VR技术在工业网络技术专业实训教学中的应用研究

2020-05-14熊燕帆何锡武

电子元器件与信息技术 2020年2期

关键词：实训工业设备

熊燕帆，何锡武

（武汉城市职业学院，湖北武汉 430064）

0 引言

随着德国“工业4.0”战略的实施，对高等工科院校培养适应社会主义现代化建设要求、兼具工程实践能力和创新能力的工程技术人才提出了新的要求。如何加强对实训基地的建设，如何改善实训教学模式、创新实训教学的方式和手段，成为高校着重思考的重大问题。

VR技术在教育领域的应用逐步增多，已有部分高校、学术机构等开始使用虚拟实验来补充教学[1]。然而，目前VR在工业网络技术专业实训教学中的应用十分罕见。

1 VR技术概述

VR（Virtual Reality）技术，也叫虚拟现实技术，它是一种将信息技术、网络技术、多媒体技术等先进技术相结合的计算机虚拟仿真系统[2]。通过交互技术、人机界面技术等各种技术手段让学习者可以通过与计算机进行自主探究学习。

VR技术有三个重要特征：（1）沉浸性。VR技术主要通过运用计算机来构建一个虚拟环境，需要借助于头盔、耳机等辅助设备，达到获得与真实世界一样的感觉，为用户营造出一种身临其境的感觉。（2）交互性。在计算机为用户构建的虚拟环境中，用户可以通过操作手柄、键盘、耳机等设备，达到操控虚拟物体并获得反馈的效果。（3）想象性。VR技术不仅能通过构建虚拟环境来模拟一个现实世界，还能运用相关技术来模拟一个不存在的环境，这正是从创新的角度体现出的VR技术的作用。

2 工业网络技术专业实训教学现状

2.1 实训教学过程及内容

工业网络技术实训教学中主要以INDUSTRY 4.0工业网络智能工厂为蓝本，基于信息物理INDUSTRY 4.0工业网络智能工厂，融合工业互联网自动化的生产，将虚拟工厂与实际的对象结合起来，实现机器、工件和组件之间全面点对点的信息通信，实现生产制造自动化、流程管理数据化、企业信息网络化等[3]。

工业网络的实训教学涵盖了PLC、现场总线、分布式I/O、变频器、传感器、伺服电机、直流电机、人机界面、云台数据库、工业机器人、三维打印、视觉检测和组态软件等多种技术。通过对工业自动化及网络通讯设备的安装、接线、诊断，PLC、组态软件和触摸屏的编程、调试等，实现对工业网络全集成技术和工业网络智能工厂的相关技能训练。

工业网络实训教学设备实物图如图1所示，整个工业网络实训教学设备主要完成药瓶的生产与灌装的工作，并将灌装好的药瓶自动拧盖并安放到固定的架子上，并将数据报送给上位机。在上位机生产管理系统上能查看详细的派发订单信息和实际完成的订单信息并能下发订单到下位机。学生需学习整个产线的搭建并了解下位机端的数据如何上传至上位机，了解工业网络的组网方法。

由于整套设备价值百万，教学中无法购置多套设备供学生拆装与调测，必须使用VR虚拟仿真系统，供学生仿真学习。整个数据走向如图2所示，终端产线的数据、各种传感器的数据、智能相机的数据等都上传至PLC，通过工业交换机、路由器实现PLC、触摸屏、上位机等各类设备之间的网络互通。整个教学过程涵盖了通信、网络、工业控制、机器人等多学科知识的融合，知识难度大且学生不易上手学习。

2.2 实训教学中存在的问题

针对以上工业网络专业的实际情况，具体来说，存在以下问题：

2.2.1 学生刚开始学习，易发生误操作，设备损耗大

由于学生处于学习阶段，刚接触设备，没有任何实操经验，极易发生误操作，导致设备损坏或损耗，甚至有安全隐患。在课堂上一位老师很难看护好所有学生的试验全过程，稍不留意可能发生安全故事。

2.2.2 设备的更新速度难以更上新技术的变革

由于机电类的实训设备费用昂贵，一套设备至少使用五年甚至更长时间。而社会新技术不断发展，学校的教学设备很无法跟上新技术革新的速度，导致学校培养的人才与企业所需要的人才无法匹配，影响学生的就业和长期发展。

2.2.3 教师教学示范效果不佳

工业网络实训课程开始时，教师会手把手给学生演示一遍如何操作，但是由于实训场地环境吵杂，所有学生围在一起观看效果很差，教学效果大打折扣[4]。

3 VR技术在工业网络技术专业实训中的应用

为了解决专业教学中存在的设备难、教学难的问题，VR虚拟仿真用于教学势在必行。本课题设计的虚拟仿真实训系统主要完成指导学生在虚拟场景中完成工业网络实训平台的搭建和使用。采用与类似游戏的操作体验，尽可能让学生打开软件即可上手，从而大大减轻学生的学习成本，通过游戏化的操作方式充分调动学生的学习兴趣，主动探究任务的完成，从而达成学习目标。

本虚拟仿真实训系统通过一个个具体案例，按照真实操作场景，逐步向用户展示设备的操作过程，同时配以相应的语音和文字解说。教学过程可进行任意拖放跳转，便于用户对某些需特别强化的知识点进行针对性学习。

对于一般流程较为固化的知识点，如一般设备的运行原理展示、拆装过程展示、操作展示等，采用通用的“教”“练”“考”程序流程，让学生边学边练，最终通过考试检验学习效果。

“教”的过程就类似教师示范的过程，真实地还原相关设备的实际外形与操作原理，生动而直观地向用户展示仿真对象的基本操作过程。

“练”的过程中学生可以边看边模拟操作过程，遇到问题系统会有提示如何进行下一步。练过程中，用户还是按照教的流程进行学习，所不同的是，在所有需要操作的触发点，用户都需要自己手动进行交互操作，通过这样的方式加深用户的理解，并且增强仿真软件的趣味性[5-6]。

“考”的过程就是学生自己动手模拟操作过程。启用考功能后，设备操作将没有任何提示，用户需要按照之前学到的知识进行考核巩固。考试最后会自动生成考核成绩，记录用户实际考试的每一步操作[7-8]。