虛擬焊接技術(shù)在汽車(chē)焊接實(shí)訓(xùn)中的運(yùn)用

王治校

摘要：本文總結(jié)汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)《焊接實(shí)訓(xùn)》教學(xué)過(guò)程中存在的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有限、實(shí)訓(xùn)成本高、實(shí)訓(xùn)效率低等問(wèn)題，充分利用現(xiàn)有的教學(xué)資源與實(shí)訓(xùn)基地資源，引進(jìn)虛擬焊接技術(shù)，形成了“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”的教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)效果，為汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的焊接理論基礎(chǔ)，提升焊接實(shí)踐能力，為面向汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的《焊接實(shí)訓(xùn)》教學(xué)改革做出積極探索。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)焊接實(shí)訓(xùn);虛擬焊接;教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0229-02

0? 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)成為真正意義上的世界焊接大國(guó)，對(duì)焊接技術(shù)人員的需求與日俱增，據(jù)國(guó)家技術(shù)發(fā)展委員會(huì)提供的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)焊接市場(chǎng)人才缺口高達(dá)60萬(wàn)。因此，培養(yǎng)出一大批適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求的焊接專(zhuān)業(yè)人才是當(dāng)前高職焊接專(zhuān)業(yè)教育的重中之重。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2015-2020年中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量均在2370萬(wàn)輛以上。眾所周知，在汽車(chē)工業(yè)中，從白車(chē)身到零部件，焊接是必不可少的重要環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量直接影響汽車(chē)的安全性與舒適性。焊接為培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代的技術(shù)技能型汽車(chē)制造與裝配人才，汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)《焊接實(shí)訓(xùn)》教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1? 《焊接實(shí)訓(xùn)》課程教學(xué)存在問(wèn)題

《焊接實(shí)訓(xùn)》作為汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)一門(mén)專(zhuān)業(yè)技能基礎(chǔ)課程。要求學(xué)生在了解焊接操作及設(shè)備的基本功能的基礎(chǔ)上，要做到結(jié)合本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，學(xué)會(huì)利用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決焊接過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題。為后續(xù)專(zhuān)業(yè)繼續(xù)深造和將來(lái)從事與汽車(chē)相關(guān)的工作打下必要的專(zhuān)業(yè)技能基礎(chǔ)。然而，汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)《焊接實(shí)訓(xùn)》的教學(xué)仍存在許多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

1.1 場(chǎng)地問(wèn)題

受限于場(chǎng)地、設(shè)備、教學(xué)人員等配套，焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)一般采用分組教學(xué)法，一個(gè)工位要有5-6名同學(xué)，分組教學(xué)中存在大部分學(xué)生“看別人操作”而不是“自己操作”的現(xiàn)象，達(dá)不到提高學(xué)生動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)分析解決問(wèn)題能力的目的。另外，焊接技能水平的提高主要依靠學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間自主訓(xùn)練，因設(shè)備較少，不能完全滿(mǎn)足焊接技能實(shí)訓(xùn)的要求。

1.2 成本問(wèn)題

焊接實(shí)訓(xùn)需要大量的耗材，包括鋼板、鋼管、焊條、焊絲、氣體、輔助工具以及用量較大的安全、勞保用品、各類(lèi)焊接方法所使用的焊機(jī)、切割打磨設(shè)備、夾具、通風(fēng)除塵設(shè)備。更不用說(shuō)引進(jìn)價(jià)格昂貴的焊接自動(dòng)化設(shè)備和汽車(chē)焊接實(shí)訓(xùn)設(shè)備了。出于成本考慮，大部分焊接實(shí)訓(xùn)基地只開(kāi)展有限的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。因此，實(shí)訓(xùn)基地很難模擬真實(shí)的汽車(chē)白車(chē)身或者典型零部件焊接的工作環(huán)境。導(dǎo)致學(xué)生對(duì)汽車(chē)車(chē)身、典型零部件焊接的規(guī)范技術(shù)技能操作基本為零。

1.3 教學(xué)模式問(wèn)題

焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法仍然是傳統(tǒng)的教學(xué)模式，先是理論教學(xué)，然后視頻演示，再是實(shí)踐操作。這樣的教學(xué)模式學(xué)生的學(xué)習(xí)、實(shí)踐只能在焊接實(shí)訓(xùn)課堂上，高度依賴(lài)教師的講解和示范。學(xué)生課后缺乏復(fù)習(xí)、鞏固、實(shí)操的機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致學(xué)生焊接技能水平提升緩慢。另外，缺乏有效的考核評(píng)定機(jī)制，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。焊接實(shí)訓(xùn)以基本的焊條電弧焊練習(xí)為主，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容單調(diào)，學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械式的重復(fù)練習(xí)，實(shí)訓(xùn)周期長(zhǎng)，這樣很容易產(chǎn)生倦怠情緒。而其他焊接方法如二保焊、埋弧焊、等離子焊接、焊接機(jī)器人操作等就只進(jìn)行演示、觀摩進(jìn)行教學(xué)，極大地降低了實(shí)訓(xùn)效果。不能全面培養(yǎng)學(xué)生的崗位職業(yè)能力，學(xué)生的獨(dú)立分析、解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力較弱。

根據(jù)《焊接實(shí)訓(xùn)》教學(xué)中存在的弊端和不足，在汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)《焊接實(shí)訓(xùn)》課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中考慮將虛擬焊接這種新的技術(shù)方法引入，來(lái)改善實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀以適應(yīng)新時(shí)代焊接人才目標(biāo)定位。

2? 虛擬焊接在《焊接實(shí)訓(xùn)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 虛擬焊接特點(diǎn)

虛擬焊接技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）上發(fā)展的一種新技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，使用戶(hù)沉浸到該環(huán)境中。該技術(shù)集計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)于一體，虛擬焊接技術(shù)是在虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入VR頭盔、定位器、追蹤器、焊件、真實(shí)焊槍等設(shè)備，通過(guò)仿真主控系統(tǒng)和位置追蹤系統(tǒng)，戴上VR頭盔即可在操作臺(tái)對(duì)焊件進(jìn)行焊接操作，同時(shí)可以看到逼真的液態(tài)熔池成型、焊縫成型以及弧光飛濺等其他焊接物理虛擬場(chǎng)景。虛擬焊接系統(tǒng)將焊接演練過(guò)程中焊槍的位置、移動(dòng)速度、角度、焊接手法等信號(hào)進(jìn)行采集處理，在虛擬計(jì)算機(jī)上設(shè)置相應(yīng)工藝參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬生成虛擬焊縫，分析焊機(jī)設(shè)置的參數(shù)和焊鉗輸入?yún)?shù)而造成的質(zhì)量缺陷。針對(duì)焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)，虛擬焊接具有以下特點(diǎn)：

2.1.1 成本低，不受場(chǎng)地限制

虛擬焊接系統(tǒng)主要由設(shè)備柜、計(jì)算機(jī)、VR頭盔、定位器、追蹤器組成，占地面積小，相對(duì)傳統(tǒng)的焊接實(shí)訓(xùn)室，尤其是汽車(chē)車(chē)身焊接實(shí)訓(xùn)基地，虛擬焊接的實(shí)訓(xùn)基地成本低。焊材方面，虛擬焊接系統(tǒng)只消耗電能，不需要鋼板、鋼管、焊條、焊絲，氣體、輔助工具以及安全、勞保用品、切割打磨設(shè)備、夾具、通風(fēng)除塵設(shè)備、焊接自動(dòng)化設(shè)備等。因此，虛擬焊接技術(shù)對(duì)于汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)焊接實(shí)訓(xùn)來(lái)說(shuō)是最經(jīng)濟(jì)、最綠色的選擇。

2.1.2 安全性好，拓展性強(qiáng)，功能全面

學(xué)生只需要通過(guò)計(jì)算機(jī)、VR頭盔、焊槍來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接操作，不直接接觸焊材、焊機(jī)、切割設(shè)備等，安全性大大提高。因?yàn)楹附訉?shí)訓(xùn)面向的學(xué)生都是零基礎(chǔ)、零經(jīng)驗(yàn)的，實(shí)訓(xùn)安全性的保障是十分重要的。另外，虛擬焊接技術(shù)，模擬了多種焊接方法在不同焊接參數(shù)影響下焊縫的形成過(guò)程，形成了十幾種不同的應(yīng)用場(chǎng)景學(xué)生在虛擬焊接過(guò)程中的行進(jìn)角度、工作角度、電弧長(zhǎng)度、焊接速度可以進(jìn)行可視量化，焊后還可以透過(guò)X射線仿真系統(tǒng)查看自己焊接情況，了解自己的焊接水平，課后仍可以利用虛擬焊接系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。虛擬焊接給人以環(huán)境沉浸感，激發(fā)學(xué)生的焊接興趣，矯正焊接姿勢(shì)，從而提高焊接水平。傳統(tǒng)的焊接教學(xué)，焊接實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目極其有限，一般以基本的焊條電弧焊練習(xí)為主，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容單調(diào)。二保焊、埋弧焊、等離子焊接、焊接機(jī)器人操作基本停留在教師的講解中。但虛擬焊接可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)虛擬系統(tǒng)，學(xué)生可以進(jìn)行各種場(chǎng)景的焊接操作，汽車(chē)白車(chē)身到典型零部件的焊接操作都可以二次拓展。

2.2 虛擬焊接教學(xué)應(yīng)用

傳統(tǒng)的《焊接實(shí)訓(xùn)》教學(xué)首先由教師進(jìn)行理論講解，然后通過(guò)視頻或微課演示焊接操作，再由實(shí)訓(xùn)老師示范焊接操作，最后學(xué)生分組進(jìn)行焊接訓(xùn)練，實(shí)訓(xùn)教師進(jìn)行巡查點(diǎn)評(píng)。整個(gè)教學(xué)過(guò)程理論與實(shí)際脫離，且實(shí)訓(xùn)課對(duì)于理論學(xué)習(xí)缺乏考核評(píng)價(jià)，學(xué)生無(wú)形之中認(rèn)為理論學(xué)習(xí)不重要;受到場(chǎng)地、設(shè)備、師資的限制，學(xué)生實(shí)操的機(jī)會(huì)不多，很多時(shí)候?qū)嵅倬妥咦哌^(guò)場(chǎng)，且課后缺少訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，因此，焊接技能水平的提升極其有限?；谔摂M焊接的“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”教學(xué)模式可以有效地解決以上問(wèn)題，首先仍然是實(shí)訓(xùn)教師進(jìn)行焊接相關(guān)理論知識(shí)的講解，然后學(xué)生分組進(jìn)行虛擬焊接操作，學(xué)生在模擬的焊接環(huán)境中進(jìn)行焊接操作，焊接過(guò)程中的行進(jìn)角度、工作角度、電弧長(zhǎng)度、焊接速度可以進(jìn)行可視量化，操作過(guò)程中學(xué)生自然而然地掌握焊接操作的規(guī)范動(dòng)作、基本流程、注意事項(xiàng)等，為后續(xù)實(shí)踐操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。完成虛擬焊接相關(guān)任務(wù)后，學(xué)生可以按照虛擬焊接平臺(tái)中的流程進(jìn)行焊接實(shí)踐操作。學(xué)生在完成實(shí)踐任務(wù)后可以利用自己的空余時(shí)間進(jìn)行虛擬焊接操作，系統(tǒng)自動(dòng)記錄學(xué)生操作規(guī)范性、正確性和安全性，對(duì)學(xué)生焊縫質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生可以利用虛擬焊接平臺(tái)驗(yàn)證自己的焊接水平。同時(shí)，虛擬焊接平臺(tái)中的初級(jí)焊工模擬認(rèn)證、中級(jí)焊工模擬認(rèn)證、高級(jí)焊工模擬認(rèn)證、焊接答題游戲可以極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，焊接相關(guān)理論知識(shí)不再抽象，各種模擬的汽車(chē)焊接應(yīng)用場(chǎng)景通過(guò)VR技術(shù)復(fù)現(xiàn)，讓學(xué)生身臨其境。學(xué)有余力的學(xué)生可以通過(guò)虛擬焊接平臺(tái)的拓展模塊進(jìn)行二保焊、埋弧焊、等離子焊接、焊接機(jī)器人操作，提升自己的綜合素質(zhì)?！袄碚?虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”教學(xué)模式讓學(xué)生在課前、課中、課后都有任務(wù)可做，理論水平和實(shí)踐水平都得到了提高。

3? 教學(xué)效果分析

本研究通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查+訪談法獲取汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)2018級(jí)40位同學(xué)、2019級(jí)40位同學(xué)（2018級(jí)學(xué)生采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，2019級(jí)學(xué)生采用基于虛擬焊接教學(xué)模式）和6位專(zhuān)業(yè)教師對(duì)于《焊接實(shí)訓(xùn)》傳統(tǒng)教學(xué)模式和基于虛擬焊接的“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”教學(xué)模式的滿(mǎn)意程度與教學(xué)效果評(píng)價(jià)。如表1所示，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式（理論+視頻演示+實(shí)踐）非常滿(mǎn)意占25%，滿(mǎn)意占20%，一般占35%，不滿(mǎn)意占20%;基于虛擬焊接的教學(xué)模式非常滿(mǎn)意度達(dá)40%，滿(mǎn)意達(dá)28%，一般占37.5%，不滿(mǎn)意占5%。充分表明基于虛擬焊接的“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”教學(xué)模式極大提高學(xué)生對(duì)《焊接實(shí)訓(xùn)》學(xué)習(xí)興趣與積極性。同時(shí)，同專(zhuān)業(yè)教師訪談發(fā)現(xiàn)，“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”教學(xué)模式下的學(xué)生理論水平和焊接實(shí)操能力相較往屆有明顯提高，而且焊接操作的訓(xùn)練積極性高且更加規(guī)范?？傊噍^于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”的閉環(huán)教學(xué)模式在汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)《焊接實(shí)訓(xùn)》教學(xué)效果上有顯著提升。

4? 結(jié)語(yǔ)

“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”的閉環(huán)教學(xué)模式將焊接理論教學(xué)與焊接實(shí)訓(xùn)通過(guò)虛擬焊接技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，有效解決了傳統(tǒng)焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)中實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有限、實(shí)訓(xùn)成本高、實(shí)訓(xùn)效率低等問(wèn)題。實(shí)踐證明，“理論+虛擬焊接+實(shí)踐+虛擬焊接”的閉環(huán)教學(xué)模式在汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)《焊接實(shí)訓(xùn)》教學(xué)中的探索嘗試豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教師教學(xué)質(zhì)量。讓學(xué)生更好地掌握了汽車(chē)焊接理論知識(shí)、操作規(guī)范，有效促進(jìn)了學(xué)生焊接水平的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)豪.高職虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)研究——以汽車(chē)制造與裝配技術(shù)專(zhuān)業(yè)為例[J].襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（1）：53-56.

[2]呂林，楊吟野，梁毅，田雙，姚冰，蔡亞慶.虛擬焊接技術(shù)在高校焊接實(shí)訓(xùn)中的運(yùn)用[J].科技風(fēng)，2018（5）：38，48.

[3]吳小俊，袁苗達(dá)，劉蒙恩.高職焊接專(zhuān)業(yè)技能實(shí)訓(xùn)模式探索與實(shí)踐[J].電焊機(jī)，2014（8）：14-17.

[4]馮振，吳金杰，馬天鳳.焊接技術(shù)及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程體系教學(xué)改革[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2017（3）：146-147.

[5]梁利東，江本赤，賈文友.VR技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（4）：50-52.