機(jī)電一體化仿真實(shí)訓(xùn)平臺開發(fā)與應(yīng)用研究

黃登紅

長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124

1 仿真實(shí)訓(xùn)平臺開發(fā)的必要性

高職機(jī)電一體化專業(yè)主要面向機(jī)電類行業(yè)，培養(yǎng)從事機(jī)電設(shè)備的零部件生產(chǎn)、安裝調(diào)試、維護(hù)與維修等工作的高技能人才。該專業(yè)涉及機(jī)、電、液、氣等多方面學(xué)科，口徑寬，因此實(shí)訓(xùn)教學(xué)涉及的實(shí)訓(xùn)設(shè)備種類較多，設(shè)備購置、實(shí)訓(xùn)消耗等費(fèi)用較高。

近年來，各職業(yè)院校在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)硬件建設(shè)方面的投入經(jīng)費(fèi)逐年有增加，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上學(xué)校規(guī)模的發(fā)展。相當(dāng)部分學(xué)校的實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量與學(xué)生實(shí)訓(xùn)人數(shù)不匹配，特別是相對貴重的儀器設(shè)備更是嚴(yán)重不足。有時(shí)十來個學(xué)生甚至更多的學(xué)生使用一臺設(shè)備，學(xué)生得不到足夠的操作技能練習(xí)。由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備更新?lián)Q代成本高，職業(yè)院校普遍存在實(shí)訓(xùn)設(shè)備型號落后、跟不上企業(yè)技術(shù)發(fā)展步伐等問題。多數(shù)實(shí)訓(xùn)設(shè)備在企業(yè)已經(jīng)不在使用，學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)掌握的設(shè)備知識和操作技能到了企業(yè)根本就用不上。很多實(shí)訓(xùn)設(shè)備由于老化，功能技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)不到要求，實(shí)訓(xùn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障，影響了實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。

將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)訓(xùn)教學(xué)有著諸多優(yōu)點(diǎn)：提供足夠的工位（每人一臺計(jì)算機(jī)即可），保證每個學(xué)生都能得到充分訓(xùn)練；節(jié)能減耗，引入仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)原材料、工量具、儀表設(shè)備的節(jié)約；虛擬設(shè)備升級經(jīng)濟(jì)快捷，可讓學(xué)生及時(shí)熟悉新型設(shè)備功能及操作。

開發(fā)和應(yīng)用仿真實(shí)訓(xùn)平臺，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真訓(xùn)練，讓學(xué)生熟悉所訓(xùn)練的項(xiàng)目之后，再通過現(xiàn)場實(shí)物實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，采用這種階段性的訓(xùn)練方法，可以縮短現(xiàn)場訓(xùn)練時(shí)間，提高教學(xué)效率，降低教學(xué)成本。

2 機(jī)電一體化專業(yè)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)教學(xué)的需要，仿真實(shí)訓(xùn)平臺的構(gòu)建要基于行動導(dǎo)向教學(xué)理念，要以系統(tǒng)化的課程開發(fā)為基礎(chǔ)。通過實(shí)際設(shè)備的分解剖析，為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺采集真實(shí)的數(shù)據(jù)；然后分別開發(fā)仿真實(shí)訓(xùn)軟件及基于互聯(lián)網(wǎng)的仿真實(shí)訓(xùn)平臺管理系統(tǒng)；最后進(jìn)行系統(tǒng)的集成調(diào)試，完成平臺開發(fā)。

2.1 內(nèi)容架構(gòu)

教學(xué)仿真實(shí)訓(xùn)平臺總體架構(gòu)采用“虛擬教學(xué)系統(tǒng)平臺+專業(yè)課程軟件包”結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)電一體化專業(yè)的典型工作崗位特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容總體上分為機(jī)電設(shè)備機(jī)械部件的拆裝與調(diào)整（機(jī)械原理、拆裝與維護(hù)課程軟件包）、機(jī)電設(shè)備電氣系統(tǒng)的裝調(diào)與維修（機(jī)電控制、PLC、傳感器與檢測技術(shù)等課程軟件包）、液壓氣動系統(tǒng)的裝調(diào)與維修（液壓氣動裝調(diào)課程軟件包）等三個模塊（以后可根據(jù)需要擴(kuò)展）。由于機(jī)床（數(shù)控機(jī)床）為機(jī)電設(shè)備的典型產(chǎn)品，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制和液壓氣動控制等方面均具有較好的代表性，因此各模塊的訓(xùn)練項(xiàng)目以機(jī)床（數(shù)控機(jī)床）為主要載體。

每個教學(xué)仿真實(shí)訓(xùn)模塊均包括若干個核心技能訓(xùn)練項(xiàng)目、操作訓(xùn)練與考核題庫、輔助教學(xué)文本，及有代表性的企業(yè)生產(chǎn)過程、課堂教學(xué)等音、視頻資源等。難度上分中、高級兩個層級，以適用中、高職院校學(xué)生共同使用。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用戶子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對用戶的管理。它將用戶分為三個類∶教師、學(xué)生和管理員，不同級別的用戶所授權(quán)限不同。用戶子系統(tǒng)包括“用戶登錄”和“修改信息”等。

教學(xué)子系統(tǒng)包含機(jī)電設(shè)備機(jī)械部件的拆裝與調(diào)整、機(jī)電設(shè)備電氣系統(tǒng)的裝調(diào)與維修、液壓氣動系統(tǒng)的裝調(diào)與維修等三個教學(xué)仿真實(shí)訓(xùn)模塊（以后可根據(jù)需要擴(kuò)展一些基礎(chǔ)課程軟件包）。各模塊均包括教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、考核等子模塊，資訊管理和考核維護(hù)只有教師和管理員才能進(jìn)入。

協(xié)作與交流子系統(tǒng)包括“學(xué)習(xí)論壇”和“疑難解答”兩大模塊，可以解決網(wǎng)絡(luò)課堂中的雙向交流問題，支持課堂討論與實(shí)時(shí)答疑。

管理員子系統(tǒng)主要為系統(tǒng)管理員所設(shè)計(jì)，系統(tǒng)管理員可以通過進(jìn)入該子系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理和維護(hù)。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

運(yùn)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并借鑒國際先進(jìn)的專業(yè)平臺，建立教學(xué)仿真實(shí)訓(xùn)平臺+課程資源包的架構(gòu)。平臺要具有開放性和可拓展性，便于用戶根據(jù)自己教學(xué)需要，對內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和拓展。該系統(tǒng)為滿足網(wǎng)絡(luò)條件教學(xué)需要，運(yùn)用web3D的圖形數(shù)據(jù)處理技術(shù)，確保3D圖形數(shù)據(jù)量較小，從而確保軟件的運(yùn)行速度和可靠性。

該系統(tǒng)部署總體采用BS+CS結(jié)構(gòu)，可支持遠(yuǎn)程部署。開發(fā)工具采用web3D虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，可確保模型數(shù)據(jù)量非常小，如一臺數(shù)控機(jī)床細(xì)化到每個螺絲，數(shù)據(jù)量也通常不超過1M，這樣可以保障顯示質(zhì)量、運(yùn)行速度、互動性和遠(yuǎn)程部署。

圖1 仿真實(shí)訓(xùn)平臺模塊結(jié)構(gòu)

圖2 仿真實(shí)訓(xùn)平臺技術(shù)架構(gòu)

3 仿真實(shí)訓(xùn)平臺開發(fā)和應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

3.1 校企結(jié)合開發(fā)仿真實(shí)訓(xùn)平臺

仿真實(shí)訓(xùn)平臺的開發(fā)過程一定要與相關(guān)企業(yè)緊密合作，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)該是教學(xué)專家、行業(yè)專家和軟件制作專家三方合作的結(jié)果。要以教學(xué)專家為主導(dǎo)，實(shí)施優(yōu)秀的教學(xué)設(shè)計(jì)，編寫制作腳本，要有行業(yè)專家實(shí)施技術(shù)指導(dǎo)，還要有軟件專家實(shí)施創(chuàng)新制作，才能研發(fā)出科學(xué)的、適宜的、理實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件。

我校開發(fā)團(tuán)隊(duì)人員組成結(jié)構(gòu)采用“軟件企業(yè)專家＋設(shè)備廠家專家＋職教專家＋組織專家＋專業(yè)教師”的結(jié)構(gòu)。軟件企業(yè)專家運(yùn)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等開發(fā)教學(xué)仿真實(shí)訓(xùn)平臺，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目要求；設(shè)備廠家專家確保案例載體的典型性、普適性、綜合性，符合企業(yè)應(yīng)用情況；職教專家和專業(yè)教師確保教學(xué)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)符合職教規(guī)律和要求，組織專家確保本項(xiàng)目合作各方的協(xié)調(diào)和進(jìn)度監(jiān)控。

3.2 虛實(shí)結(jié)合開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)有助于學(xué)生理解實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，并在一定程度上提高學(xué)生的動手能力，但虛擬仿真實(shí)訓(xùn)本身有一定的局限性，并不能完全代替實(shí)物實(shí)訓(xùn)。如在機(jī)械部件安裝調(diào)試實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目中，涉及各種各樣典型的機(jī)械零部件、機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配和調(diào)整，用到的裝調(diào)工具，包括扳手、拔銷器、拉馬、芯棒、百分表等種類、型號很多。采用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件，學(xué)生雖然也能使用到這些機(jī)械設(shè)備和工具，但部件的安裝是程序化、理想化的，不像實(shí)際那樣會遇到各種情況，工具的使用也只是用電腦鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可以了。學(xué)生即使在仿真實(shí)訓(xùn)中得心應(yīng)手，到實(shí)際操作也可能會無從下手。因此，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上，安排后續(xù)的實(shí)操實(shí)訓(xùn)，或有目的地安排一些實(shí)訓(xùn)內(nèi)容在真實(shí)環(huán)境中操作完成，以彌補(bǔ)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的不足。

4 仿真實(shí)訓(xùn)平臺教學(xué)應(yīng)用效果

我校結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)平臺開展機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)，取得了顯著成效。每個學(xué)生都有訓(xùn)練工位，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和自主性得到極大提高；學(xué)生可以在任何時(shí)間進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的練習(xí)和自測，非常方便；學(xué)生先在仿真實(shí)訓(xùn)平臺上掌握相關(guān)知識和基本技能后，然后在實(shí)物實(shí)訓(xùn)設(shè)備上進(jìn)行訓(xùn)練，這種循序漸進(jìn)、由淺入深、由易到難的教學(xué)方式可使教師的實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作量及工作難度大大降低，也大大提高了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果。

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