高職虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)研究
——以汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)為例

張國豪

（襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 湖北 襄陽 441050）

隨著中國政府“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的提出，教育信息化成為教育部門推進各級各類教育發(fā)展的有力武器。職業(yè)院校因其對實踐教學(xué)和實訓(xùn)的需求，在真實設(shè)備、真實實訓(xùn)、真實情景難以構(gòu)建時，有微課、慕課、虛擬仿真實訓(xùn)等幾種方式的信息化手段可以選擇，其中，虛擬仿真實訓(xùn)因其交互性強、參與性好、易提升學(xué)生興趣，對提升實踐教學(xué)效果顯著，成為信息化選擇的首選。作為教育信息化的有效手段，虛擬仿真實訓(xùn)尤其適合在鐵路、建筑、汽車、船舶、航空航天、武器等行業(yè)的相關(guān)專業(yè)。

一、汽車制造與裝配技術(shù)虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)的必然性

近年來，隨著人民生活水平的提高，汽車的市場需求逐步得到釋放，在汽車進入普通百姓家的同時，帶來了汽車產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)應(yīng)運而生。目前全國開設(shè)汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)的學(xué)校有182所之多，大多建立時間不長，以近幾年上馬為主。[1]不排除有些職業(yè)院校資金實力比較雄厚，引入真實汽車生產(chǎn)線入校，解決學(xué)生實訓(xùn)條件問題。但對于大多數(shù)院校而言，資金不足、場地不具備、設(shè)備功能不夠等諸多原因存在，甚至有院校專業(yè)辦了七、八年，仍然缺乏核心課程的實訓(xùn)條件。

（一）汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)的實訓(xùn)條件缺乏原因分析

1.資金問題。高等職業(yè)技術(shù)教育所培養(yǎng)的是適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)一線需要的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。為此，各高職院校均意識到建立健全教學(xué)實訓(xùn)場地的重要性，紛紛加大投入，為各個專業(yè)建設(shè)相應(yīng)的實訓(xùn)場所。但目前的問題是創(chuàng)設(shè)汽車制造與裝配技術(shù)四大工藝情景的設(shè)備價格昂貴，像自動化沖壓設(shè)備、涂裝生產(chǎn)線、汽車總裝線等，動輒上千萬甚至上億，這對辦專業(yè)來說成本太高。很多院校雖然加大了投入力度，但由于實訓(xùn)基地建設(shè)的周期長，前期投入與后期消耗都非常大，且隨技術(shù)的發(fā)展，常需要更新?lián)Q代，很少有學(xué)校有足夠的財力進行投資。

2.場地問題。高職院校實訓(xùn)基地是完成職業(yè)教育教學(xué)活動中技能訓(xùn)練的重要場所，其功能是在模擬實際工作環(huán)境下，進行規(guī)范的技術(shù)技能操作?？梢?，實踐教學(xué)需要有一個實戰(zhàn)環(huán)境。但現(xiàn)有的高職院校的校園面積都不是很大，實訓(xùn)用地用房相當緊張，沒有足夠的土地來建設(shè)實戰(zhàn)型實訓(xùn)基地，更不可能為全院每個專業(yè)都建立起具有實戰(zhàn)環(huán)境的實訓(xùn)場所。[2]

3.功能問題。目前，高職院校的實訓(xùn)場所基本能滿足實訓(xùn)的需要，但實訓(xùn)場所與真實的工作環(huán)境差異較大。即使是功能齊全的實訓(xùn)場所，也會有一些實訓(xùn)活動是無法開展使教學(xué)活動受到限制。

因而目前全國的汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)設(shè)備都比較短缺。

（二）虛擬仿真實訓(xùn)的優(yōu)勢

1.適應(yīng)當前高職生的需求，實訓(xùn)效果好。目前人們對職業(yè)教育的認識仍然有一定偏差，導(dǎo)致職業(yè)院校招收的學(xué)生大都是普通高校招收后“剩下”的學(xué)生，大部分學(xué)習(xí)習(xí)慣不佳。加上專業(yè)實訓(xùn)條件不足，以理論課程為主，創(chuàng)設(shè)不出逼真的職業(yè)情境，不能滿足其動手參與的需求，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會消磨殆盡，出現(xiàn)上課玩手機、睡覺的現(xiàn)象，造成教師、學(xué)生、家長等多方對職業(yè)教育不滿意。虛擬仿真實訓(xùn)把課程開發(fā)成游戲，寓教于樂，教學(xué)和實訓(xùn)過程中，學(xué)生參與性強，學(xué)習(xí)興趣足，學(xué)習(xí)效果好，人才培養(yǎng)質(zhì)量高。

2.投資小、占地少、耗材少、安全性好。汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)的實訓(xùn)設(shè)備因其價格昂貴和場地面積大，相對于實際實訓(xùn)場所和設(shè)備的建設(shè)投資，建立一套虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實訓(xùn)基地，其投資要小得多，且設(shè)備更新?lián)Q代或改進的成本也可以大幅度降低。在耗材方面，除了用電，幾乎不消耗耗材。而且是用虛擬仿真的方式操作，安全性大大增加。因此，虛擬仿真無疑是最經(jīng)濟、最易復(fù)制和推廣、占地最小、耗材最少、最安全的替代方式。

3.功能強大，可實現(xiàn)“云實訓(xùn)”。虛擬仿真實訓(xùn)平臺主要以軟件建設(shè)為主。軟件具有開放性，二次開發(fā)和推廣都比較容易，功能可根據(jù)需要進行拓展。

另外，通過虛擬仿真實訓(xùn)管理平臺可以實現(xiàn)云實訓(xùn)。通過云課堂布置實訓(xùn)任務(wù)到學(xué)生，學(xué)生通過實訓(xùn)任務(wù)啟動虛擬仿真軟件，并可以成功定位在實訓(xùn)任務(wù)部分，開啟實訓(xùn)學(xué)習(xí)。待學(xué)習(xí)完成后自動提交學(xué)習(xí)成績及學(xué)習(xí)軌跡到云端，云課堂則會自動統(tǒng)計匯總，將結(jié)果顯示到教師端，這樣可以完整地實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的閉環(huán)控制，提高教學(xué)傳授能力和監(jiān)控能力，并可以進行在線考試和在線答疑。

因此，解決以上問題，虛擬仿真實訓(xùn)成為汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)的必然選擇。筆者所在學(xué)校在這方面走在全國前列。2014年，學(xué)校的汽車制造與裝配虛擬仿真實訓(xùn)平臺被省廳立項為信息化試點專業(yè)。在學(xué)校對接教育部的“三年行動計劃”中，將該中心立項建設(shè)成國家級虛擬仿真實訓(xùn)中心。建設(shè)完成后，其軟件等建設(shè)資源可通過網(wǎng)絡(luò)共享，推廣到全國開設(shè)此專業(yè)的所有院校。

二、汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)虛擬仿真實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)

（一）通用功能

基于國際先進的開發(fā)平臺，界面設(shè)計符合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則，整個設(shè)計需要包含登陸界面、主界面及各個子界面，各界面風(fēng)格與學(xué)校主題風(fēng)格保持一致。界面的交互設(shè)計能夠充分體現(xiàn)易用性和合理性，易用性體現(xiàn)為界面布局和使用方式符合師生的使用習(xí)慣，合理性體現(xiàn)為軟件操作不會出現(xiàn)誤操作。

（二）教學(xué)功能

以汽車沖壓技術(shù)課程為例。在構(gòu)設(shè)的虛擬汽車沖壓車間中，教師選取典型沖壓工作任務(wù)（如發(fā)動機蓋沖壓等），從坯料剪切沖壓前處理，到?jīng)_壓加工（拉深、沖孔、彎曲、修邊、翻邊等或其一），到模具處理，再到廢料處理，整個工作流程進行教學(xué)，并進行三維演示。

（三）實訓(xùn)功能

以汽車沖壓技術(shù)課程為例?？蛇x擇不同的實訓(xùn)項目，一步步演示虛擬沖壓機的操作過程，并同步伴隨操作說明。具體過程如下。

1.壓力機選擇。通過菜單、參數(shù)、圖文等選擇方式對汽車典型覆蓋件需要使用壓力機進行匹配選擇，實現(xiàn)交互學(xué)習(xí)。

2.沖壓過程。沖壓過程的真實模擬仿真，針對典型沖壓工藝-拉延，進行工藝分析，植入沖壓仿真分析軟件，以及逼真的沖壓模型模擬真實的沖壓過程并顯示處理結(jié)果，并且添加完整的送料及取料機構(gòu)的運動，完善整個沖壓工藝。學(xué)生可以自由選擇沖壓模型的材料及各種參數(shù)等，自主操作，并可以分析出沖壓缺陷，修正再沖。

3.后處理顯示。能夠?qū)Ψ抡娣治鼋Y(jié)果進行顯示，包括缺陷顯示、應(yīng)力顯示等。

（四）評估功能

采用游戲通關(guān)的方式考核，具有智能性和防作弊功能。通過游戲闖關(guān)的模型，評估學(xué)生對不同覆蓋件類型選用壓力機是否正確、壓力機參數(shù)是否合適等。對學(xué)生的每一步操作的正確性、規(guī)范性、安全性進行自動記錄、評估、計分，并輸出和提交詳細的考核記錄單?？己诉^程中遇到難點可跳過當前步驟，但扣除相應(yīng)分數(shù)。自動輸出考核記錄表，自動加密。

（五）輔助功能

可以對軟件一些參數(shù)進行配置，例如可通過系統(tǒng)配置功能開關(guān)語音提示。軟件可在實訓(xùn)全程自動實施監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)、提醒和制止不良操作行為，培養(yǎng)良好的操作規(guī)范和安全意識，技能訓(xùn)練與養(yǎng)成教育并重，有效保障實訓(xùn)安全。

三、汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)內(nèi)容

（一）建設(shè)內(nèi)容

1.內(nèi)容要求。系統(tǒng)應(yīng)符合現(xiàn)代汽車制造模式理論，能夠表達現(xiàn)代汽車制造模式下沖壓、焊接、涂裝、一體化和設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化的總裝生產(chǎn)全過程。該系統(tǒng)應(yīng)能夠演示汽車廠區(qū)布置及內(nèi)部設(shè)施，完整地顯示典型汽車結(jié)構(gòu)及汽車內(nèi)部系統(tǒng)、設(shè)備等的布置，詳細演示汽車制造的工藝流程。并能夠進行汽車發(fā)動機零件加工與裝配、汽車沖壓、汽車焊接、汽車涂裝、汽車裝配等工藝確定。學(xué)生可以通過人機互動，模擬汽車發(fā)動機零件加工與裝配、汽車沖壓、汽車焊接、汽車涂裝、汽車裝配過程操作，并能進行仿真模擬演示。

2.具體內(nèi)容。建設(shè)內(nèi)容來自于專業(yè)課程體系。對高職生而言，在汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，汽車制造環(huán)節(jié)是其主要用武之地，汽車四大工藝是制造環(huán)節(jié)的核心。從職業(yè)情景的角度講，汽車制造以“四大工藝”為主要情景，即汽車沖壓、汽車焊接、汽車涂裝、汽車裝配。轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)情景以后，也應(yīng)以四大工藝為情景開展學(xué)習(xí)。從課程體系的角度來講，汽車沖壓技術(shù)、汽車焊接技術(shù)、汽車涂裝技術(shù)、汽車裝配技術(shù)是高職汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)的核心課程，主要培養(yǎng)學(xué)生的汽車四大工藝（沖壓、焊接、涂裝、裝配）工藝設(shè)計與實操能力。

平臺各仿真子模塊對應(yīng)于專業(yè)相應(yīng)的核心技能。因此，汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)共建設(shè)以下子模塊：汽車沖壓虛擬仿真交互子模塊、汽車焊接虛擬仿真交互子模塊、汽車涂裝虛擬仿真交互子模塊、汽車裝配虛擬仿真交互子模塊、發(fā)動機制造虛擬仿真交互子模塊、發(fā)動機裝配虛擬仿真交互子模塊。其中汽車沖壓虛擬仿真交互子模塊模擬汽車沖壓車間生產(chǎn)環(huán)境。主要包括翼子板、發(fā)動機罩、側(cè)圍、地板、門板、后備廂蓋等的沖壓工藝方案制訂、壓力機選擇、沖壓過程人機交互模擬等操作。

（二）內(nèi)容表現(xiàn)形式

在表現(xiàn)形式上，主要有以下三種。

1.三維軟件為主交互形式。以汽車沖壓虛擬仿真交互子模塊為例。在虛擬的沖壓車間中，操作者通過鼠標點擊，完成汽車車身典型覆蓋件的沖壓過程。

2.三維軟件為主沉浸式交互形式。以汽車沖壓虛擬仿真交互子模塊為例。在虛擬的沖壓車間中，操作者頭戴虛擬現(xiàn)實頭盔，進入沖壓車間，通過傳感器手柄操作各種按鍵，完成汽車車身典型覆蓋件的沖壓過程。

3.三維軟件、硬件結(jié)合沉浸式交互形式。以汽車焊接虛擬仿真交互子模塊為例。在虛擬的焊接車間中，操作者頭戴虛擬現(xiàn)實頭盔，進入沖壓車間，手握虛擬焊槍，進行各種焊接，完成汽車車身各板件的焊接過程。

其中第一種形式，開發(fā)費用較低，逼真效果不如后兩種，但可以實現(xiàn)“云課堂”，便于和全國兄弟院校共享。其余兩種費用較高，目前技術(shù)還不十分成熟。

四、結(jié)論

第一，全國182所高職院校開設(shè)汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)，但大都實踐條件缺乏，實訓(xùn)條件建設(shè)是擺在這些學(xué)校面前的最大的專業(yè)建設(shè)難題，建設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)平臺是解決這一難題的最佳選擇。

第二，汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)虛擬仿真實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有以下五項功能，分別是通用功能、教學(xué)功能、實訓(xùn)功能、評估功能、輔助功能。

第三，汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)內(nèi)容來自于專業(yè)課程體系。共包含以下子模塊：汽車沖壓虛擬仿真交互子模塊、汽車焊接虛擬仿真交互子模塊、汽車涂裝虛擬仿真交互子模塊、汽車裝配虛擬仿真交互子模塊、發(fā)動機制造虛擬仿真交互子模塊、發(fā)動機裝配虛擬仿真交互子模塊。

第四，汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)虛擬仿真實訓(xùn)平臺內(nèi)容表現(xiàn)形式為三維軟件為主交互形式。

第五，汽車制造與裝配虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)資源尤其是軟件部分可實現(xiàn)共享，可向兄弟院校推廣。

[1]中國職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會.全國職業(yè)院校專業(yè)設(shè)置管理與公共信息服務(wù)平臺[EB/OL].(2017-05-11）[2017-06-02].https://www.zyyxzy.cn/index.shtml.

[2]鄭仕華.關(guān)于高職院校利用虛擬實訓(xùn)室的思考[J].經(jīng)濟研究導(dǎo)刊,2010(31):297－298.