基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的企業(yè)認知實踐教學(xué)設(shè)計與仿真實驗開發(fā)

成泰洪 姜銳 周晨 林禮區(qū)

摘要：機械類專業(yè)學(xué)生企業(yè)認知學(xué)習的目標和任務(wù)是使學(xué)生了解企業(yè)生產(chǎn)和工作環(huán)境，增加學(xué)生對機械專業(yè)工作崗位群的感性認識，并通過理論聯(lián)系實際初步培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力，為今后進一步學(xué)好各門專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。而由于實習學(xué)生人數(shù)多、學(xué)生實習既耽誤工作又妨礙生產(chǎn)，因此很多企業(yè)都不太愿意接收學(xué)生在企業(yè)實習，實習企業(yè)難找是目前大部分機械類專業(yè)面臨的共性問題。本論文針對實習企業(yè)難找的問題，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計了以真實存在企業(yè)環(huán)境為基礎(chǔ)的虛擬認知實踐教學(xué)環(huán)境，并開發(fā)了可完成仿真實驗的數(shù)字化虛擬工廠。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字化工廠有效解決了學(xué)生實習企業(yè)難找的問題，為實習學(xué)生提供了不到工廠也能參觀企業(yè)的各個部門及生產(chǎn)車間、了解生產(chǎn)流程、熟悉各類生產(chǎn)設(shè)備和工藝的平臺。

關(guān)鍵詞：企業(yè)實習;虛擬現(xiàn)實;企業(yè)認知實踐;虛擬工廠

中圖分類號：G646 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0023-02

一、緒論

企業(yè)生產(chǎn)實習是機械類專業(yè)在走向社會之前必須要完成的一項課程任務(wù)。作為企業(yè)實習的一部分，企業(yè)認知實習一般安排在大學(xué)一年級階段，它讓學(xué)生通過對企業(yè)的感性認識提高學(xué)生的工程素養(yǎng)，為今后的各門專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。同時，企業(yè)認知實習可以讓機械類專業(yè)的學(xué)生通過項目和工作來面對真實的產(chǎn)品加工和生產(chǎn)過程，并在這個過程中通過應(yīng)用和創(chuàng)新知識，從而獲得專業(yè)技術(shù)、綜合能力、職業(yè)意識的全面提高，是完成知識和能力學(xué)習的必要方法。然而，“實習時間難保、實習單位難找、實習效果難體現(xiàn)”是目前學(xué)生實習的三大“攔路虎”[1]。尤其近幾年企業(yè)生產(chǎn)自動化程度逐年提高，企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于完善和制度化，接收實習生企業(yè)生怕會耽誤企業(yè)的正常生產(chǎn)和效益。據(jù)某調(diào)查表明已經(jīng)有近70%以上的企業(yè)已經(jīng)表明不愿意接收短期實習生[2]。因此，大學(xué)生企業(yè)生產(chǎn)實習過程中存在著諸多問題需要解決。近幾年虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種可以呈現(xiàn)逼真的人工模擬環(huán)境的高科技手段廣泛應(yīng)用于包括教育行業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)。華南理工大學(xué)的胡杜澤在其碩士畢業(yè)論文中基于Flex將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到了虛擬教學(xué)系統(tǒng)中[3]。劉裕和張偉凱基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)及真實的教學(xué)實驗平臺研究和開發(fā)了可用于投入教學(xué)環(huán)節(jié)的虛擬實驗平臺[4，5]。基于大學(xué)生實習難的問題，本研究通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了可以進行認知實習的虛擬企業(yè)環(huán)境以及虛擬數(shù)字化實習工廠。

二、虛擬實踐環(huán)境建模

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用過程中很重要的一點就是必須有現(xiàn)實的環(huán)境作為虛擬環(huán)境的復(fù)制對象，而在本論文當中將溫州大學(xué)國家級校外實踐基地HX集團作為了真實實習環(huán)境的復(fù)制對象。為了更加真實地反應(yīng)企業(yè)的環(huán)境和生產(chǎn)流程，到企業(yè)實地測量、照片拍攝等大量的取材工作。圖1表示真實企業(yè)大樓外觀和以完成的虛擬環(huán)境下企業(yè)大樓的外觀對比。圖中可以看出，在虛擬環(huán)境下的企業(yè)生產(chǎn)大樓和實際企業(yè)的大樓外觀相似度極高，并且充分真實地體現(xiàn)了實際的企業(yè)外觀環(huán)境。這些為在虛擬環(huán)境下實習的學(xué)生增強了實習的真實感，為今后的實際企業(yè)生活提供了實踐基礎(chǔ)。不僅如此，在具體的生產(chǎn)流程以及生產(chǎn)設(shè)備的模型建立上都做到了基本和實際模型結(jié)構(gòu)一致、操作流程跟實際設(shè)備的流程一致。同時在虛擬環(huán)境下可以做到全方位觀察到具體的設(shè)備運行，猶如身臨其境。

三、虛擬實習過程分析

實習流程和內(nèi)容方面也根據(jù)企業(yè)實際實習流程和實習項目進行了針對性的詳細設(shè)計，主要包括企業(yè)內(nèi)部環(huán)境構(gòu)造和布局的參觀、熟知員工培訓(xùn)手冊、設(shè)備操作和工藝流程學(xué)習等方面。虛擬環(huán)境下對HX集團認識實踐教學(xué)內(nèi)容主要有：（1）大屏幕實踐教學(xué)展示;（2）企業(yè)環(huán)境以及布局認識;（3）數(shù)字工廠下企業(yè)各項業(yè)務(wù)學(xué)習;（4）學(xué)習內(nèi)容考核。在大屏幕實踐教學(xué)展示環(huán)節(jié)，授課教師首先會對硬件系統(tǒng)的使用方法進行講解，然后，在虛擬環(huán)境下對整個企業(yè)的布局和環(huán)境進行介紹;其次，會選擇一個比較代表性的生產(chǎn)流程進行介紹;最后對數(shù)字化工廠模塊的使用方法和考核方法進行講解。教學(xué)展示結(jié)束后將進入學(xué)生實際操作階段。該階段學(xué)生首先通過各自的頭盔和手柄進入虛擬場景反復(fù)地了解和熟悉工廠的結(jié)構(gòu)以及布局，為今后的實際實習生活打下基礎(chǔ)。在數(shù)字化工廠環(huán)境中，學(xué)生必須通過學(xué)號和密碼登入系統(tǒng)進行從員工培訓(xùn)、維護維修、設(shè)備操作、注塑工藝等一系列流程。重要流程的末尾都設(shè)置了考核環(huán)節(jié)，學(xué)生必須認真詳細地走完所有的過程才能通過考核。比如在注塑工藝過程學(xué)習中，必須要熟知缺陷問題、熔體溫度、注射壓力、注射速度、保壓壓力、磨具溫度的具體數(shù)值和范圍。在這基礎(chǔ)上進行考核并找出故障原因，選擇正確的方案。

四、虛擬現(xiàn)實環(huán)境下實習效果分析

通過虛擬實習工廠的建立，可以有效地改善學(xué)生的實習環(huán)境，避免了傳統(tǒng)實習過程中可能發(fā)生的危險。從效益方面考慮，雖然在短期內(nèi)對設(shè)備的投資較大，但是從長遠考慮，學(xué)校不需要為了場地費、交通費以及節(jié)約教學(xué)經(jīng)費而煩惱。教學(xué)效率方面，學(xué)生可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行反復(fù)操作和模擬訓(xùn)練，大大提高了教學(xué)效率。而且，虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的教學(xué)不同于傳統(tǒng)的書本教學(xué)，學(xué)生完完全全是在一個真實生產(chǎn)線的模擬環(huán)境下學(xué)習，大大提高了學(xué)生的學(xué)習熱情和興趣。

五、結(jié)論

綜上所訴，企業(yè)認知實習是機械類專業(yè)教學(xué)計劃中必不可少的一部分。本文通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來推動機械類專業(yè)學(xué)生企業(yè)生產(chǎn)實習活動的進行，并獲得了較好的實習效果。尤其在實習環(huán)境和實習內(nèi)容上采集了真實企業(yè)的數(shù)據(jù)信息，呈現(xiàn)了企業(yè)真實的面貌，真正地體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實環(huán)境。

參考文獻：

[1]周萍.工科本科生企業(yè)實習問題研究——以H大學(xué)光電信息工程專業(yè)為例[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[2]許立.政府應(yīng)為大學(xué)生實習護航[J].東北之窗，2009，（4）.

[3]胡杜澤.基于Flex的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的研究與實現(xiàn)[D].華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[4]劉裕.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗課程設(shè)計與仿真實驗開發(fā)[D].寧波大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[5]張偉凱.基于實時數(shù)字仿真及三維虛擬現(xiàn)實的教學(xué)實驗平臺的開發(fā)與應(yīng)用[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.