虛擬拆裝在CAI創(chuàng)新實(shí)踐中的教學(xué)應(yīng)用研究

王迪 高翔 朱紅波 李凡 徐春霞

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以SolidWorks Composer為虛擬仿真平臺(tái)開發(fā)一套多級(jí)離心泵的虛擬拆裝系統(tǒng)。利用三維實(shí)體軟件創(chuàng)建多級(jí)離心泵零部件模型并利用約束關(guān)系配合成裝配體，將模型導(dǎo)入到虛擬仿真平臺(tái)上，借助工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的作業(yè)指導(dǎo)書，將正確拆裝流程圖開發(fā)成人機(jī)交互功能。學(xué)生通過操作可對(duì)多級(jí)泵進(jìn)行虛擬拆裝，進(jìn)一步加深設(shè)備內(nèi)部裝配關(guān)系和結(jié)構(gòu)原理，同時(shí)教師對(duì)多級(jí)離心泵的拆裝流程作出正確評(píng)價(jià)，且保證拆裝人員安全和減少設(shè)備損耗等問題。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? SolidWorks Composer;多級(jí)離心泵;實(shí)踐教學(xué);虛擬拆裝;創(chuàng)新

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）09-0122-02

離心泵的拆裝是高職教育“化工設(shè)備維修技術(shù)專業(yè)”的核心課程——“化工泵的運(yùn)行維護(hù)與檢修”實(shí)踐教學(xué)中的重要組成部分。在課程實(shí)踐教學(xué)中，通過拆裝離心泵實(shí)體，熟悉了解泵體的正確拆裝流程以提高維修操作技能，但在后續(xù)的實(shí)踐教學(xué)中往往遇到一系列問題，諸如：由于課堂教學(xué)人數(shù)較多，工位數(shù)量有限的問題;由于設(shè)備反復(fù)拆裝造成零部件不可逆修復(fù)問題;學(xué)生操作規(guī)程錯(cuò)誤，造成人身安全問題;對(duì)于常規(guī)實(shí)踐課程消極怠慢，不主動(dòng)不積極等，此時(shí)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)急需改進(jìn)。而隨著國家鼓勵(lì)大眾創(chuàng)新，提倡高校創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，利用CAI（Computer Aided Instruction）——計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方法進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式改革已迫在眉睫。2010年高職國家級(jí)精品課也明確評(píng)審指標(biāo)：應(yīng)建立虛擬仿真教學(xué)環(huán)境如虛擬工廠、虛擬工位、虛擬項(xiàng)目等，通過優(yōu)化教學(xué)過程，提升教學(xué)效果[1]。本文作者將基于Solidworks Composer的虛擬仿真平臺(tái)用于多級(jí)離心泵的實(shí)踐教學(xué)中，形成一種新型的計(jì)算機(jī)輔助授課模式，即“CAI系統(tǒng)+實(shí)踐教學(xué)”。

一、CAI教學(xué)特點(diǎn)

姜大源[2-3]認(rèn)為職業(yè)教育不僅要為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才，也要承載學(xué)生滿足自我個(gè)性和形象思維的需求。我國領(lǐng)導(dǎo)人也多次提到，“大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)”要堅(jiān)持改革創(chuàng)新，通過創(chuàng)新引領(lǐng)就業(yè)、創(chuàng)業(yè)，作為教學(xué)引領(lǐng)者，教師更亦如此。當(dāng)代職業(yè)教育的教學(xué)模式不斷創(chuàng)新，充分借助全新的信息技術(shù)作為媒介進(jìn)行交流互動(dòng)，利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)豐富教學(xué)模式是當(dāng)前教學(xué)改革趨勢(shì)。CAI（Computer Aided Instruction）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)模式是利用計(jì)算機(jī)的人機(jī)互動(dòng)對(duì)話，通過對(duì)圖像、文字、動(dòng)畫等多種媒體技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的呈現(xiàn)和傳遞，并將其整合成交互性強(qiáng)的多媒體課件，以完成現(xiàn)代化教學(xué)的一種方式[4]。在CAI情境模式下，每一位學(xué)生都可以在模擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬學(xué)習(xí)，提高實(shí)踐教學(xué)效果。由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新的教學(xué)形式，如網(wǎng)絡(luò)精品課程、微課、慕課、智慧職教云課堂等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，而通過設(shè)計(jì)軟件和信息平臺(tái)開發(fā)交互式課件是當(dāng)前迫切的任務(wù)。

二、以多級(jí)離心泵虛擬拆裝為例

泵是用來輸送流體并給其增加能量的機(jī)械。泵的應(yīng)用特別廣泛，種類繁多，在石油、化工、鋼鐵、船舶、農(nóng)業(yè)、城市給排水等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。多級(jí)離心泵是由兩個(gè)或兩個(gè)以上葉輪串聯(lián)工作而成，具有揚(yáng)程高、流量均勻等特點(diǎn)，有文獻(xiàn)指出[5]多級(jí)離心泵的使用率約占泵使用總數(shù)的一半。在CAI教學(xué)中，通過展示多級(jí)離心泵的3D模型，設(shè)置截面剖視圖、局部透明度讓學(xué)生更清晰設(shè)備的裝配關(guān)系及結(jié)構(gòu)原理。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作業(yè)指導(dǎo)書，讓每一位學(xué)生對(duì)其3D模型在虛擬環(huán)境中進(jìn)行拆裝，使其對(duì)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及拆裝流程有更深刻的認(rèn)識(shí)，最終達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

（一）虛擬展示設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，三維虛擬展示將以其獨(dú)有的魅力取代傳統(tǒng)二維展示。三維虛擬展示以計(jì)算機(jī)媒體為依托，對(duì)產(chǎn)品展示具有全面性和體驗(yàn)性等特征[6]。虛擬展示也將成為實(shí)踐性教學(xué)的重要組成部分，利用虛擬展示，它充分調(diào)動(dòng)了人的視覺，讓學(xué)生一目了然。如多級(jí)離心泵簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由吸入段、吐出段、泵體、儀表、閥門、電機(jī)、開關(guān)等幾部分組成。在進(jìn)行虛擬展示時(shí)，其內(nèi)部構(gòu)件可進(jìn)行階梯剖、可視化等設(shè)置如圖2所示，可以清晰中段、導(dǎo)輪、葉輪、密封環(huán)、密封墊片的內(nèi)部裝配關(guān)系，最終生成的不僅僅是一個(gè)正確拆裝流程的視頻文件，還可以生成互聯(lián)網(wǎng)格式文件，將虛擬展示動(dòng)畫發(fā)布于網(wǎng)上，學(xué)生課后也可以通過網(wǎng)站訪問，借助虛擬展示從視覺上獲取所需要的各種信息。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過信息化手段模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，將多源信息、三維視景、個(gè)人行為高度融合的系統(tǒng)仿真，具有極強(qiáng)的真實(shí)性和交互性。虛擬拆裝系統(tǒng)允許每一位學(xué)生根據(jù)自己不同的視角設(shè)計(jì)出拆裝方案，對(duì)比作業(yè)指導(dǎo)書，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并糾正。例如圖3、圖4分別是學(xué)生虛擬拆卸多級(jí)泵的軸承組件、平衡盤裝置，拆卸步驟一目了然，最終生成exe文件上交。通過虛擬操作過程提高了計(jì)算機(jī)操作水平和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的求知欲和參與實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的熱情，當(dāng)前克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系也成立了3D創(chuàng)新興趣小組[7]，借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，師生共建開發(fā)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，協(xié)助企業(yè)完成設(shè)備DQ改造展示。

三、結(jié)論

加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)，培養(yǎng)技能型人才更有助于高職學(xué)生就業(yè)、創(chuàng)業(yè)，結(jié)合CAI虛擬仿真教學(xué)是當(dāng)今職業(yè)教育探索發(fā)展的必然趨勢(shì)。較傳統(tǒng)機(jī)泵拆裝實(shí)踐課程教學(xué)模式，虛擬拆裝有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn);

1.虛擬展示，提高教學(xué)效果。通過典型設(shè)備的3D模型剖視圖、局部放大圖、透明度顯示、動(dòng)畫流程設(shè)置，使實(shí)踐性教學(xué)呈現(xiàn)和傳遞的知識(shí)更加豐富，讓學(xué)生更清晰設(shè)備內(nèi)部的裝配關(guān)系和結(jié)構(gòu)原理，加深了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。

2.虛擬拆裝，提高操作水平。通過對(duì)計(jì)算機(jī)操作可實(shí)現(xiàn)3D模型的渲染、標(biāo)識(shí)、縮放、旋轉(zhuǎn)、拆解、組裝等工作，完成個(gè)性化拆裝任務(wù)，提高學(xué)生對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的認(rèn)知效果，培養(yǎng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性和空間想象力，有效提升了整個(gè)課堂的教學(xué)效果。

3.節(jié)約成本，安全有保障。虛擬拆裝模型不存在設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)及損耗等問題。虛擬拆裝，不受時(shí)間、地點(diǎn)等物理因素的限制，更重要的是用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行操作。

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◎編輯 曾彥慧