模拟仿真技术在高职焊接专业教学中的应用

易忠奇，王衡军

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙410151）

模拟仿真技术在高职焊接专业教学中的应用

易忠奇，王衡军

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙410151）

高职焊接专业的教学实践性与专业性都很强，需要投入大量的设备和耗材等。学生焊接操作技能的培养需要通过有效的训练方能掌握，加上传统焊接作业工作环境相对较差、劳动强度较大，对于初学者来说有一定的难度。为改善工作条件，节约训练成本，提高人才培养的质量，湖南机电职业技术学院在焊接专业人才培养过程中将焊接模拟仿真设备应用于教学之中，提高了学生的学习积极性，有效地节约了训练成本。

高职教育；焊接专业；模拟仿真；专业教学

一、背景与现状

“中国制造2025”提出我国要实现从制造大国向制造强国迈进，由制造向智造转型。焊接技术是制造业中的一种关键连接技术，而目前还没有其他方法能够比焊接更广泛地应用于金属连接，并能为所焊产品增加更多的附加值。[1]在工业化发达的美国，焊接被视为制造业的命脉。焊接技术被广泛应用于金属及合金的高效连接，不管是建筑、桥梁，还是在车辆、计算机及医疗器械，包括很多日常生活用品的制造都离不开焊接技术。社会对焊接人才特别是技术技能人才的需求也在不断增加，但焊接人才的培养一直处于供不应求的状态。焊接高级技术技能人才的培养需要一定的周期与时间，从一些大国工匠的成长经历就可以看出，一名优秀焊接技术技能人才的培养需要大量的资金与材料消耗。如2012年CCTV-2播出的《大国重器》节目中就提到，培养一名焊接LNG船仓的殷瓦焊工需要近几十万元，以及最近央视播出的《大国工匠》等电视节目中都有焊接技术技能人才，每一名焊接高级技术技能人才的培养与成长都需要长时间的积累与高成本投入。

焊接专业是一个需要大量材料消耗的专业，操作技能水平的培养需要通过有效的技能训练方能掌握，焊接专业教学需要投入大量的设备、焊条（焊丝）、焊接材料、气体等。当前，不少高职院校因招生和培养成本等方面的原因而不再开设焊接专业。为提高专业人才培养质量、挖掘节约潜力，我院（湖南机电职业技术学院）经过对市场上应用较多的焊接模拟仿真设备（如福尼斯、捷安高科等）进行深入比较，选择了武汉湾流新技术有限公司开发设计的焊接模拟仿真训练器应用于焊接专业教学之中，对焊接专业人才培养与教学做出了新的探索。

二、焊接模拟仿真训练器的优势

1．节省训练材料

焊接模拟仿真训练器代替了焊接操作训练所需要的焊机、焊条（焊丝）、焊接材料、气体等物资，每次焊接完成后只需要重新设置即可再次进行训练，相当于材料可以无限次的利用。模拟机节省占地、无任何焊接材料消耗，一名教师可以同时管理多台学员机进行教学，有效节省了教学成本。对于初学者来讲，只需要一台焊接模拟仿真训练器就可以进行训练与学习，模拟仿真训练器是对专业其它教学资源的有效补充与扩展。

2．提高操作安全性，改善工作环境

传统焊接教学，当学生进行实际操作时，由于操作不当便可能造成人身伤害和财产的损失，而带压管道的在役焊接等一些危险性较大的实验，学生也无法亲自操作。[2]焊接模拟仿真训练器安全环保，设备无强电磁污染、无化学污染、无强光高温伤害、训练过程绿色环保。焊接专业实践教学的设备一般较少在正常的教学时间以外开放，其主要原因是考虑到安全与管理等方面的因素。焊接模拟仿真训练器使安全性得到了极大的提高，基本不存在传统教学中的安全性问题与因素。传统焊接操作教学中当学生进行实际操作训练时，由于操作不当或失误可能造成人身伤害或财产损失，教学过程中要求教师随时关注学生的操作是否规范与正确，对操作中发现的问题更要及时地指出与纠正，如果发现不及时，学生又没有意识到问题时，可能就会造成危险事故。焊接模拟仿真设备能有效地避免真实操作中的各种安全问题，同时弥补教学条件的不足，形成互补。模拟仿真改善了工作环境，焊接实际操作过程中产生的弧光、飞溅、粉尘、有毒有害物质在模拟仿真时不会产生，也在一定程度上减轻了劳动强度。

3．学习更为形象化，提高学习兴趣

仿真教学环境的操作流程和规则立足于实际业务操作规范，虚拟操作环境和真实操作体验是一致的，与传统只能做单向知识传递的“视频教学”模式完全不同，学员可以在仿真环境中进行实际操作，与业务环境进行交互，实现双向良性互动。[3]提高设备利用率的同时，使学习更为形象化，焊接训练时设备可提供实时辅助显示。学员进行焊接操作练习时，系统会将焊接操作参数（弧长、焊接速度、行走角度等）转化成图形后给出提示，方便教师与学员进行观察与对比，及时发现问题并进行调整。训练者还可在模拟训练器上查阅与本次操作相关的焊接知识，教师可配合课程的需要在后台动态地更新、上传、删除相关学习资料。

4．增加训练者自主性

利用模拟仿真训练器，学生可以根据自己的兴趣灵活地选择训练方案与训练项目，根据训练目标与要求不断地重复练习，并可在线对训练效果进行分析，系统实时地记录练习过程中的每一个参数。这对训练者回顾练习时的操作手法具有重要的参考价值，学生在尝试和总结中进行探索、发现事物的本质和规律，有利于扩展思维空间，有助于提高实践创新能力。

三、焊接模拟仿真训练器的主要功能

焊接模拟仿真训练器具备进行焊条电弧焊、气体保护焊、氩弧焊以及焊接机器人操作模拟训练的功能。通过视觉仿真技术，操作者在操作过程中可以感受到真实的焊接操作环境与过程，极大地提高了真实度，使操作者有身临其境的感受。对有经验的训练者，还可提供高级训练平台，通过视觉、听觉和触觉来进行焊接操作，训练者可以从中学到要点并能简便有效地将这些焊接技能转化到实际的焊接工作之中。其主要有以下功能。

1．一机多练

模拟训练器采用两工位操作共用一台采集主机同时进行数据采集，提供两个工位同时训练，提高了模拟机的使用效率。

2．操作零延时

模拟训练器采用先进的传感器及显示设备让训练者在模拟空间中的操作零延时响应，能实现精准快速地操作，使焊枪操作无丝毫滞后感，仿真度极大提高。

3．采用3D立体视觉焊接模拟

模拟训练器使用3D立体视觉进行模拟训练，训练者可通过立体头盔所显示的立体画面直观地识别焊枪与焊件的空间距离，这种立体视觉训练符合人类视觉定位的传统经验，让训练真实度极大提高。

4．实时广播教学模式

教师能在模拟训练器上对全班进行广播教学，实时的焊接画面可以同步到每一台学员机上，以方便学生进行观摩学习以及与老师进行研讨。学员可将教师的焊接过程同步到自己的学员机上，以实时学习教师的焊接手法，达到“手把手”教的教学模式。

5．“手把手”引导学习模式

学员在焊接训练前采取“手把手”的引导学习模式，此时系统就会出现“引导焊枪”，学员只需一步一步地跟随系统提示进行操作，通过此模式进一步细化了焊接操作步骤与过程，方便学员进行学习。

6．实时辅助显示

学员在进行焊接操作练习时，仿真系统可以将焊接数据进行数字化提示，对学员操作的过程可以进行图形化的显示与记录，并可以通过操作记录数据分析每个学员的操作习惯，可以对每个学员的操作情况进行一对一的点评与分析，达到个性化教学的效果。

7．多焊件多位置焊接

模拟训练器提供有四种实物焊件（平板练习、对接坡口板、T型板、圆管）来进行训练，并支持多种焊接位置训练，如平焊、立焊、横焊、仰焊等。

四、焊接模拟仿真训练器在教学中的应用

一是在仿真教学实施前，需要对学员进行设备基本操作的培训，当掌握基本的操作方法后，可以根据系统设置的训练模块自主地选择相应部分进行操作练习，并可以根据课程教学的需要，适当增加教学互动，提高学生参与思考问题与创新的能力，将理论与实际有效的结合，提高教学效果。二是动态任务设定、分级教学。教师管理端下达任务时，通过设定不同任务参数，进行任务难易程度的设置，实现从易到难分级教学。三是培训自动化，教学效果能够进行评价。教师管理机能够有效的管理多台学员机，可以实现动态任务管理与成绩管理。训练结束后能轻松将数据上传，仿真系统能自动地进行统计与评价，操作训练完成后的可以再次查看训练录像回放。

焊接模拟器作为高职焊接技术及自动化专业学生的重要模拟训练设备，已经在现代焊接教学和实习实训中得到广泛应用，并在焊接人才培养质量提升方面发挥着重要的作用。[4]将模拟仿真技术引入焊接专业教学中，能充分发挥其直观、感性的教学优势，可以有效地提高学生的学习兴趣与积极性，对操作安全、节省焊接训练材料等方面具有重要意义，课程教学效果有显著提升。在人才培养的全过程中，需要模拟仿真与实际操作的有机衔接，处理好实际操作与模拟仿真教学的重点与区别，在仿真教学中要把传统教学中优势的理论、行为、方法策略继承下来，在新课改理论下以虚拟技术创新教学活动的规律和特点，以便更有效地促进学生的学习和发展，优化课堂教学过程。[5]

总之，模拟仿真训练器毕竟不是真实的焊接设备，只是一种模拟的教学应用设备，实际操作中的某些功能是不可能百分之百实现的[6]，所以，它不能完全替代实际操作训练。在专业教学与训练过程中要始终坚持仿真教学的模拟性，发挥其在模拟仿真进行焊接原理、操作手法等方面教学的优势，当训练者达到一定水平后一定要结合实际操作进行练习，不能以模拟仿真的操作水平代替实际操作的技能水平。

[1]耿新会.浅析焊接专业模拟仿真在实训教学改革中的应用[J].考试周刊,2015(67):17.

[2]李美艳,雷毅,韩涛,等.卓越计划背景下虚拟实验室在金属焊接实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2015(8):112-117.

[3]张丽.现代职业教育仿真实训课程开发与教学改革:以铁道通信信号专业为例[J].辽宁高职学报,2015(1):75-77.

[4]顾园,张泉.WM-WS/D型焊接模拟器在专业教学中的应用[J].电大理工,2016(3):81-82.

[5]汪春蕾.仿真实训教学模式的探究[J].科学大众(科学教育), 2012(5):123.

[6]陈妍.仿真技术在高职专业课程教学中的应用:以焊接检测课程为例[J].中国现代教育装备,2013(19):68-69.

[责任编辑，抚顺职院：陈辉]

The Application of Analog Simulation in the Teaching of Higher Vocational Welding Major

YI Zhong-qi，WANG Heng-jun
（Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha 410151,China）

The practice and professionalism of higher vocational welding major is strong,and the teaching needs to invest a lot of welding equipment.The training of welding operational skills needs to adopt effective training methods,the working environment of traditional welding operating is relatively poor,and the labor intensity is large.To improve the working conditions,save training cost,and improve the quality of talents cultivation,in the training process of welding talents,Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic applies welding simulation equipment to the teaching,and this improves the learning enthusiasm of students and saves the training cost effectively.

higher vocational education;welding major;analog simulation;professional teaching

G712

A

1009—7600（2017）04—0034—03

2017-02-15

湖南省教育科学“十三五”规划2016年度课题（XJK016CZY030）

易忠奇（1983—），男，湖南桃源人，讲师；王衡军（1976—），男，湖南常德人，高级技师。