探討《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》課程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源的開發(fā)與應(yīng)用

林喜娜 劉凱 石磊 王志隨

【摘要】本文以客觀事實(shí)為依據(jù)，本著"以服務(wù)為宗旨、以就業(yè)為導(dǎo)向"的職業(yè)教育辦學(xué)方針，全面提高學(xué)生素質(zhì)和能力。探討了借助虛擬仿真技術(shù)和三維建模技術(shù)建設(shè)優(yōu)化虛擬實(shí)訓(xùn)資源。解決了項(xiàng)目教學(xué)過程中實(shí)訓(xùn)資源相對(duì)缺乏，促進(jìn)了主動(dòng)式、協(xié)作式、研究型、自主型學(xué)習(xí)，形成開放、高效的新型實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的重要途徑。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；項(xiàng)目教學(xué)；工學(xué)結(jié)合；

一、概述

《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》是高職機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課，應(yīng)用性很強(qiáng)，在機(jī)械類的各個(gè)專業(yè)如機(jī)械制造及自動(dòng)化、機(jī)電一體化、數(shù)控等專業(yè)都占有十分重要的地位，是專業(yè)課中的重點(diǎn)課程。這門課程不僅理論性強(qiáng)，而且具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，與企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密。

從我國(guó)職業(yè)教育的實(shí)際出發(fā)，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，通過課程組成員的國(guó)外學(xué)習(xí)和國(guó)內(nèi)交流，針對(duì)《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的特點(diǎn)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中逐步引入"項(xiàng)目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)"的理念，但是在項(xiàng)目教學(xué)過程中存在一個(gè)瓶頸問題：實(shí)訓(xùn)資源相對(duì)缺乏，加上上課時(shí)間可訓(xùn)練的時(shí)間有限，限制了同學(xué)們課后實(shí)訓(xùn)練習(xí)。

針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)問題，在新一輪的課程建設(shè)中，借助虛擬技術(shù)和三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源立體化、動(dòng)態(tài)化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化，建設(shè)虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，解決了項(xiàng)目教學(xué)過程中實(shí)訓(xùn)資源相對(duì)缺乏，促進(jìn)了主動(dòng)式、協(xié)作式、研究型、自主型學(xué)習(xí)，形成開放、高效的新型實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的重要途徑。

二、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，為其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持，使人們的生活、工作和學(xué)習(xí)變得更加快捷和方便。虛擬實(shí)訓(xùn)是現(xiàn)代職業(yè)教育中必不可少的一種形式，在教育領(lǐng)域應(yīng)用必將得到進(jìn)一步的開發(fā)與應(yīng)用?，F(xiàn)就國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀敘述如下：

將虛擬實(shí)訓(xùn)運(yùn)用于運(yùn)動(dòng)技能方面的研究由來已久。早在1985年，訓(xùn)練籃球的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已被開發(fā)。訓(xùn)練者戴上特制的手套和眼鏡，在虛擬的空間里練習(xí)投球。與在真實(shí)環(huán)境中相比，在虛擬的空間里練習(xí)投球有其顯著的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。如模仿真實(shí)世界中球的運(yùn)動(dòng)軌跡，并控制其運(yùn)行的速度以適應(yīng)訓(xùn)練者的訓(xùn)練進(jìn)程。開始時(shí)，球下落的速度非常緩慢，以便使訓(xùn)練者看清球運(yùn)行的路線，找出偏差，調(diào)整自己的動(dòng)作。隨著訓(xùn)練者投籃準(zhǔn)確率的提高，球速也開始加快，直到球速與現(xiàn)實(shí)中的完全相同。最終，訓(xùn)練者掌握了投籃技巧，并且這與在真實(shí)的世界里練習(xí)的效果沒有多大區(qū)別。后來美國(guó)Michigan大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生開發(fā)了一套運(yùn)用于足球訓(xùn)練的系統(tǒng)--Virtual Football Trainer。這套系統(tǒng)為使用者提供了一個(gè)近乎真實(shí)的訓(xùn)練場(chǎng)景，非常適合訓(xùn)練足球隊(duì)員的實(shí)戰(zhàn)能力。

虛擬實(shí)訓(xùn)在國(guó)內(nèi)的研究主要集中在高校和職業(yè)院校應(yīng)用。例如，北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是最早進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)研究、最具權(quán)威的單位之一，研發(fā)了用于飛行員訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)演示系統(tǒng)，研究了虛擬環(huán)境中的物理特性的表示和處理并提出相關(guān)算法和實(shí)現(xiàn)方法。北京科技大學(xué)鐘延烔教授研制的VR-4的汽車駕駛模擬器，模擬仿真各種路況上進(jìn)行駕駛技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，產(chǎn)生逼真的效果。VR-4可以提供多項(xiàng)教練場(chǎng)的正常條件下無法提供的訓(xùn)練項(xiàng)目，如惡劣天氣

下的訓(xùn)練，跟隨前車的訓(xùn)練等。

三、虛擬實(shí)訓(xùn)資源的開發(fā)

實(shí)訓(xùn)資源相對(duì)缺乏，加上上課時(shí)間可訓(xùn)練的時(shí)間有限，限制了同學(xué)們課后實(shí)訓(xùn)練習(xí)。

因此，在立體化教學(xué)資源的建設(shè)，主要解決實(shí)訓(xùn)資源的相對(duì)缺乏及如何引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)踐任務(wù)，并留有足夠的時(shí)間完成各個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)生綜合評(píng)價(jià)問題。

針對(duì)項(xiàng)目化的教學(xué)內(nèi)容，通過虛擬技術(shù)Solidworks composer軟件創(chuàng)建虛擬實(shí)訓(xùn)資源，借助于多媒體教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生完成教學(xué)過程。在立體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的建設(shè)中，為保證與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的一致性，采用三維建模技術(shù)，按照實(shí)際元件的圖紙尺寸建立立體元件庫(kù)，結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立元件調(diào)用和系統(tǒng)構(gòu)建平臺(tái)。三維液壓仿真設(shè)備與真實(shí)的YCS-A液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理完全一樣的功能，可以仿真操作、任意拆裝、任意設(shè)置故障、排除故障，所有的設(shè)備元器件及儀器儀表能夠根據(jù)其相應(yīng)的物理屬性實(shí)時(shí)做出反應(yīng)，就跟學(xué)生操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的效果一樣，達(dá)到學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的目的。對(duì)比現(xiàn)有課程資源主要進(jìn)行四項(xiàng)轉(zhuǎn)化：

1、二維圖片立體化，改變傳統(tǒng)教學(xué)圖片的展示，將液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)和氣壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)及液壓與氣壓的所有元件通過實(shí)地測(cè)量，然后借助Solidworks軟件進(jìn)行建模，渲染，使更加形象、逼真。

2、靜態(tài)過程動(dòng)態(tài)化，改變液壓和氣壓元件工作過程的靜態(tài)分析，借助Composer軟件對(duì)已建好的實(shí)驗(yàn)臺(tái)及模型進(jìn)行拆裝動(dòng)畫及回路的拆裝及工作原理的動(dòng)畫，通過機(jī)構(gòu)仿真和動(dòng)畫技術(shù)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)過程的動(dòng)態(tài)化，完成二維到三維再到動(dòng)畫的轉(zhuǎn)換。如圖1所示：

3、系統(tǒng)機(jī)構(gòu)可視化，通過Solidworks軟件剖視、透明等技術(shù)，將工作臺(tái)及所有的液壓元件的結(jié)構(gòu)及工作過程完全展示，每一個(gè)液壓元件都是透明可見，將一些簡(jiǎn)單的液壓回路，在虛擬的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行搭建，可以交互操作。如圖2所示：

4、教學(xué)實(shí)訓(xùn)資源網(wǎng)絡(luò)化，所有的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源均為電子文件，借助于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)和自學(xué)環(huán)節(jié)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

四、虛擬實(shí)訓(xùn)資源的應(yīng)用推廣

1、運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等充分發(fā)揮各種媒體的優(yōu)勢(shì)，將各種相互作用、相互聯(lián)系的媒體和資源有機(jī)地整合，形成了立體化、網(wǎng)絡(luò)化、精品化教學(xué)實(shí)訓(xùn)資源庫(kù)。立體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的實(shí)施，深化了校企合作的教學(xué)模式；克服了教材形式的單一性，提高了其實(shí)用性，滿足了現(xiàn)代學(xué)習(xí)者個(gè)性、自主性和實(shí)踐性的要求。既充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，又充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，創(chuàng)建了有利于大學(xué)生素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式；

2、教學(xué)實(shí)訓(xùn)資源既為教師備課提供了規(guī)范而有彈性的參考，又為教師實(shí)施教學(xué)提供了完善便于操作的技術(shù)支持。資源庫(kù)的教學(xué)素材豐富且新穎，既增加了教學(xué)的容量，充實(shí)、拓寬了教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了教學(xué)的時(shí)代感，又提供了比較完整的教學(xué)解決方案，最大限度滿足了教學(xué)要求。同時(shí)改進(jìn)了教學(xué)方法和教學(xué)手段，使教學(xué)中抽象、難以理解的內(nèi)容變的生動(dòng)直觀，達(dá)到黑板授課不可比擬的效果，從而突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式。建構(gòu)了有利于大學(xué)生素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式。

3、為學(xué)生提供了良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。為學(xué)生提供了一個(gè)具有科學(xué)性、先進(jìn)性、易操作的網(wǎng)上學(xué)習(xí)環(huán)境。增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的信息量，有利于學(xué)生課外學(xué)習(xí)的輔導(dǎo)，使教學(xué)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)了從信息的單向（教師對(duì)學(xué)生）傳遞向雙向（師生之間）乃至更廣的范圍（生生之間、教師之間、教師與社會(huì)之間）交換傳遞的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了交互教學(xué)及人機(jī)結(jié)合、師生結(jié)合、課內(nèi)外結(jié)合，大大提高了教學(xué)效率和效果。為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供多樣的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具，有助于啟迪學(xué)生的形象思維，提高學(xué)習(xí)效率。完善教學(xué)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)與管理。

五、結(jié)束語

根據(jù)高職教育的培養(yǎng)模式，全面提高學(xué)生素質(zhì)和能力。以信息技術(shù)的有效應(yīng)用為突破口，建設(shè)立體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)資源，改造提升傳統(tǒng)教學(xué)，加快信息技術(shù)應(yīng)用。大力開發(fā)數(shù)字化專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)，應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，豐富教學(xué)形式、提高教學(xué)效果，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間。拓展學(xué)習(xí)時(shí)空， 結(jié)成學(xué)習(xí)同盟， 化解學(xué)習(xí)難點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)成效。從而推動(dòng)《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》課程的改革與發(fā)展，為現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

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