交互式虚拟仿真系统在机械课程中的教学研究与实现

2024-06-09夏婉莉

科学与信息化 2024年9期

夏婉莉

北京铁路电气化学校北京 100000

引言

机械基础课程是工科类中职学校各专业学生必修的专业基础课，学好该课程可为后续学习各类专业课程打下良好基础。中职学生对与该课程相关的数学、物理的基础知识储备相对薄弱，缺乏对机械设备的直观认识和操作经验，导致在理解机械基础概念和原理，分析机械零件结构和计算数值时存在困难，也给机械课程的教学目标的达成带来阻力，因此，尝试在机械课程教学中应用虚拟仿真系统。

1 减速器拆装虚拟仿真系统的研究背景

2021年9月，教育部印发了《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》，为切实推进虚拟现实与人工智能等信息技术在职业教育中的应用水平，仿真技术与实训设备的深度融合，职业教育的高质量发展等方面提供了有力指引[1]。同时体现了虚拟仿真系统在职业院校课程改革中的重要作用。虚拟仿真系统在多门课程的教学中都起到了显著的教学效果。我国对职业教育改革的力度逐年加大，也对职业院校的实训条件，硬件及软件设施提出了更高的要求，相关技术在中职教学实践中的研究需求也逐步增大。

交互式虚拟仿真系统是一种基于计算机技术的模拟系统，能够模拟现实世界的各种场景，在生产、医疗、教育等多个领域中，都得到了广泛应用。比如：在教育领域中，交互式虚拟仿真系统可以用来进行模拟实验和技能训练，尤其是在中职教育教学中，更加注重实践性和应用性，交互式虚拟仿真系统可以用来模拟各种实践场景，学生在计算机设备上模拟操作，提高效率的同时，掌握相关流程与操作技能，也可以减少实际操作中的错误与风险。同时，交互式仿真系统能够实现线上教学和学习，教师通过该系统进行实验演示和教学，学生可以在不同的地点和时间参与到学习中来。

在众多的机械理实一体实训设备中，减速器装置具有常见、常用、涵盖的机械相关知识点较全面等优点，是《机械制图与机械基础》课程教学中的重要载体。减速器的拆装实验，是教学过程中进行理实一体化教学的重要环节，也是锻炼提高学生的实践能力及职业素养的重要途径[2]。但是，目前减速器拆装仿真系统在职业学校机械基础课程中的应用并不多见。当前在中职院校普遍使用的虚拟仿真大多基于传统CAD、CAM系统实现的以图形图像、视频的形式为主，内容及形式都较为传统甚至有些落后于时代的发展。

2 减速器拆装模拟仿真系统的研究目标及方法

为提高《机械制图与机械基础》课程理实一体化教学效果与学生的动手能力，促进仿真技术与实训设备的深度融合，根据多年在该课程中积累的关于教法和学法的材料、数据、经验以及出现的问题、改进的方向，设计适合教与学，融趣味性、可操作性、严谨性于一体的人机交互式减速器拆装模拟仿真系统，实现一级圆柱齿轮减速器的拆卸、安装、模拟运行演示、计时、小组pk等功能[3]。该仿真包含三大模块：减速器拆卸模块、减速器装配模块、减速器模拟运行模块。其具体功能为。

系统支持PC版本、Android版本和Web版本，使用鼠标和触控进行减速机拆装模拟；教师能够演示、学生可以查看减速器模拟运行动画，模拟运行时，可调节并显示输入轴的多级转速；学生可以对减速器及其主动齿轮轴组件、从动齿轮轴组件进行装配练习，系统能够按照规定步骤对学生操作顺序进行纠正，并记录学生操作的总耗时。装配过程中，系统自动提示装配要求，如螺纹连接件的预紧力等；学生可以对减速器及其主动、从动组件进行拆卸练习，系统能够按照规定步骤对学生操作顺序进行纠正，并记录学生操作的总耗时；系统可根据学生的拆装成绩进行自动排名。拆装成绩包含出错率、用时等统计。

3 减速器拆装仿真系统在教学中的应用与成效

3.1 线下教学

学生通过电脑、PAD、安卓手机等终端进入虚拟仿真场景，对场景中的减速器的各个部件进行组装或拆卸操作，系统判定组装或拆卸的步骤是否符合规范，同时系统将实时记录评价数据，如：学生操作正确率、操作时间等数据，是教学过程中实现信息化教学的重要手段。在学习过程中，学生发挥对电子产品的兴趣及特长，主动挖掘软件的操作方法对减速器的拆装步骤、方法、要求，以及对机械零件及传动相关知识点理解和掌握得更加透彻，促进达到本课程的知识目标。在评分系统及小组PK比赛任务的驱动下，学生也提高了学习的主动性，加强了合作交流能力和发现问题与解决问题的能力。当拆装步骤有误，系统会提示出错，直到学生能够规范操作，才能进行下一步骤，学生在使用和学习过程中感受到了规范操作的重要性，加强了工程意识及勤学苦练、不怕吃苦，认真严谨的工作作风，促进达成本课程的知识、能力目标及素质目标，有效促进了三有课堂的实现。以下列举该系统应用到机械课程的齿轮传动项目中的具体实施方法。

3.1.1 齿轮传动的类型与其轴系位置关系问题。该知识点是学生初步认识齿轮传动时的教学难点，可以考虑结合减速器拆装模拟仿真系统来突破。教师引导学生运用模拟仿真系统，熟悉圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器及蜗杆减速器箱盖的拆卸步骤及要领，并观察仿真系统中不同类型的齿轮传动的结构与位置关系，之后以小组为单位操作减速器实体设备，直观感受、观察并辨析齿轮的不同结构类型、齿轮传动的工作原理以及轴线间的相互位置关系，将抽象的理论知识与模拟仿真、实体操作相结合，既能降低在没有完全掌握操作要领时直接操作实体设备带来零件的损坏的可能性，也能提高授课效率，有助于突破教学难点

3.1.2 齿轮传动的传动比计算问题。齿轮传动比的计算是工程实际中的设计重点，也是任务实施过程中的教学重点。虽然传动比的计算简单，只涉及齿数、转速、比值关系等，但学生的数学计算水平普遍不高，甚至有个别学生有抵触心理，不愿在抽象问题中突破自己，就会无法理解传动比与降速、升速之间的联系。因此，简单的数学计算也会成为教学难点。教师可引导学生运用模拟仿真系统的模拟运行模块，调节不同的输入转速，观察输出轴转速的变化，从而理解传动比的含义和减速器的工作原理，并可以在此环节运用仿真系统设计游戏比拼，使基础薄弱的学生在好奇心的驱使下，进入学习，并在同组同学的帮助下，共同完成传动比的计算，理解其中的含义，为后续计算齿轮各部分尺寸奠定了一定的基础，提高了信心。

3.1.3 识读装配图的问题。装配图的识读是机械制图课的系统化及总结性内容，也是学生对三视图、零件图、技术要求知识点的综合能力的提升。由于其涵盖知识点较多，图样较复杂，部分学生不易理解。教师可引导学生在观察零件实物的基础上，借助模拟仿真系统了解各零件的安装位置及结构特征，理解其功能原理、应用，从而识读装配图装中的表达方法，分析视图的名称及投影方向，分清各零件安装位置和结构特征。

3.1.4 对照装配图完成减速器组件的装配问题。装配减速器是理论与实际相结合的重要体现，是学生提高实践能力的重要环节，也是检查学生能否学以致用将理论应用于实践的重要途径。由于齿轮的装配精度要求较高，对于实操能力稍弱的学生，没有信心做好，不敢于尝试。也有学生在装配过程中忽视预紧力的要求，损坏螺纹连接件的情况时有发生。教师可引导学生运用模拟仿真系统，独立进行从动齿轮组件装配仿真练习，熟悉仿真环境，相互切磋装配步骤，根据软件提示谨记装配要领及螺纹连接件预紧力的要求。为了使学生感受学习的趣味性，教师可运用仿真系统设计小组PK游戏，学生以小组为单位进行模拟装配的比拼，既能激发学习兴趣，也为后续的实际组装奠定了基础。仿真练习有效训练组装的顺序和流程和要求，可以再现所出现的错误，减少实际组装时的差错和零部件的磨耗、损坏，提高实际组装的效率与质量。并在游戏环节中培养团队意识与集体荣誉感。

线下教学实施过程中，教师、学生操作仿真系统，提升教学的直观性，促进学生对知识的理解和掌握，避免了教师演示实体模型而看不清楚的弊端。模拟仿真系统是在动手实操实体设备前的模拟操作，能有效避免因学生对操作要领掌握不够或是不规范，导致实训设备的损坏情况。实体模型经过多届学生拆装实践操作后，有些已经损坏，或者出现精度严重下降、装配困难，或是实训设施数量不足等情况，用模拟仿真系统进行演示教学，能够起到节约成本的作用。结合圆柱齿轮减速器拆装模拟仿真系统，学生能够自行探讨其他两种减速器的拆卸步骤，起到高效的示范作用，节省了教师再次讲解拆卸步骤的教学时间，学生乐于接受，趣味性强，效果好。

3.2 线上教学

线上教学，在师生都没有减速器实训设备的条件下，学生在手机、平板或电脑上安装模拟仿真系统，教师通过屏幕共享，应用软件进行演示教学。学生也可以在自己的设备上观看与操作仿真软件，对减速器整体及各个零部件的结构、传动机构的组成、工作原理、装配关系，拆装步骤等等方面，都有了直观的感受和较深刻的理解。能够有效解决机械课程在线上教学中因缺乏实物导致的枯燥、抽象等问题。

4 研究设想

4.1 优化仿真系统新功能

积累仿真系统的开发和应用经验，进一步优化仿真系统功能。如：增设减速器各零件装配尺寸精度要求，装配螺钉、螺栓时的预紧力要求等功能。增设同类型零件的选择功能，比如滚动轴承类型、型号的选择，齿轮类型、齿数的确定，传动比计算等功能。

4.2 探索VR、AR相关技术接口研究

借助Unity3D对VR的强大支持做进一步的研发，配套VR眼镜和体感设备在已建立的场景中进行交互。模拟仿真系统毕竟是在虚拟环境下，真正的实践能力仍需通过学生动手操作减速器设备来锻炼和提高。此仿真系统支持虚拟现实、增强现实也就是“VR”、“AR”的实现。在虚拟环境下，模拟现实世界中减速器各个零件的重力，也就是每个零件都可以根据设定的材料及尺寸生成重力要素，学生在“VR”、“AR”虚拟环境中拿起各个零件操作时，有更加真实的减速器拆装实践体验。