模擬仿真技術在高職焊接專業(yè)教學中的應用

易忠奇，王衡軍

（湖南機電職業(yè)技術學院，湖南長沙410151）

模擬仿真技術在高職焊接專業(yè)教學中的應用

易忠奇，王衡軍

（湖南機電職業(yè)技術學院，湖南長沙410151）

高職焊接專業(yè)的教學實踐性與專業(yè)性都很強，需要投入大量的設備和耗材等。學生焊接操作技能的培養(yǎng)需要通過有效的訓練方能掌握，加上傳統(tǒng)焊接作業(yè)工作環(huán)境相對較差、勞動強度較大，對于初學者來說有一定的難度。為改善工作條件，節(jié)約訓練成本，提高人才培養(yǎng)的質量，湖南機電職業(yè)技術學院在焊接專業(yè)人才培養(yǎng)過程中將焊接模擬仿真設備應用于教學之中，提高了學生的學習積極性，有效地節(jié)約了訓練成本。

高職教育；焊接專業(yè)；模擬仿真；專業(yè)教學

一、背景與現(xiàn)狀

“中國制造2025”提出我國要實現(xiàn)從制造大國向制造強國邁進，由制造向智造轉型。焊接技術是制造業(yè)中的一種關鍵連接技術，而目前還沒有其他方法能夠比焊接更廣泛地應用于金屬連接，并能為所焊產品增加更多的附加值。[1]在工業(yè)化發(fā)達的美國，焊接被視為制造業(yè)的命脈。焊接技術被廣泛應用于金屬及合金的高效連接，不管是建筑、橋梁，還是在車輛、計算機及醫(yī)療器械，包括很多日常生活用品的制造都離不開焊接技術。社會對焊接人才特別是技術技能人才的需求也在不斷增加，但焊接人才的培養(yǎng)一直處于供不應求的狀態(tài)。焊接高級技術技能人才的培養(yǎng)需要一定的周期與時間，從一些大國工匠的成長經歷就可以看出，一名優(yōu)秀焊接技術技能人才的培養(yǎng)需要大量的資金與材料消耗。如2012年CCTV-2播出的《大國重器》節(jié)目中就提到，培養(yǎng)一名焊接LNG船倉的殷瓦焊工需要近幾十萬元，以及最近央視播出的《大國工匠》等電視節(jié)目中都有焊接技術技能人才，每一名焊接高級技術技能人才的培養(yǎng)與成長都需要長時間的積累與高成本投入。

焊接專業(yè)是一個需要大量材料消耗的專業(yè)，操作技能水平的培養(yǎng)需要通過有效的技能訓練方能掌握，焊接專業(yè)教學需要投入大量的設備、焊條（焊絲）、焊接材料、氣體等。當前，不少高職院校因招生和培養(yǎng)成本等方面的原因而不再開設焊接專業(yè)。為提高專業(yè)人才培養(yǎng)質量、挖掘節(jié)約潛力，我院（湖南機電職業(yè)技術學院）經過對市場上應用較多的焊接模擬仿真設備（如福尼斯、捷安高科等）進行深入比較，選擇了武漢灣流新技術有限公司開發(fā)設計的焊接模擬仿真訓練器應用于焊接專業(yè)教學之中，對焊接專業(yè)人才培養(yǎng)與教學做出了新的探索。

二、焊接模擬仿真訓練器的優(yōu)勢

1．節(jié)省訓練材料

焊接模擬仿真訓練器代替了焊接操作訓練所需要的焊機、焊條（焊絲）、焊接材料、氣體等物資，每次焊接完成后只需要重新設置即可再次進行訓練，相當于材料可以無限次的利用。模擬機節(jié)省占地、無任何焊接材料消耗，一名教師可以同時管理多臺學員機進行教學，有效節(jié)省了教學成本。對于初學者來講，只需要一臺焊接模擬仿真訓練器就可以進行訓練與學習，模擬仿真訓練器是對專業(yè)其它教學資源的有效補充與擴展。

2．提高操作安全性，改善工作環(huán)境

傳統(tǒng)焊接教學，當學生進行實際操作時，由于操作不當便可能造成人身傷害和財產的損失，而帶壓管道的在役焊接等一些危險性較大的實驗，學生也無法親自操作。[2]焊接模擬仿真訓練器安全環(huán)保，設備無強電磁污染、無化學污染、無強光高溫傷害、訓練過程綠色環(huán)保。焊接專業(yè)實踐教學的設備一般較少在正常的教學時間以外開放，其主要原因是考慮到安全與管理等方面的因素。焊接模擬仿真訓練器使安全性得到了極大的提高，基本不存在傳統(tǒng)教學中的安全性問題與因素。傳統(tǒng)焊接操作教學中當學生進行實際操作訓練時，由于操作不當或失誤可能造成人身傷害或財產損失，教學過程中要求教師隨時關注學生的操作是否規(guī)范與正確，對操作中發(fā)現(xiàn)的問題更要及時地指出與糾正，如果發(fā)現(xiàn)不及時，學生又沒有意識到問題時，可能就會造成危險事故。焊接模擬仿真設備能有效地避免真實操作中的各種安全問題，同時彌補教學條件的不足，形成互補。模擬仿真改善了工作環(huán)境，焊接實際操作過程中產生的弧光、飛濺、粉塵、有毒有害物質在模擬仿真時不會產生，也在一定程度上減輕了勞動強度。

3．學習更為形象化，提高學習興趣

仿真教學環(huán)境的操作流程和規(guī)則立足于實際業(yè)務操作規(guī)范，虛擬操作環(huán)境和真實操作體驗是一致的，與傳統(tǒng)只能做單向知識傳遞的“視頻教學”模式完全不同，學員可以在仿真環(huán)境中進行實際操作，與業(yè)務環(huán)境進行交互，實現(xiàn)雙向良性互動。[3]提高設備利用率的同時，使學習更為形象化，焊接訓練時設備可提供實時輔助顯示。學員進行焊接操作練習時，系統(tǒng)會將焊接操作參數（弧長、焊接速度、行走角度等）轉化成圖形后給出提示，方便教師與學員進行觀察與對比，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行調整。訓練者還可在模擬訓練器上查閱與本次操作相關的焊接知識，教師可配合課程的需要在后臺動態(tài)地更新、上傳、刪除相關學習資料。

4．增加訓練者自主性

利用模擬仿真訓練器，學生可以根據自己的興趣靈活地選擇訓練方案與訓練項目，根據訓練目標與要求不斷地重復練習，并可在線對訓練效果進行分析，系統(tǒng)實時地記錄練習過程中的每一個參數。這對訓練者回顧練習時的操作手法具有重要的參考價值，學生在嘗試和總結中進行探索、發(fā)現(xiàn)事物的本質和規(guī)律，有利于擴展思維空間，有助于提高實踐創(chuàng)新能力。

三、焊接模擬仿真訓練器的主要功能

焊接模擬仿真訓練器具備進行焊條電弧焊、氣體保護焊、氬弧焊以及焊接機器人操作模擬訓練的功能。通過視覺仿真技術，操作者在操作過程中可以感受到真實的焊接操作環(huán)境與過程，極大地提高了真實度，使操作者有身臨其境的感受。對有經驗的訓練者，還可提供高級訓練平臺，通過視覺、聽覺和觸覺來進行焊接操作，訓練者可以從中學到要點并能簡便有效地將這些焊接技能轉化到實際的焊接工作之中。其主要有以下功能。

1．一機多練

模擬訓練器采用兩工位操作共用一臺采集主機同時進行數據采集，提供兩個工位同時訓練，提高了模擬機的使用效率。

2．操作零延時

模擬訓練器采用先進的傳感器及顯示設備讓訓練者在模擬空間中的操作零延時響應，能實現(xiàn)精準快速地操作，使焊槍操作無絲毫滯后感，仿真度極大提高。

3．采用3D立體視覺焊接模擬

模擬訓練器使用3D立體視覺進行模擬訓練，訓練者可通過立體頭盔所顯示的立體畫面直觀地識別焊槍與焊件的空間距離，這種立體視覺訓練符合人類視覺定位的傳統(tǒng)經驗，讓訓練真實度極大提高。

4．實時廣播教學模式

教師能在模擬訓練器上對全班進行廣播教學，實時的焊接畫面可以同步到每一臺學員機上，以方便學生進行觀摩學習以及與老師進行研討。學員可將教師的焊接過程同步到自己的學員機上，以實時學習教師的焊接手法，達到“手把手”教的教學模式。

5．“手把手”引導學習模式

學員在焊接訓練前采取“手把手”的引導學習模式，此時系統(tǒng)就會出現(xiàn)“引導焊槍”，學員只需一步一步地跟隨系統(tǒng)提示進行操作，通過此模式進一步細化了焊接操作步驟與過程，方便學員進行學習。

6．實時輔助顯示

學員在進行焊接操作練習時，仿真系統(tǒng)可以將焊接數據進行數字化提示，對學員操作的過程可以進行圖形化的顯示與記錄，并可以通過操作記錄數據分析每個學員的操作習慣，可以對每個學員的操作情況進行一對一的點評與分析，達到個性化教學的效果。

7．多焊件多位置焊接

模擬訓練器提供有四種實物焊件（平板練習、對接坡口板、T型板、圓管）來進行訓練，并支持多種焊接位置訓練，如平焊、立焊、橫焊、仰焊等。

四、焊接模擬仿真訓練器在教學中的應用

一是在仿真教學實施前，需要對學員進行設備基本操作的培訓，當掌握基本的操作方法后，可以根據系統(tǒng)設置的訓練模塊自主地選擇相應部分進行操作練習，并可以根據課程教學的需要，適當增加教學互動，提高學生參與思考問題與創(chuàng)新的能力，將理論與實際有效的結合，提高教學效果。二是動態(tài)任務設定、分級教學。教師管理端下達任務時，通過設定不同任務參數，進行任務難易程度的設置，實現(xiàn)從易到難分級教學。三是培訓自動化，教學效果能夠進行評價。教師管理機能夠有效的管理多臺學員機，可以實現(xiàn)動態(tài)任務管理與成績管理。訓練結束后能輕松將數據上傳，仿真系統(tǒng)能自動地進行統(tǒng)計與評價，操作訓練完成后的可以再次查看訓練錄像回放。

焊接模擬器作為高職焊接技術及自動化專業(yè)學生的重要模擬訓練設備，已經在現(xiàn)代焊接教學和實習實訓中得到廣泛應用，并在焊接人才培養(yǎng)質量提升方面發(fā)揮著重要的作用。[4]將模擬仿真技術引入焊接專業(yè)教學中，能充分發(fā)揮其直觀、感性的教學優(yōu)勢，可以有效地提高學生的學習興趣與積極性，對操作安全、節(jié)省焊接訓練材料等方面具有重要意義，課程教學效果有顯著提升。在人才培養(yǎng)的全過程中，需要模擬仿真與實際操作的有機銜接，處理好實際操作與模擬仿真教學的重點與區(qū)別，在仿真教學中要把傳統(tǒng)教學中優(yōu)勢的理論、行為、方法策略繼承下來，在新課改理論下以虛擬技術創(chuàng)新教學活動的規(guī)律和特點，以便更有效地促進學生的學習和發(fā)展，優(yōu)化課堂教學過程。[5]

總之，模擬仿真訓練器畢竟不是真實的焊接設備，只是一種模擬的教學應用設備，實際操作中的某些功能是不可能百分之百實現(xiàn)的[6]，所以，它不能完全替代實際操作訓練。在專業(yè)教學與訓練過程中要始終堅持仿真教學的模擬性，發(fā)揮其在模擬仿真進行焊接原理、操作手法等方面教學的優(yōu)勢，當訓練者達到一定水平后一定要結合實際操作進行練習，不能以模擬仿真的操作水平代替實際操作的技能水平。

[1]耿新會.淺析焊接專業(yè)模擬仿真在實訓教學改革中的應用[J].考試周刊,2015(67):17.

[2]李美艷,雷毅,韓濤,等.卓越計劃背景下虛擬實驗室在金屬焊接實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2015(8):112-117.

[3]張麗.現(xiàn)代職業(yè)教育仿真實訓課程開發(fā)與教學改革:以鐵道通信信號專業(yè)為例[J].遼寧高職學報,2015(1):75-77.

[4]顧園,張泉.WM-WS/D型焊接模擬器在專業(yè)教學中的應用[J].電大理工,2016(3):81-82.

[5]汪春蕾.仿真實訓教學模式的探究[J].科學大眾(科學教育), 2012(5):123.

[6]陳妍.仿真技術在高職專業(yè)課程教學中的應用:以焊接檢測課程為例[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013(19):68-69.

[責任編輯，撫順職院：陳輝]

The Application of Analog Simulation in the Teaching of Higher Vocational Welding Major

YI Zhong-qi，WANG Heng-jun
（Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha 410151,China）

The practice and professionalism of higher vocational welding major is strong,and the teaching needs to invest a lot of welding equipment.The training of welding operational skills needs to adopt effective training methods,the working environment of traditional welding operating is relatively poor,and the labor intensity is large.To improve the working conditions,save training cost,and improve the quality of talents cultivation,in the training process of welding talents,Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic applies welding simulation equipment to the teaching,and this improves the learning enthusiasm of students and saves the training cost effectively.

higher vocational education;welding major;analog simulation;professional teaching

G712

A

1009—7600（2017）04—0034—03

2017-02-15

湖南省教育科學“十三五”規(guī)劃2016年度課題（XJK016CZY030）

易忠奇（1983—），男，湖南桃源人，講師；王衡軍（1976—），男，湖南常德人，高級技師。