虛擬仿真在《零件的精度檢測》實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

張 芹

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽蕪湖 241000）

引言

在工業(yè)自動化、智能化需求發(fā)展趨勢下，培養(yǎng)技能型專業(yè)技術(shù)人才已是趨勢，如何培養(yǎng)好滿足工業(yè)新時代的技能型人才是高職院校教師需要思考的問題。從零件的精度檢測實訓(xùn)課程教學(xué)質(zhì)量來看，需要更改實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實訓(xùn)課教學(xué)手段，強化實踐操作。為提升課程教學(xué)質(zhì)量要加快推進(jìn)信息技術(shù)與高職教育的深入融合，將云計算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)應(yīng)用到高職教學(xué)中，以此培養(yǎng)出滿足新工科時代的技能型專業(yè)技術(shù)人才。因此，本文提出以高職《零件的精度檢測》為例，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到實訓(xùn)教學(xué)中[1]。

一、零件的精度檢測實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

零件的精度檢測是高職機械設(shè)計與制造專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是機械制圖課程和機械設(shè)計課程的紐帶，是機械設(shè)計課程設(shè)計中在零件的精度設(shè)計的核心。其實質(zhì)內(nèi)容是包含兩個方面：一方面是幾何量的精度設(shè)計，另一方面是檢測。因此，檢測是該課程的一項重要內(nèi)容，也是學(xué)生將來走向工作崗位的技能基礎(chǔ)。在目前已有的實訓(xùn)教學(xué)中，實訓(xùn)設(shè)備項目缺少，并且同一個項目檢測的設(shè)備數(shù)過少，無法滿足教學(xué)需求。如果還是按照傳統(tǒng)的授課手段，老師僅僅是現(xiàn)場演示教學(xué)，在教師演示操作過程時部分學(xué)生往往會因為看不清操作細(xì)節(jié)，以至于在老師講完實訓(xùn)過程之后，學(xué)生卻不知“從何下手”進(jìn)行實訓(xùn)操作，并且對于一些學(xué)生新手，對設(shè)備的復(fù)雜操作過程不熟悉，容易誤操作，導(dǎo)致沒有達(dá)到預(yù)期的實踐效果，教學(xué)效果不好[2]。

二、虛擬仿真與在線課堂的結(jié)合創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)

1.虛擬仿真原理

虛擬仿真（Virtual Reality）又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬仿真實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統(tǒng)。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。

2.虛擬仿真應(yīng)用平臺介紹

Basic VeryEngine是一款不用編程就能開發(fā)虛擬仿真軟件的低門檻引擎工具，它顛覆了傳統(tǒng)的虛擬仿真開發(fā)模式，用一種可視化界面，并采用可編輯文本的編譯技術(shù)實現(xiàn)虛擬仿真軟件的開發(fā)與運行，在2017年1月，Basic VeryEngine正式面向大眾，開放給大家進(jìn)行使用[3]。

Basic VeryEngine區(qū)別于傳統(tǒng)的虛擬仿真軟件開發(fā)使用編程語言的方式，它以一種可編輯文本的技術(shù)來實現(xiàn)軟件的開發(fā)。傳統(tǒng)的虛擬仿真軟件開發(fā)界面，以UNITY界面為載體，通過編程語言（C、Java、C++等）的形式，實現(xiàn)軟件的開發(fā)?！度f維引擎》的開發(fā)技術(shù)，同樣以UNITY界面為載體，而采用EXCEL表格編輯技術(shù)，實現(xiàn)軟件的開發(fā)。

Basic VeryEngine開發(fā)引擎工具共有“教”“練”“考”三種模式的開發(fā)，這三種模式是在教學(xué)過程中按照進(jìn)階程度進(jìn)行遞增。這三個功能模塊的開發(fā)過程：先對“教”進(jìn)行開發(fā)；完成“教”之后，再對“練”進(jìn)行開發(fā)；完成“練”之后，再對“考”進(jìn)行開發(fā)。

（1）教學(xué)模式?！敖獭奔窜浖慕虒W(xué)功能，學(xué)生可通過開發(fā)好的虛擬仿真軟件進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；

（2）練習(xí)模式?！熬殹奔窜浖木毩?xí)功能，學(xué)生經(jīng)過第一階段的“教”掌握了一定的教學(xué)知識點后可以進(jìn)行軟件的交互操作，這個過程不會留下操作痕跡；

（3）考試模式?！翱肌奔窜浖目荚嚬δ?，學(xué)生經(jīng)過前面兩個階段的學(xué)習(xí)和練習(xí)后，可進(jìn)入到“考”的模式，并留下每步操作的痕跡，以此來檢查自己在哪些知識點還有漏缺，并再進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，或者老師進(jìn)行組卷考試，自動記錄每個學(xué)生的考試成績，并且自動批改與匯總。

3.虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)項目的建設(shè)

以目前教學(xué)現(xiàn)有的幾臺檢測設(shè)備為虛擬仿真背景，依托Basic Very Engine軟件建立多個虛擬現(xiàn)實仿真教學(xué)實訓(xùn)項目。具體研究內(nèi)容：（1）用三坐標(biāo)測量機設(shè)備為虛擬仿真背景建立虛擬仿真實訓(xùn)項目一，可虛擬仿真檢測如蝸桿、葉片等零件的幾何尺寸、形狀和位置誤差。（2）用SER1000系列粗糙度輪廓儀設(shè)備為虛擬仿真背景建立虛擬仿真實訓(xùn)項目二，可虛擬仿真檢測如齒輪零件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓最大高度Ry。（3）基于DTV-3020手動影像儀設(shè)備為虛擬仿真背景建立虛擬仿真實訓(xùn)項目三，可虛擬仿真檢測薄片狀零件的幾何尺寸如角度、直徑、半徑、點到點的距離、線到線距離。（4）以智能投影儀設(shè)備為虛擬仿真背景，建立虛擬仿真實訓(xùn)項目四，可在投影儀背景下幾何尺寸、形狀誤差和位置誤差。（5）使用通用量具如游標(biāo)卡尺、千分尺為虛擬仿真背景，建立仿真實訓(xùn)項目五，掌握幾種常見的測量方法，如長寬高，內(nèi)外徑的測量[4]。

目前可行性的具體研究虛擬仿真實訓(xùn)項目內(nèi)容見表1所示：

表1 虛擬仿真實訓(xùn)項目

4.虛擬仿真實訓(xùn)項目建設(shè)的可行性分析

研究方法采用Basic Very Engine軟件用可編輯文本的編譯技術(shù)實現(xiàn)虛擬仿真內(nèi)容程序開發(fā)與運行。具體主要以UNITY界面為載體，采用EXCEL表格編輯技術(shù)，實現(xiàn)程序開發(fā)與運行。每一教學(xué)實訓(xùn)項目對應(yīng)編輯開發(fā)一虛擬仿真項目軟件，學(xué)者在應(yīng)用時打開該虛擬仿真項目軟件，在計算機上按該實驗的操作步驟完成模擬仿真實驗即可。具體技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 擬定技術(shù)路線圖

先分別對三坐標(biāo)測量機設(shè)備、SER1000系列粗糙度輪廓儀設(shè)備、DTV-3020手動影像儀設(shè)備、智能投影儀和千分尺、游標(biāo)卡尺用三維建模軟件UG建立外觀模型，并對模型進(jìn)行渲染，將模型導(dǎo)入到Basic Very Engine軟件中，分別建立五個虛擬仿真教學(xué)實訓(xùn)項目，根據(jù)該教學(xué)實訓(xùn)項目具體操作步驟用EXCEL表格編輯功能指令，將操作步驟錄入語音及操作步驟提示文字對軟件參數(shù)進(jìn)行配置，發(fā)布軟件及程序運行與檢測，完成建立該虛擬仿真教學(xué)實訓(xùn)項目。

5.在線課堂的引入

職教云平臺即“職業(yè)教育數(shù)字化學(xué)習(xí)中心”（亦稱“智慧職教”網(wǎng)站）是由高等教育出版社建設(shè)和運營的職業(yè)教育數(shù)字教學(xué)資源共享平臺和在線教學(xué)服務(wù)平臺?？擅嫦蛉鐣蚕韲摇奥殬I(yè)教育專業(yè)教學(xué)資源庫”項目建設(shè)成果。實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容主要應(yīng)用職教云平臺建立在線課堂。將理論知識在線課堂發(fā)布，可供學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，并完成相關(guān)任務(wù)。將實訓(xùn)操作內(nèi)容和操作步驟錄制視頻，發(fā)布在在線課堂中，學(xué)生在上實訓(xùn)課之前，應(yīng)用在線課堂可反復(fù)觀看教師實訓(xùn)操作的方法和步驟，可避免了在實訓(xùn)中心教師現(xiàn)場演示操作過程時學(xué)生看不清操作細(xì)節(jié)這一現(xiàn)象[5]。

四、虛擬仿真與在線課堂結(jié)合的教學(xué)優(yōu)勢

在零件的精度檢測實訓(xùn)教學(xué)中，以“虛擬仿真”與“在線課堂”相結(jié)合教學(xué)模式，以虛擬仿真技術(shù)作為一種輔助的教學(xué)工具，可以將計算機虛擬技術(shù)與教學(xué)實踐較好地融合在一起，有效解決了教學(xué)實訓(xùn)問題，不僅提高了高職實訓(xùn)教學(xué)的有效性，也為今后虛擬仿真教學(xué)提供了重要的借鑒。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬實驗通過計算機產(chǎn)生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環(huán)境中，就像在真實的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺。虛擬仿真教學(xué)實訓(xùn)項目可反復(fù)練習(xí)，通過模擬加強對理論知識的理解，再進(jìn)行實訓(xùn)室現(xiàn)場操作驗證模擬過程，以及現(xiàn)場出現(xiàn)的真實問題可通過獨立思考或老師指導(dǎo)的方式解決實際問題[6]（圖2）。

圖2 虛擬仿真與在線課堂結(jié)合教學(xué)模式

在線課堂豐富了學(xué)生可用的教學(xué)資源，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的潛能，提高課堂質(zhì)量水平。

結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)科技在高職實訓(xùn)教學(xué)領(lǐng)域具有無限的應(yīng)用潛力。總結(jié)虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，以及開拓其在教學(xué)中的發(fā)展深度是開展虛擬仿真教學(xué)實訓(xùn)項目的基礎(chǔ)。新工科發(fā)展時代下，積極應(yīng)用先進(jìn)的、有效的技術(shù)手段，豐富教學(xué)資源，提高高職實訓(xùn)教學(xué)的有效性，促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。