基于虚拟仿真培训系统开发教学模式创新研究

摘 要：根据中国目前的教学情况分析， 课程教学方式普遍比较单调， 导致学生本身的学习兴趣较低，学习枯燥，缺乏趣味性，且因教学环境所限制，课后难以解决难题，学习效率低下。内燃机车JZ-7型制动机作用阀虚拟仿真培训系统包含三维实体建模、二维平面动画、结合三维仿真动画，利用多媒体、教学资源以及虚实结合等现代化教学手法， 提高学生的认知能力，激发学习兴趣。将传统的课堂转化为线上、线下相结合的方式， 及时解决学生在学习过程中遇到的困难。

关键词：内燃机车；JZ-7型制动机作用阀；虚拟仿真；教学模式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.204

0 引言

传统的教学模式是一种以老师为中心、书本为中心和课堂为中心的教学模式，大多数采用讲授式。以书本为中心有一定的局限性，同时因为机械类课程复杂难懂，在进行知识传授时难以唤起学生的学习兴趣，也难以启发学生的思维和想象。随着时代的进步，教学模式已经逐步利用手机、电脑等科技产品，教学条件的科学含量越来越高，结合虚拟现实、多媒体、网络等技术，充分利用可提供的教学条件设计教学模式。在这一条件下，教学模式的创新显得尤为重要，而信息化教学模式作为教学模式的“新一代”，对现如今的教学模式产生具有很大的影响。

作者针对信息化教学模式，将内燃机车JZ-7型制动机作用阀的相关知识作为基础，采用虚拟仿真技术、多媒体技术，设计开发内燃机车JZ-7型制动机作用阀虚拟仿真培训系统。该系统在保证知识的准确性的情况下，能够适应信息化教学模式的要求，引入虚拟仿真技术使学生在虚拟环境中快速地了解并且掌握关于内燃机车JZ-7型制动机作用阀的相关知识。用三维交互的方式直观地了解内燃机车JZ-7型制动机作用阀的空间结构构造，利用二维平面动画展现其的工作原理，利用三维动画了解其在检修过程中的工艺流程。该系统为学生提供了一个可视化的多媒体信息平台，既可以打破时间和空间的限制，让学生可以随时随地进行学习，又可以提高学生的学习兴趣。本文以下部分将详细介绍传统教学模式的弊端，教学模式进行创新的意义以及该系统在创新型教学模式中的应用。

1 传统教学模式的弊端

传统教学模式陈旧，课堂形式单一，理论与实践结合较少，内容枯燥，学生学习兴趣较少，课堂效果显微。随着时代的不断发展，教学的理论知识和实践能力有了更高的教学要求，但是现阶段的教学模式仍采用传统的教学方法，理论与实践结合不紧密，无法满足教学过程中理论性、应用性、实践性紧密结合的要求。因此，以下列举出传统教学的主要弊端。

（1）传统教学方式单一。如今，传统的课堂中一般采用的教学模式是教师讲授，学生听讲，使得教学上的教与学出现明显的分离状态。尤其是在机械科类的专业课程中，通常教师在教学过程中容易形成依赖PPT和照本宣科解读教材的授课方式，但是机械课程的知识点较难理解并且复杂。如果学生基础较为薄弱，容易使学生失去学习兴趣，从而感觉课程枯燥无味，也容易导致得课堂上气氛沉闷，教学效果较差，学生掌握知识点达不到要求。且随着时代的发展，科技产品越来越普及，大多数青少年对于电子科技产品拥有一定的依赖性，导致学习者在学习的过程中，因为玩手机，没有参与课堂的学习，从而出现课堂上教师在进行讲授，而学生无心听讲的现象。

（2）实践课程较少。在传统的教学过程中，我们相对更注重理论知识方面的授课和学习，反而对于教学实践活动较少。在教学实践活动中，或因为设备不足，或因为设备配置不够，或因为考核模式较松，造成学生没办法进行实践，导致学生的实践能力较差。大多数学校没有足够的场地及资源为学生建立一个可以充分进行现场实践，因此在出现实践教学过程中，更多是通过多媒体图片或视频展示的方式来完成，学生无法对知识点进行充分的理解和掌握，容易造成理论与实践的脱节，学生所学的理论知识得不到及时的应用和巩固，造成教学的实践应用性较差。

（3）考核模式陈旧。一般教学考核模式多数是以传统的试卷问答模式考核，考试形式单调，考试内容大多偏于理论方面，考实践能力较少，且随着电子科技产品的普及，学生容易使用其进行作弊。以上几种原因造成了许多学生对考试敷衍了事，而且对考试保持一种不上心的态度，因此这种考核形式不仅不能真实反映出学生的实际水平，还导致了学生不重视在平时课堂上的学习。这种考核制度对于教学和应用有很大的弊端，一方面理论知识点不扎实，另一方面实践能力较差。

（4）课后难以解决难题。 传统的教学模式大多数是以课堂教学为主体，学生于课堂上进行学习，而课后要将课堂所学知识进行巩固，只能依靠书本、筆记进行复习。如在复习过程中遇到知识点忘记，理论知识理解不了等难题，只能求助于老师和同学，但因为时间和地域上的限制，没有办法及时得到有效的解决方式，从而丧失了学习的热情。机械科类本身知识点难理解且复杂，复习难度大，需要课后进行大量的复习以及练习才能充分掌握知识，但在传统的教学模式中，课后的复习以及练习只能依靠书本和笔记，学生遇到难题时无人能及时进行解答，这种现象导致大量的学生无法及时掌握好相关的专业知识。

2 教学模式创新的意义

第一、内燃机车JZ-7型制动机作用阀虚拟仿真培训系统是一种创新型教学培训系统，包含三维实体建模、二维工作原理、结合三维仿真动画，利用多媒体、教学资源以及虚实结合等现代化教学手法，同时该系统拥有交互功能，还采用线上、线下相结合的方式，教师在教学过程中可以采用这种创新型的教学方法培养学生的创新思维、创新意识、创新能力。学习者对于新教学模式的新鲜感也会提高本身的学习兴趣和学习动力。

第二、创新型教学模式主要是以学生自我学习为主，教师为辅，让学生主动学习。学生在学习过程中遇到困惑时，教师可根据多年的教学经验对学生进行学习上指导，帮助学生解除学习疑惑，达到一个指明作用。这样的创新教学模式不仅提高课堂上学生的学习兴趣和创新自主学习能力，而且营造一个良好的学习氛围，让学生主动学习课程内容，更加直观了解和掌握专业知识。

第三、课室中有些设备过于老旧或难以拆除，更多需要学生去想象，没有能直观了解内燃机车JZ-7型制动机作用阀内部结构的那种真实感。学习工作原理和拆解过程时，没有能直观地观察到内燃机车JZ-7型制动机作用阀内部结构在工作过程中的气体流向和零部件的状态，该系统可以充分地解决此类问题。创新教学模式使得教学变得更加灵活多变，学生在课堂中更多是主动思考和学习，增强了学生的主动性以及学生理论知识与实践的融合。

第四、创新型教学模式给学生提供一个系统或者教学平台，学生可以打破时间和地域上的限制，随时随地对课堂所教学的知识进行复习和巩固，同时提供练习题帮助学生进行练习，有效的解决在复习过程中遇到的难题，提高学生的认知能力，激发学习兴趣。将传统的课堂转化为线上、线下相结合的方式， 及时解决学生在课后复习过程中遇到的困难。

第五、随着手机、电脑等科技产品的普及，当代学生对其有一定的依赖性，创新型教学模式可以利用电脑、手机等科技产品，结合虚拟现实、多媒体、网络等技术，充分利用可提供的教学条件设计教学模式。利用科技产品以及多种信息化手段，可以降低学习的枯燥，从而提高学生对于学习的积极性。

3 系统在创新的教学模式上的应用

3.1 虚拟现实技术对教学的影响

（1）虚拟现实技术在教学中的作用。虚拟现实技术应用于教学中可以营造“自主学习”的环境，改变传统的教育教学模式，使学习者通过与信息环境互动，达到学习者学习知识、掌握技能的目的。

虚拟现实技术可以实现多人异地同时教学，且借由构建信息教学平台可使教学内容在平台中完整保留并具有一致性、协调性；为学习者提供“自主学习”的客观条件。在虚拟环境中学习，学习者必须与信息环境互动才能使教学内容发生改变，从根本上解决传统教学中学习者在课堂上无法集中精力学习的问题，提高学习效率。

（2）虚拟现实技术对教学的积极影响。虚拟现实技术与教育教学相结合，藉由虚拟现实技术的三大特征即沉浸性、交互性、构想性，可以改变目前教育教学中的弊端，开发一套崭新的教育教学模式。

虚拟现实技术可以通过信息教学平台实时保存教学内容，为学习者营造“自主学习”的条件。同样的教学内容，在传统的教学模式中很难为学习者重复再现；而在与虚拟现实技术结合的新教学模式中，学习者可以无数次重复相同的教学内容，直到学习者真正掌握该教学内容中的知识与技能，从而将传统的“以教促学”改为学习者“由行而学”。

由于虚拟现实技术的交互性，使得学习者在应用虚拟现实技术学习时必须与虚拟现实信息教学平台相互作用才能推动教学内容前进，杜绝学习者浑水摸鱼的可能，并且虚拟现实与现实环境的高度相似，使教学内容更生动形象，加强学习者对教学内容的理解，提高学习者的学习效率。

3.2 系统与虚拟现实技术的结合

本系统与虚拟现实技术结合，用unity将内燃机车JZ-7型制动机作用阀的结构、工作原理及检修工艺流程虚拟现实化，再通过HTC-VR输出教学内容，让学习者即使在没有实物的情况下也可以通过生动逼真的虚拟教学平台了解并掌握JZ-7型制动机作用阀相关知识。

3.3 系统在新教学模式下的作用

系统运用虚拟现实技术能生动逼真地表现教学内容，营造一个不断发展进步的教学环境，提高学习者学习掌握知识、技能的效率，提高教学质量。虚拟现实技术可以实现多人异地同时教学，借由构建信息教学平台可使教学内容在平台中完整保留并具有一致性、协调性。

与传统教学模式相比，系统打破时间和空间的限制。通过虚拟现实技术，系统可以将实物虚化，虚物实化；结合虚拟现实、多媒体、网络等技术，可以在系统中实现传统教学模式中无法展现的教学过程。系统可以将JZ-7型制动机作用阀模型虚拟化，使学习者可以直观地观察作用阀的结构特点。见图2。

系统还可以构建虚拟实训室，让学习者身临工作车间，体验完整的作业流程。见图3。

在虚拟课堂中，学习者通过与虚拟信息的人机互动，从视觉、听觉、触觉等接受外界反应，开展“自主学习”。在系统中还可以让学习者以团队的形式进行学习，在团队成员中共享学习成果，提高学习者学习效率。在系统中。学习者还可以反复学习相同课程，按照学习者自己的学习方式和学习速度进行学习，开展探索性学习，有助于提高学习者的学习兴趣，激发学习者的创造性思维。

系统还可以利用二维动画，向学习者展示相关阀体的工作原理。见图4。

（下转第235页）

（上接第232页）

在观看二维动画的过程中，学习者可以直观的看到阀体在各种工作过程中气体的走向，以及各个零件的运动过程。充分解决了部分学习者想象能力和理解能力不足而带来的学习困扰。在系统中。学习者可以反复回来观看二维动画，同时解决了课后复习的难题。

系统同时具备了模拟实验的功能，让学习者学习将阀体组装后进行模拟测试实验的过程。如图5。

由于系统是网络信息教学平台，结合计算机多媒体技术和虚拟现实技术，可以创建课程所需的虚拟情景，让学习者进行虚拟实验、虚拟操作等，全方位、多角度地展示教学内容。系统虚拟实验设备、实训场景以及操作过程，在虚拟场景中完成大多数课程，节约了大量实验设备费用，避免实训设备的损耗，有效节约教学成本。

4 结语

内燃机车JZ-7型制动機作用阀虚拟仿真培训系统，综合二维动画、三维建模、三维动画、虚拟仿真、多媒体技术，通过直观强烈的三维视觉和动画效果，采用线上、线下相结合的方式，对JZ-7型制动机作用阀结构构造、工作原理以及检修拆卸过程进行虚拟仿真。该系统为创新型教学模式中的一大助力，有助于学生快速掌握知识重点，提高学习兴趣和学习效率。创新型教学模式不仅仅用于学校给学生进行授课，也有助于学生的学习，还可以在企业中用于给新员工进行培训，其能够让学习人员充分的了解所学的知识或者技能，从根本上解决传统教学中学生在课堂上无法集中精力学习的问题，大大提高了学生的学习兴趣和学习效率。

参考文献：

[1]徐春明，周艳，孙瑛，蒋国璋，李公法.机械原理实验教学改革与实践[J].大学教育，2018（11）：89-91.

[2]宗素贞.机械教学中创新型教学模式的应用[J].中国培训，2016（14）：169.

[3]何明雄，李兆延.VR技术在教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2007（23）：205.

[4]贾红涛.机械教学中创新型教学模式的应用[J].现代经济信息，2016（04）：380.

[5]王玉安.创造性教法在机械教学中的运用[J].设备管理与维修，2017（17）：28-29.

[6]马良，于静.机械基础课程“做中学，做中教”教学模式的实践研究[J].南方农机，2018，49（19）：131.

作者简介：袁泉（1979-），男，湖南株洲人，本科，讲师，研究方向：车辆制动、机车制动、车辆空调。