虛擬仿真技術(shù)在高職船體裝配教學(xué)中的應(yīng)用

郭明慧，孫 超，江 帆

九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007

0 引言

目前國內(nèi)對虛擬仿真技術(shù)在普通教育中的應(yīng)用研究主要集中在學(xué)科教學(xué)實踐、虛擬學(xué)習(xí)資源建設(shè)、虛擬仿真應(yīng)用理論探索、虛擬實訓(xùn)室建設(shè)等方面[1-2]。針對應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的課程改革研究較少，仍處于起步階段。

船體裝配課程教學(xué)主要采用線上線下混合式教學(xué)模式，課程資源僅限課件、教案、視頻等二維資源和部分三維動畫等，從而在課程教學(xué)中表現(xiàn)出實物難見、模型失真的問題，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不理想，難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前又受到新冠疫情的影響學(xué)生很少有機會到船廠開展實訓(xùn)任務(wù)，從而導(dǎo)致實踐環(huán)節(jié)效率低、效果差、機會少、難以全面直觀學(xué)習(xí)完整船舶裝配知識等問題。為此，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院開展相關(guān)的虛擬仿真實訓(xùn)室項目建設(shè)，將虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)，充分挖掘虛擬仿真實訓(xùn)室的作用，通過其沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特點，讓學(xué)生全身心投入到三維虛擬船舶裝配場景中，提高學(xué)習(xí)效率和興趣，使學(xué)生能夠更好地掌握相關(guān)技術(shù)技能，從而培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)崗位需求的技術(shù)技能人才。

1 課程分析

船體裝配課程以船體裝配工作過程為主線，設(shè)計船體構(gòu)件加工、船體部件裝焊、船體分段裝配和船臺合攏總裝四個模塊，如表1 所示。在每個模塊中先進行理論知識講解，再通過虛擬仿真訓(xùn)練加深對理論知識的理解，并掌握船體裝配課程中的實際裝配流程。通過對學(xué)生運用船舶建造虛擬仿真系統(tǒng)的考核情況進行分析，為后續(xù)學(xué)生的船體裝配實物實訓(xùn)課程的安排提供依據(jù)。

表1 船體裝配課程安排

2 課程案例

本文以船體裝配課程中的分段裝配——雙層底分段的教學(xué)內(nèi)容為例。雙層底分段的裝配方法一般有正造法、反造法以及框架式建造法。本次內(nèi)容要求學(xué)生正確掌握船體底部分段在不同裝配方法下的裝配工藝過程。

本教學(xué)內(nèi)容大致可分為四個部分，分別是：教師進行理論知識講解；學(xué)生自主在學(xué)生端進行練習(xí)操作；學(xué)生以小組為單位在測評端進行小組PK 賽；總得分較高的小組在虛擬仿真系統(tǒng)上進行協(xié)同交互裝配操作。

3 虛擬互動實踐過程

本次教學(xué)活動的實踐課程主要包括知識回顧、虛擬演示、學(xué)生練習(xí)、小組PK 賽、虛擬協(xié)同交互和考核反思六個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的具體情況與船舶建造虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用如下：

3.1 知識回顧

教師在線上平臺設(shè)置了課前問題，根據(jù)學(xué)生回答問題的正確率分析學(xué)生對知識點的掌握情況，從而引導(dǎo)學(xué)生回憶理論課程中講解的雙層底分段的裝配方法與裝配工藝過程。

3.2 虛擬演示

教師運用系統(tǒng)的教學(xué)指導(dǎo)功能演示操作流程，在演示過程中，教師應(yīng)強調(diào)前期場地、裝配方式、工藝裝備、裝配工具的選擇，以及后續(xù)的裝配工藝過程。

3.3 學(xué)生練習(xí)

通過觀看教師的虛擬演示，學(xué)生對操作過程已經(jīng)有了大致了解。隨后學(xué)生獨自進行虛擬練習(xí)。學(xué)生在操作過程中遇到的問題可及時反饋給教師，教師耐心解答并記錄問題。

3.4 小組 PK 賽

學(xué)生經(jīng)過練習(xí)，基本掌握了底部分段的裝配順序。之后以小組為單位進行PK，小組成員進入測評端測評，學(xué)生選擇訓(xùn)練測評后，整個流程只能按順序進行，如果操作錯誤，系統(tǒng)會進行錯誤提示，并在評分系統(tǒng)中記錄、扣分，每個操作步驟最多可錯三次，用戶需選擇正確的選項才可進行下一步，當流程操作完畢后，系統(tǒng)會給出評分界面，并給出操作中正確和錯誤的步驟，最后記錄每組成員的得分情況及各個小組的總成績，成績第一的進行虛擬仿真協(xié)同交互訓(xùn)練。

3.5 虛擬協(xié)同交互

每個小組成員依次擔任火工、裝配工、起重工、電焊工、打磨工的工作。他們相互協(xié)作，共同完成分段的裝配工作。教師端記錄每個小組的用時及每個學(xué)生的出錯情況。

3.6 考核反思

教師總結(jié)學(xué)生在虛擬仿真環(huán)節(jié)中的優(yōu)缺點，并記錄每組成員的工作內(nèi)容與占比。最后進行本節(jié)知識點的回顧總結(jié)，對各小組進行評分。

4 虛擬仿真技術(shù)融入船體裝配課程的效果

將船舶虛擬仿真系統(tǒng)引入船體裝配課程可以給課程帶來很多新的改變：第一，學(xué)生可將所學(xué)的理論知識應(yīng)用于虛擬仿真操作，更直觀地了解船體裝配；第二，利用虛擬仿真技術(shù)“沉浸、交互、感知、智能”的特點，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式下“船廠環(huán)境難感知、船舶細節(jié)難認知、實際工作難體驗”的桎梏；第三，虛擬仿真系統(tǒng)的互動功能為學(xué)生提供了虛擬操作機會，通過人機互動解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中互動方式單一、課堂活躍度和表現(xiàn)力不夠、課堂效果不理想以及學(xué)生對理論課程學(xué)習(xí)動力不足、興趣不高的問題；第四，虛擬仿真系統(tǒng)的考核功能驗證了學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性，將成績作為后續(xù)學(xué)生船體實物裝配的依據(jù)。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)學(xué)生在后續(xù)的實物實訓(xùn)中正確率與效率較之前都有所提高[3]。

應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)進行教學(xué)有其自身的優(yōu)點，但在開展實踐教學(xué)的過程中，發(fā)現(xiàn)了一些通識性問題。

第一，大部分學(xué)校的交互虛擬仿真設(shè)備無法滿足一個班（50 人） 同時開展訓(xùn)練學(xué)習(xí)，因此要特別關(guān)注教學(xué)活動設(shè)計，確保在有限的資源下達到最佳的教學(xué)效果。船體裝配課程教學(xué)中采用逐步遞進的學(xué)習(xí)方式，先通過相對簡單的桌面AR 系統(tǒng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)活動中引入競爭機制，團隊積分較高的小組進入第二階段的交互式虛擬仿真學(xué)習(xí)階段。同時課后開放實訓(xùn)室，學(xué)生可在課后時間自主去實訓(xùn)室進行交互式虛擬仿真模擬操作。

第二，如何確保學(xué)生在“玩”中學(xué)且達到既定的學(xué)習(xí)成效，也是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中必須解決的問題。課程實踐過程中以學(xué)生學(xué)習(xí)成果目標為導(dǎo)向，認真推敲虛擬仿真教學(xué)活動的難易程度，將教學(xué)活動分成若干個10～15 分鐘的小活動，每個活動設(shè)定可量化的輸出成果，同時要求學(xué)生根據(jù)虛擬場景中生產(chǎn)要素，給出選擇此種裝配方式的依據(jù)，促使學(xué)生在“玩”的過程中深入思考知識內(nèi)容，以保證良好的學(xué)習(xí)效果[4]。

第三，虛擬仿真教學(xué)活動并不能替代傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)活動。目前在教學(xué)中利用虛擬仿真技術(shù)可幫助學(xué)生提前掌握實訓(xùn)過程中的關(guān)鍵知識，并且還可通過對虛擬仿真實訓(xùn)課程中的成績進行分析來指導(dǎo)傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)的分組與工作安排。但目前還沒有做到虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)實訓(xùn)項目有機融合，甚至出現(xiàn)了“虛實分離”的現(xiàn)象，這還需要進一步統(tǒng)籌規(guī)劃，以便真正做到“虛實”結(jié)合。

5 高職船體裝配課程開展虛擬仿真教學(xué)建議

首先，學(xué)校應(yīng)加強與相關(guān)企業(yè)的交流合作，了解虛擬仿真系統(tǒng)的發(fā)展情況，不斷更新虛擬仿真資源以便更好地服務(wù)教學(xué)；同時，積極與船廠開展交流活動，了解船舶行業(yè)的需求，從而更好地安排船舶虛擬仿真項目，保證教學(xué)項目與生產(chǎn)實際緊密相連。其次，與其他高職院校合作，相互學(xué)習(xí)，共享資源，共同進步。最后，教師和學(xué)生應(yīng)增強學(xué)習(xí)現(xiàn)代教育技術(shù)的意識，明確各自目標，最終才能將虛擬仿真技術(shù)更好地融入教學(xué)，從而提升課程教學(xué)效果。