疫情常态化下基于虚拟仿真的焊接实训教学

陈 龙，朱玉斌，孙晓凯

（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）

0 引言

2020年，新冠疫情席卷全国，这场可以称之为“灾难”的疫情直到今日，仍然刻骨铭心。为了全国人民的健康安全，教育部要求全国高校推迟开学。《关于中小学延期开学期间“停课不停学”有关工作安排的通知》被印发出来后，引起了社会的热烈反响，同时在教育行业中引发了热烈讨论。《通知》对于中小学延期开学期间“停课不停学”有关工作进行了全面而且细致的部署，并提出全覆盖的工作措施和具体要求。停课不停学，算是去年高校老师口中的高频词汇了，而且在疫情常态化管理后，“停课不停学”应该算是应对这一情况的有效方法。在疫情这个特殊时间节点，停课不停学，意味着对于高校教师在教学条件发生变化的前提下，利用现实中科技有利条件，去完成任务，这无疑对高校教师要求更加严格。“停课不停学”的政策其首要完成的任务就是必须要保证教学任务不会减少，其次的任务就是还要保证教学质量不能因为教学方式的改变而不降。教学任务不减是指，与以往一样，在规定的学期内要完成与之前一样的教学任务。而质量不降，则是必须通过更好的办法，利用更为先进的现代技术教育手段，促进学生学习积极性，将知识点融会贯通，让他们更好地理解并接受知识，不是敷衍地机械地进行教学步骤。经过全国人民，尤其是医护人员的努力，我国人民的生产和生活已经基本恢复正常，大中小学秋季学期全面复课。但是由于疫情的复杂性和国外输入性病例的影响，散发病例时有发生，疫苗大面积接种尚需时日。疫情常态化背景下如何开展实践型课程的教学，是新时期需要探索的问题。

1 焊接实训课程教学改革的必要性

焊接实训课程是全国各高校机械工程等专业的必修课程，也是相关专业，如电气工程、轨道交通等专业重要选修课之一，因此，焊接实训课程是相当重要的。与机械工程学科的其他基础课程不同的是，焊接实训课程是一门实践型课程，必须让学生去感受，从实践中去总结经验，从经验中去验证客观规律。传统的“填鸭式”式的课堂教学没有办法有效地激发学生对于机械课程的学习兴趣，长此以往，很大程度上也影响了学生对机械专业课程基础知识的掌握[1]。因此，该类课程的教学需考虑其特殊性，教学方式不能局限于传统课堂，实验、实习等实践型教学方法对于花卉学课程的学习至关重要。

但是在疫情常态化情况下，如何开展这一类课程的教学，实现高效的教学互动是必须解决的问题。同时，“中国制造2025”对高等院校培养高端技术复合型人才提出更高的要求，但是，在目前条件下，尤其学校场地、疫情及其他方面的影响，确实在培养人才方面也受到了很大的制约。在焊接实训课程中引入虚拟仿真技术，使平台的设计实现更自然的人机交互，能使学生更好地理解机械生产全过程，提高学生在整体上把握新产品的加工过程的能力。

2 基于虚拟仿真的焊接实训教学优势

2.1 克服焊接路径选择教学难点

焊接工艺在当代机械加工中应用十分广泛，因此焊接技术是当代工业生产最基本的加工制造技术之一，不仅如此，其重要性也再不断地提高。在实际生产中，具有多年经验的焊接工人在焊接加工时，焊接路径选择是相当讲究的，如何用相当短的焊接加工路径，如何花费最少的焊接加工时间，并且可以获得比别人还要好的整体焊接加工效果。而在实训教学过程中，学生则对焊接路径的选择总是存有疑问的，自己认为自己设计的焊接路径可以出色地完成加工任务，但是很多时候是没有考虑到时间成本与焊后效果。学生的焊接路径的选择五花八门，其焊接结果也是不尽相同的。而利用虚拟仿真的焊接实训后，学生可以利用虚拟仿真技术将其设计的焊接路线模拟出来，这样就可以大致的模拟出焊接后的最终效果，如曲翘变形等，从而节省教学成本，更是以最小的代价去使得学生获得最大的生产经验，有利于后续多重多道焊的教学展开。

2.2 加深学生焊接的感性认识

基于虚拟仿真焊接实训教学是利用现代科技，产生更真实的焊接加工环境，从而强调学生在整个焊接加工学习过程中的主导地位。如图1所示，学生能通过键盘+鼠标+显示屏等外在输入输出设备与加工系统所营造的焊接加工环境进行多维度信息交流发生交互作用。三维虚拟焊接加工环境使学员沉浸其中，并且产生身临其境的感觉，可以直观地感受焊接过程。

图1 基于虚拟仿真焊接实训教学基本特征

正所周知，焊接的加工过程是伴随着高温或者高压的，同时会产生强刺激的光线[2]，学生在焊接时，势必要全副武装，这样无法更好地认识焊接的基本概念。而基于虚拟仿真焊接实训教学则通过虚拟仿真技术带领学生去认识焊接过程，了解基本概念，比如母材、热影响区及余高等。而系统的构想特征则体现在学生可以自主地在虚拟环境中设计焊接路径，按照其所设想的进行动态模拟焊接仿真加工，使得学生从虚拟的加工过程，检验加工效果，从而巩固其基础知识，并根据模拟出的曲翘变形量及残余应力，进行路径修正，加强其加工工艺知识的相关学习。

2.3 保证学生实习安全

焊接过程除了上述所说，伴随着高温、高压等比较危险的特征，同时，焊条尘烟中也是有害的，比如会产生氧化铁、氧化锰微粒等，如果不做好防护，会影响学生[3]。更重要的是，焊接弧光包括紫外线、红外线，在无防护的情况下，可能损伤视觉器官，导致电光性眼炎、白内障和视网膜灼伤。所以，在进行焊接实训的过程中，指导教师不断地强调焊接的正确操作步骤及合理的安全保证措施。当实施基于虚拟仿真焊接实训教学时，利用虚拟现实设备，可以先使得学生适应焊接环境及熟悉焊接基本操作，进而更好的理解焊接过程及其基本概念。当学生经过虚拟仿真教学后，再进行实训教学操作，这样可以从学生心理上减轻压力负担，更好地使学生集中精力在焊接过程中，而不是分散精力在焊接工具及焊接环境上。

3 加强基于虚拟仿真焊接实训教学的措施

3.1 加大投入虚拟仿真建设

高校必须持续加大对虚拟仿真设备的投入，而且设备还需紧跟时代技术进步。同时，不同实训课程有着不同的特点，所以高校要有针对性的购买侧重点不同的虚拟仿真设备。比如焊接实训课程，必须紧跟市场特点及用人单位的要求，补充VR等能让学生可以真切体会的虚拟现实设备。而如果是数控加工实训课程，则需要补充虚拟仿真加工系统，让学生能够自主进行编程等相关操作并进行模拟加工，从而进行自检程序。

3.2 针对虚拟仿真设备重塑教学计划

在机械专业基础课程中，所制定的教学计划，必须坚持“学生为主体，教师为主导”的原则，那么在实践课程，一样也要坚持原则，而且由于两者的差别，针对实践课程，不能生搬硬套，必须重塑教学计。基本流程是熟悉生产环境—任务设置—仿真虚拟实训—真实实训—总结反馈[4]，而且每一个步骤都必须以学生为中心，尤其在任务设置阶段及仿真实训阶段，必须将焊接的种类、工艺参数等基础概念完整地展示给学生，让其感性认识焊接过程。

4 教学实施案例

对于焊接实习，最基本的就是先让学生熟悉手工电弧焊。通过手工电弧焊，可以帮助学生更好的理解焊接过程中的概念，比如热影响区、母材及焊接参数等基本概念。所以，在进行焊接实习时，首先通过焊接模拟软件，根据焊接工艺向导（Welding Advisor）设置各项工艺参数，如焊接电流、焊接电压及焊接速度等。

当完成工艺参数设置后，系统根据参数进行焊接模拟，并可以重现整个焊接过程，如图2所示。通过这个图片，学生对焊接过程的温度场变化等会有了更加直观的认识，也有利于后续焊接实践操作的教学。

图2 焊接过程的实时温度场变化

5 结束语

突如其来的疫情确实打乱了学生的学习节奏，尤其对于实践操作课程。为了达到原有的教学效果，必须更新教学理念、更新教学设备及更新教学方法才能创造性地完成教学任务。通过合理利用虚拟仿真设备，做好实践课程的“虚实结合”，以及根据实际情况制定合理的教学计划，才能最小化疫情对实训教学的影响，进一步提高实践课程教学效果。