构建大型设备虚实融合教学环境的几点思考

沈亮远

摘要：大型机电综合设备集机、液、气、电于一体，实现了一体化计算机工业总线自动控制，内部构造、系统原理、操作使用较为复杂，技能要求高，本文针对大型设备进课堂、内部构造、系统原理、操作技能等教学中存在的难题，综合虚拟现实技术、多媒体技术、机电一体化模拟技术以及物联网技术，探讨构建大型设备虚实融合教学环境，为技能型人才培养提供条件支撑。

关键词：职业技术教育;大型设备教学;虚实融合;教学环境

引言

职业技术教育是以专业岗位职业能力培养为目标，注重学员实践技能的培养，随着各种新技术、新设备的快速发展，新的技能岗位对学员实践技能的要求越来越高的要求，特别是大型机电综合设备集机、液、气、电于一体，实现了一体化计算机工业总线自动控制，内部构造、系统原理、操作使用较为复杂，技能要求高。而想要学员尽快的适应岗位，培养实际岗位能力，离不开岗位实际环境。而对于大型设备的教学一是体型大，难以进入课堂，二是不能随意拆解，不能实装展示内部构造，三是系统原理错综复杂，难以梳理来龙去脉，四是操作步骤繁杂、培训人员多、不能频繁操作，对于其岗位能力培养提出了很大难度。为此，努力构建逼真的工作环境，作为教学环境，将大型装备“搬”进课堂。随着仿真技术的提升，各种模拟设备、仿真设备、虚拟场景应运而生，构建虚实融合的教学环境，必将成为支撑大型设备教学的主渠道。

一、将内部的复杂构造通过虚实融合直观呈现出来

内部的复杂构造一般采用制作缩比模型，实物展示内部构造，如内不复杂，按照之际尺寸比例加工制作，成本较高，往往为降低成本，而简化构造，从而造成失真，形成错误的引导形成错误的教学。随着3D打印技术的发展，采用结构建模，3D打印出来，能够真实展现内部结构，但是3D打印技术的限制，打印尺寸受限，特别是具有复杂机构传动运動的构造，受到很大限制，成本显著上升，再者某些机构需要在完整组件状态才能运行，这样内部结构仍然看不到。

虚拟现实技术是在计算机图形学等原理的基础上产生的，由计算机实时生成三维空间，构建逼真的三维模型，用户可以通过一些设备与现实的人机交互，完成再虚拟环境下“钻进”设备内部认知内部构造、“拆装”设备认知组成结构、“运行”机构认知各构造之间的连接传动关系等任务，身临其中获得实感体验，真正认知复杂内部构造结构原理。

二、将抽象的系统原理通过虚实融合仿真演示出来

大型机电综合设备集机、液、气、电于一体，实现了一体化计算机工业总线自动控制，系统原理错综复杂，学习起来非常抽象，是设备教学的一大难点。为了将抽象的系统原理形象演示出来，目前通常采用多媒体动画演示的方法手段，但由于多媒体动画软件的限制，为便于学习一般采用系统原理图上作动态演示，由于原理图与实装上的控制管路线路大相径庭，这样往往会造成学懂了原理到实际设备面前无所适从，甚至哪个器件在哪个位置都找不到，当然有的在设备内部也看不到，更不用说在实际设备上理清来龙去脉了。

充分利用虚拟现实技术和多媒体技术相结合，在多媒体技术演示的基础上，充分利用虚拟现实技术，将机构、液路、气路、电路在虚拟的环境中按设备的实际布局展开来，能够真实展示实际控制链路走向。利用仿真技术将系统原理中的参数力、压力、流量、电压、电流等数据仿真出来，不但能形象展示系统原理走向，而且能仿真参数数据，让原理真起来。

三、将繁杂的操作运行通过虚实融合交互模拟出来

大型设备操作步骤繁杂、培训人员多、不能频繁操作，对于其岗位能力培养提出了很大难度。充分融合机电一体化技术、增强虚拟现实技术以及物联网技术，构建虚实融合模拟交互的综合实训平台。机电一体化技术综合了计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服控制技术，一方面对真实设备的模拟，对受训者实操体验性强，另一方面通过针对性的设计，强调了教学实训功能，完成模拟操作、原理展示、考核评估等功能。能够实现模拟多练，减少装备损耗，然而模拟设备毕竟是模拟，与实装的真实使用情景相差较大，通常完成基本技能的训练。而面临现实使用环境不同出现的问题，学员也将无法正确处置。比如天气环境、潮湿、温度、噪声、工作时长、人为干扰、设备器件故障性能等，因此充分利用增强虚拟现实技术以及物联网技术，仿真逼真的经常遇到的现实使用情景。通过物联网技术将各种物品互动，产生信息流，解决跨时空的问题，综合各种信息营造更真实的使用情景。增强虚拟现实技术是在虚拟现实技术的基础上增加了现实感知的技术，将虚拟设备、场景、各信息叠加，增强实感，再采用虚实融合技术，综合人的动作传感信息、环境探测信息以及现实特情境数据库信息以及仿真原理数据、机电一体化模拟设备信息等在虚拟环境中综合构建，形成逼真的实际使用情景，让受训者以实际工作岗位的工作环境，虚拟深练，完成操作互动，理论实践结合、故障排除、特情处置等活动，最后形成实际的岗位能力。

参考文献：

[1] 虚实环境下的实训教学研究[M]，朱孝平、朱希涯著，杭州：华中科技大学出版社，2020.7

[2] 高职院校虚实结合的实训教学模式研究[J]，蔡东林著，教育与职业，2014.7

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