通过提问教师得到帮助，师生之间的交流被虚拟现实系统所隔离，削弱了师生之间情感的直接交流，阻碍了情感目标的实现。

3)注重虚拟仿真系统开发队伍的建设。虚拟仿真系统对软硬件技术要求较高，其开发和设计需要高素质高技能人才的支撑，可以依托本校的信息技术专业人才共同研发，还可与企业行业合作，合理设计开发仿真实训系统，保证资源质量。

5 结束语

虚拟仿真技术应用于高职院校实训教学，能很好地解决真实实训中产生的设备不足、场所受限、维修费用紧张、实验危险性等问题，还能让学生多次重复地操作练习，提高实训质量，有利于学生职业技能的形成。虚拟仿真实训软件的开发与应用还可以加强其深度和广度，向网络实训、虚拟工厂等方面延伸，以取得更好的教学效果。

[1] 华艳. 基于Virtools的虚拟仿真客户培训系统的设计与研究[J]. 电脑与电信， 2015(1): 61-63.

[2] 王祖析. 浅析高职实训教学中虚拟仿真技术的应用[J]. 电子世界， 2013(18): 197-198.

[3] 秦艳. 虚拟仿真技术在高职机电专业教学中的应用[J]. 时代农机， 2014(1): 109-110.

[4] 张菊. 虚拟现实技术在实训中的应用研究[J]. 计算机光盘软件与应用， 2014(4): 310-312.

[5] 梁矗军. 基于Virtools的《机械设计》课程虚拟仿真学习平台的研究[J]. 电脑编程技巧与维护， 2013(22): 111-113.

Analysis on the Application of Virtual Simulation in the Training of Mechanical Specialty in Higher Vocational Colleges

LIANG Chujun

(Wuxi Institute of Commerce, Wuxi 214153, China)

The virtual simulation technology is a new teaching mode for the training of mechanical specialty. This paper analyses the problems existed in the training of higher vocational mechanical specialty and the advantages of virtual simulation technology. And it proposes that we should pay attention to the realization method of virtual simulation training and the problems in the implementation of virtual simulation training. Actual running shows that the virtual simulation training can solve the problems of expenditure and the place. It also expands the teaching content; stimulate students' learning interest, which is beneficial to the formation of students' professional skills.

virtual technology; virtual simulation; mechanical specialty; training platform

2015-07-14

梁矗军(1976-)，男，讲师，主要研究方向：机械电子工程、CAD/CAE技术

TH 11-4

B

1672-2434(2015)06-0044-03