基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的研究與應(yīng)用

朱思虎

摘 要：將智能虛擬技術(shù)應(yīng)用于噴涂教學(xué)中是工學(xué)一體化教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)，學(xué)生能掌握汽車噴涂方法，在實(shí)際的課程教學(xué)與企業(yè)要求的技能水平還有很大差距，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)不能有效地掌握汽車噴涂的技能。為了進(jìn)一步提升學(xué)生的汽車噴涂技能水平，對(duì)智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中進(jìn)行研究。首先，介紹了智能虛擬噴涂教學(xué)的理論基礎(chǔ)。其次，闡述了汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)的開展與存在的問題。再次，基于智能虛擬噴涂教學(xué)的工學(xué)一體化教學(xué)模式設(shè)計(jì)，最后對(duì)其效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：工學(xué)一體化 智能虛擬 噴涂教學(xué)

1 引言

本文探討基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的研究與應(yīng)用。工學(xué)一體化教學(xué)作為一種革新教育的探索，不僅符合社會(huì)發(fā)展的需求，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。隨著科技的不斷進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛。而基于智能算法的虛擬噴涂參數(shù)優(yōu)化技術(shù)則能夠有效地提升虛擬噴涂教學(xué)的效果。

在本文中，首先介紹智能虛擬噴涂教學(xué)的理論基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涵義、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。接著，深入探討工學(xué)一體化教學(xué)的開展與不足，包括在汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)開展與教學(xué)中的不足。在此基礎(chǔ)上，介紹基于智能虛擬噴涂教學(xué)的工學(xué)一體化教學(xué)模式設(shè)計(jì)，包括了基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中優(yōu)勢(shì)，工學(xué)一體化教學(xué)的設(shè)計(jì)思考，工學(xué)一體化教學(xué)的過程設(shè)計(jì)，智能虛擬噴涂在工學(xué)一體化教學(xué)過程，教學(xué)案例與效果分析。最后，由此歸納總結(jié)出本文的結(jié)論。

本文為教育工作者和相關(guān)研究者提供一些新思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以促進(jìn)智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。結(jié)果表明，智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)在工學(xué)一體化教學(xué)中具有顯著的教育效果和廣泛的應(yīng)用前景。綜上所述，智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的應(yīng)用為教育技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和新方法。

2 智能虛擬噴涂教學(xué)的理論基礎(chǔ)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涵義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬環(huán)境是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，這種虛擬的環(huán)境是通過由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像，產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境。感知是指理想的通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知，感知環(huán)境與事物的內(nèi)在變化與發(fā)生“交互”作用。自然技能是人的身體運(yùn)動(dòng)，如跑步，眨眼等一切身體動(dòng)作。通過計(jì)算機(jī)來運(yùn)算與參與者的一系列動(dòng)作與之匹配的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)綜合可感知的人工環(huán)境，并對(duì)用戶的輸入作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。虛擬現(xiàn)實(shí)具備三種特征，包括“沉浸性”、“交互性”和“創(chuàng)想性”。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)都用具有十分廣泛的應(yīng)用和重要的現(xiàn)實(shí)意義。如在地理信息系統(tǒng)、虛擬醫(yī)學(xué)工程、航空航天等方面都有應(yīng)用。其中基于VR技術(shù)的虛擬仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能虛擬技術(shù)的代表，在教學(xué)上也得到了廣泛的應(yīng)用。是實(shí)現(xiàn)智能虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以將真實(shí)的操作過程通過計(jì)算機(jī)生成并呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生在沒有實(shí)際的噴涂操作設(shè)備的情況下，能夠深入了解噴涂加工的流程和技術(shù)要領(lǐng)。需要收集真實(shí)噴涂加工過程的數(shù)據(jù)和操作記錄，利用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將這些數(shù)據(jù)和操作記錄轉(zhuǎn)換為虛擬噴涂場(chǎng)景。讓學(xué)生通過虛擬場(chǎng)景對(duì)噴涂加工技術(shù)進(jìn)行實(shí)際操作和學(xué)習(xí)，不僅可以減少對(duì)實(shí)際物品和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求，還能讓學(xué)生在安全條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高噴涂實(shí)訓(xùn)的效率。

3 汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)的開展與存在的問題

3.1 汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)開展

汽車噴涂課程之前采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，先理論后實(shí)踐，導(dǎo)致理論實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生不能很好掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。為了提升學(xué)生的操作能力，汽車噴涂教學(xué)按照工學(xué)一體化教學(xué)進(jìn)行開展，以企業(yè)工作過程構(gòu)建教學(xué)過程。按照工學(xué)一體化教學(xué)資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查、評(píng)估等六個(gè)環(huán)節(jié)開展教學(xué)任務(wù)。資訊環(huán)節(jié)，提出本次的工作任務(wù)，完成相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)，掌握汽車噴漆的作用與工作原理。計(jì)劃環(huán)節(jié)，學(xué)生查閱相關(guān)資料與相關(guān)視頻制定計(jì)劃。決策環(huán)節(jié)，小組匯報(bào)學(xué)習(xí)任務(wù)操作方案，教師引導(dǎo)各組完善計(jì)劃。實(shí)施環(huán)節(jié)，各小組按照計(jì)劃進(jìn)行操作，教師進(jìn)行巡回指導(dǎo)，及時(shí)糾正學(xué)生不規(guī)范操作。檢查環(huán)節(jié)，按照企業(yè)作業(yè)要求檢查學(xué)習(xí)情況與任務(wù)完成效果。評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，小組同學(xué)進(jìn)行小組討論自評(píng)、互評(píng)、師評(píng)。

3.2 汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)中的存在的問題

汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)提升了學(xué)生對(duì)知識(shí)技能的掌握，但是在開展汽車噴漆工學(xué)一體化課程教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)有不足之處，主要存在的問題表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，在安全環(huán)保方面，學(xué)生是初學(xué)者，還沒有形成較強(qiáng)的安全環(huán)保意識(shí)，可能由于操作不規(guī)范導(dǎo)致對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生危害。第二，在教學(xué)成本方面，對(duì)剛開始學(xué)習(xí)噴涂的學(xué)生來說，沒有掌握噴涂技能，需要反復(fù)地訓(xùn)練，無形當(dāng)中就會(huì)浪費(fèi)大量的涂料與板件從而增加成本。第三，學(xué)生的操作技能不能有效提升方面，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，噴涂在走槍手法上非常嚴(yán)謹(jǐn)，如在噴槍調(diào)節(jié)、握槍姿態(tài)、噴槍的角度距離速度等都直接影響最終的噴涂效果，學(xué)生在進(jìn)行噴涂訓(xùn)練時(shí)很難形成操作技能或者需要很長(zhǎng)時(shí)間的鍛煉。第四，學(xué)生在學(xué)習(xí)思維上受到一定局限性，對(duì)操作的技巧不能快速理解掌握，老師針對(duì)噴涂手法進(jìn)行講解，學(xué)生還是不知道自己的操作誤區(qū)在什么地方。第五，在教學(xué)手段方面，老師能運(yùn)用教學(xué)視頻，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等開展教學(xué)，學(xué)生能按照講解內(nèi)容進(jìn)行操作，但是學(xué)生在控制噴漆的距離、噴槍的速度和噴槍的角度等方面很難把控，教師不能直觀將操作數(shù)據(jù)在學(xué)生面前展現(xiàn)出來。第六，在考核方面，老師也只能觀看學(xué)生的操作過程與噴涂的結(jié)果進(jìn)行打分，在噴槍的噴射角度、噴槍的噴射距離、噴槍的移動(dòng)速度等這些關(guān)系細(xì)節(jié)不易進(jìn)行考核，或者只能主觀評(píng)價(jià)。這些細(xì)節(jié)是學(xué)生掌握噴漆技能的關(guān)鍵。

4 基于智能虛擬噴涂教學(xué)的工學(xué)一體化教學(xué)模式設(shè)計(jì)

4.1 基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中優(yōu)勢(shì)

智能虛擬課堂的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，可以彌補(bǔ)學(xué)校教學(xué)經(jīng)費(fèi)的不足，降低教學(xué)成本，避免真實(shí)操作帶來的危險(xiǎn)，學(xué)生可以多次探究實(shí)驗(yàn)提升技能水平；提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)，創(chuàng)造多樣化學(xué)習(xí)情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，打破時(shí)間空間局限，引領(lǐng)開展創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生可視化思維發(fā)展。采用智能虛擬噴涂，可以將學(xué)生置身于仿真環(huán)境中實(shí)踐與模擬實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效果與安全。讓學(xué)生在仿真環(huán)境中開展高效的技能訓(xùn)練，能夠讓學(xué)生感受到真實(shí)的噴涂操作過程，促進(jìn)學(xué)生全身心地學(xué)習(xí)，使學(xué)生可以進(jìn)行真實(shí)感較強(qiáng)的虛擬噴涂實(shí)驗(yàn)，提升其操作技能與對(duì)噴涂工藝的理解。智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用能夠極大地促進(jìn)學(xué)生對(duì)噴涂工藝與噴涂過程的認(rèn)識(shí)。

4.2 基于智能虛擬噴涂在工學(xué)一體化教學(xué)的設(shè)計(jì)思考

利用智能虛擬噴涂是解決教學(xué)中存在的不足與掌握噴漆技能的關(guān)鍵。工學(xué)一體化教學(xué)以引導(dǎo)學(xué)生深入研究，自主學(xué)習(xí)，不斷探索問題的解決方法，核心思想是通過綜合性和實(shí)踐性的學(xué)科知識(shí)來培養(yǎng)學(xué)生解決問題的綜合能力，具有提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。在噴涂工學(xué)一體化教學(xué)中存在環(huán)境污染與人體傷害、教學(xué)成本較高、操作技能不能有效提升和考核不精確等。這些問題是存在的，也是可以解決的，關(guān)鍵在于教學(xué)設(shè)計(jì)的方法和手段。采用智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)作為一種新型的教學(xué)手段，解決在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的環(huán)境污染與人體傷害、教學(xué)成本較高、操作技能不能有效提升、考核不精確等問題。智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)可以極大地提高噴涂的精度和效率，通過學(xué)習(xí)虛擬噴涂的過程，學(xué)生可以加深對(duì)實(shí)際噴涂加工過程的理解。智能虛擬噴涂教學(xué)為工學(xué)一體化教學(xué)帶來了新的思路，在教學(xué)設(shè)計(jì)中要通過智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生提供了更加高效和優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提升教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用和教學(xué)效果。

4.3 基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)的過程設(shè)計(jì)

教師在設(shè)計(jì)工學(xué)一體化課程教學(xué)時(shí)應(yīng)該充分考慮數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。結(jié)合智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中優(yōu)勢(shì)，根據(jù)工學(xué)一體化教學(xué)任務(wù)特點(diǎn)，合理運(yùn)用智能虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備有機(jī)融入資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查、評(píng)估等六個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。以代表性學(xué)習(xí)任務(wù)底涂層涂裝中的空氣噴槍的使用為例：第一，資訊環(huán)節(jié)，利用智能虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識(shí)，如噴槍的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，噴槍漆量調(diào)節(jié)旋鈕，噴槍氣壓調(diào)節(jié)旋鈕，風(fēng)帽，噴槍扇幅調(diào)節(jié)旋鈕，噴槍校正按鈕，噴槍連接等知識(shí)；掌握汽車噴涂的作用與工作原理。第二，計(jì)劃環(huán)節(jié)，可以根據(jù)智能虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備顯示與正在訓(xùn)練項(xiàng)目的相關(guān)輔助提示功能作制定計(jì)劃。如最佳噴涂壓力的調(diào)整，最佳噴幅圖形的調(diào)整，最佳出漆量的調(diào)整，調(diào)整霧束的方向，霧化質(zhì)量的檢查等。第三，決策環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生根據(jù)智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)演練修訂自己的計(jì)劃。第四，實(shí)施環(huán)節(jié)，各小組同學(xué)在虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備上進(jìn)行練習(xí)，及時(shí)地調(diào)整糾正技能操作，快速地掌握噴涂走槍手法，空氣噴槍與工件表面的角度，空氣噴槍與被涂表面的正確距離，空氣噴槍移動(dòng)的速度，空氣噴槍扳機(jī)的控制，噴涂邊緣的搭接。第五，檢查環(huán)節(jié)，回放學(xué)生在虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備上的手部動(dòng)作、移動(dòng)速度、行走角度、距離等重要數(shù)據(jù)，判斷學(xué)習(xí)情況與任務(wù)完成效果。第六，評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，可以利用虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備對(duì)操作過程中的整個(gè)噴涂過程參數(shù)，直觀地了解自己的不足。

5 教學(xué)案例與效果分析

5.1 教學(xué)實(shí)例

為驗(yàn)證智能虛擬噴涂在工學(xué)一體化教學(xué)過程中運(yùn)用的有效性，針對(duì)課程“汽車噴漆”中的“噴槍使用”這一工作任務(wù)，開展教學(xué)示范驗(yàn)證。將授課班級(jí)同學(xué)隨機(jī)分成A、B兩個(gè)小組，A組同學(xué)在沒有使用智能虛擬噴漆設(shè)備的條件下進(jìn)行一體化教學(xué)，B組同學(xué)在有使用智能虛擬噴漆設(shè)備的條件下進(jìn)行一體化教學(xué)。通過對(duì)學(xué)習(xí)效果的統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)A組同學(xué)明顯低于B組。其原因是B組同學(xué)在各教學(xué)環(huán)節(jié)中得到了智能虛擬噴漆設(shè)備支持，提升了操作技能水平。以噴槍使用為例，具體教學(xué)步驟如圖1所示。

5.2 效果分析

通過智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐。學(xué)生在工學(xué)一體化學(xué)習(xí)任務(wù)中使用智能虛擬噴涂系統(tǒng)更容易掌握噴槍使用，學(xué)生可以更好地理解噴槍使用原理和噴槍操作技能。同時(shí)，學(xué)習(xí)過程安全環(huán)保，降低培訓(xùn)成本。對(duì)環(huán)境和人體都無任何傷害，整個(gè)培訓(xùn)過程綠色環(huán)保。無任何涂料或板件的消耗，大幅節(jié)省培訓(xùn)物力成本。學(xué)習(xí)更為便捷，可以通過智能虛擬噴涂系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)查閱信息，也可以將相關(guān)噴涂知識(shí)的文檔資料拷貝到系統(tǒng)，學(xué)生可以隨時(shí)查閱，學(xué)生可以跟隨“引導(dǎo)噴槍”進(jìn)行噴涂手法訓(xùn)練。多種噴涂板件可選，可以提供汽車車身上常見板件進(jìn)行噴涂訓(xùn)練。實(shí)時(shí)輔助顯示，3D噴涂錄像可分享及學(xué)習(xí)。學(xué)生進(jìn)行噴涂操作訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控學(xué)生操作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為的圖形化提示學(xué)生，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的提示及時(shí)糾正自己的操作動(dòng)作。系統(tǒng)可以按照學(xué)生操作形成錄像，可分享可回看，也可對(duì)比噴涂訓(xùn)練。動(dòng)態(tài)設(shè)定任務(wù)、效果可評(píng)估。教師可以設(shè)定不同任務(wù)與不同參數(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果可直接在系統(tǒng)上精確直觀反饋，老師可以根據(jù)整個(gè)操作過程對(duì)學(xué)生追蹤評(píng)定。

6 結(jié)語

在噴涂課程工學(xué)一體化教學(xué)中運(yùn)用智能虛擬噴涂教學(xué)來提升學(xué)生的綜合能力具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過研究發(fā)現(xiàn)，智能虛擬噴涂教學(xué)可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。在教學(xué)中智能虛擬技術(shù)扮演了重要的角色，可以更直觀地展現(xiàn)噴涂加工的操作流程與操作細(xì)節(jié)，讓學(xué)生更深入地理解噴涂加工的原理和方法。在學(xué)習(xí)噴涂加工的流程和技術(shù)要領(lǐng)時(shí)，學(xué)生可以通過虛擬場(chǎng)景操作噴涂設(shè)備，觀察噴涂的效果和輸出參數(shù)，并對(duì)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而深入了解不同參數(shù)對(duì)噴涂效果的影響，為學(xué)生提供了更好的操作指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)更高效、更精確地噴涂加工過程。通過與工學(xué)一體化教學(xué)的整合，采用智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)可以有效改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生的實(shí)際操作能力也得到了提升，提高了學(xué)生的操作水平和綜合能力。這些成果和經(jīng)驗(yàn)凸顯了本研究的重要意義，為今后在工學(xué)一體化教學(xué)中的教學(xué)改革提供了借鑒。

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