交互式虛擬仿真系統(tǒng)在機(jī)械課程中的教學(xué)研究與實(shí)現(xiàn)

夏婉莉

北京鐵路電氣化學(xué)校 北京 100000

引言

機(jī)械基礎(chǔ)課程是工科類中職學(xué)校各專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)好該課程可為后續(xù)學(xué)習(xí)各類專業(yè)課程打下良好基礎(chǔ)。中職學(xué)生對與該課程相關(guān)的數(shù)學(xué)、物理的基礎(chǔ)知識儲備相對薄弱，缺乏對機(jī)械設(shè)備的直觀認(rèn)識和操作經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致在理解機(jī)械基礎(chǔ)概念和原理，分析機(jī)械零件結(jié)構(gòu)和計(jì)算數(shù)值時(shí)存在困難，也給機(jī)械課程的教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成帶來阻力，因此，嘗試在機(jī)械課程教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)。

1 減速器拆裝虛擬仿真系統(tǒng)的研究背景

2021年9月，教育部印發(fā)了《職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)指南》，為切實(shí)推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)與人工智能等信息技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用水平，仿真技術(shù)與實(shí)訓(xùn)設(shè)備的深度融合，職業(yè)教育的高質(zhì)量發(fā)展等方面提供了有力指引[1]。同時(shí)體現(xiàn)了虛擬仿真系統(tǒng)在職業(yè)院校課程改革中的重要作用。虛擬仿真系統(tǒng)在多門課程的教學(xué)中都起到了顯著的教學(xué)效果。我國對職業(yè)教育改革的力度逐年加大，也對職業(yè)院校的實(shí)訓(xùn)條件，硬件及軟件設(shè)施提出了更高的要求，相關(guān)技術(shù)在中職教學(xué)實(shí)踐中的研究需求也逐步增大。

交互式虛擬仿真系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的模擬系統(tǒng)，能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界的各種場景，在生產(chǎn)、醫(yī)療、教育等多個(gè)領(lǐng)域中，都得到了廣泛應(yīng)用。比如：在教育領(lǐng)域中，交互式虛擬仿真系統(tǒng)可以用來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和技能訓(xùn)練，尤其是在中職教育教學(xué)中，更加注重實(shí)踐性和應(yīng)用性，交互式虛擬仿真系統(tǒng)可以用來模擬各種實(shí)踐場景，學(xué)生在計(jì)算機(jī)設(shè)備上模擬操作，提高效率的同時(shí)，掌握相關(guān)流程與操作技能，也可以減少實(shí)際操作中的錯誤與風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，交互式仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)線上教學(xué)和學(xué)習(xí)，教師通過該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和教學(xué)，學(xué)生可以在不同的地點(diǎn)和時(shí)間參與到學(xué)習(xí)中來。

在眾多的機(jī)械理實(shí)一體實(shí)訓(xùn)設(shè)備中，減速器裝置具有常見、常用、涵蓋的機(jī)械相關(guān)知識點(diǎn)較全面等優(yōu)點(diǎn)，是《機(jī)械制圖與機(jī)械基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的重要載體。減速器的拆裝實(shí)驗(yàn)，是教學(xué)過程中進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是鍛煉提高學(xué)生的實(shí)踐能力及職業(yè)素養(yǎng)的重要途徑[2]。但是，目前減速器拆裝仿真系統(tǒng)在職業(yè)學(xué)校機(jī)械基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用并不多見。當(dāng)前在中職院校普遍使用的虛擬仿真大多基于傳統(tǒng)CAD、CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的以圖形圖像、視頻的形式為主，內(nèi)容及形式都較為傳統(tǒng)甚至有些落后于時(shí)代的發(fā)展。

2 減速器拆裝模擬仿真系統(tǒng)的研究目標(biāo)及方法

為提高《機(jī)械制圖與機(jī)械基礎(chǔ)》課程理實(shí)一體化教學(xué)效果與學(xué)生的動手能力，促進(jìn)仿真技術(shù)與實(shí)訓(xùn)設(shè)備的深度融合，根據(jù)多年在該課程中積累的關(guān)于教法和學(xué)法的材料、數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)以及出現(xiàn)的問題、改進(jìn)的方向，設(shè)計(jì)適合教與學(xué)，融趣味性、可操作性、嚴(yán)謹(jǐn)性于一體的人機(jī)交互式減速器拆裝模擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一級圓柱齒輪減速器的拆卸、安裝、模擬運(yùn)行演示、計(jì)時(shí)、小組pk等功能[3]。該仿真包含三大模塊：減速器拆卸模塊、減速器裝配模塊、減速器模擬運(yùn)行模塊。其具體功能為。

系統(tǒng)支持PC版本、Android版本和Web版本，使用鼠標(biāo)和觸控進(jìn)行減速機(jī)拆裝模擬；教師能夠演示、學(xué)生可以查看減速器模擬運(yùn)行動畫，模擬運(yùn)行時(shí)，可調(diào)節(jié)并顯示輸入軸的多級轉(zhuǎn)速；學(xué)生可以對減速器及其主動齒輪軸組件、從動齒輪軸組件進(jìn)行裝配練習(xí)，系統(tǒng)能夠按照規(guī)定步驟對學(xué)生操作順序進(jìn)行糾正，并記錄學(xué)生操作的總耗時(shí)。裝配過程中，系統(tǒng)自動提示裝配要求，如螺紋連接件的預(yù)緊力等；學(xué)生可以對減速器及其主動、從動組件進(jìn)行拆卸練習(xí)，系統(tǒng)能夠按照規(guī)定步驟對學(xué)生操作順序進(jìn)行糾正，并記錄學(xué)生操作的總耗時(shí)；系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生的拆裝成績進(jìn)行自動排名。拆裝成績包含出錯率、用時(shí)等統(tǒng)計(jì)。

3 減速器拆裝仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用與成效

3.1 線下教學(xué)

學(xué)生通過電腦、PAD、安卓手機(jī)等終端進(jìn)入虛擬仿真場景，對場景中的減速器的各個(gè)部件進(jìn)行組裝或拆卸操作，系統(tǒng)判定組裝或拆卸的步驟是否符合規(guī)范，同時(shí)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)記錄評價(jià)數(shù)據(jù)，如：學(xué)生操作正確率、操作時(shí)間等數(shù)據(jù)，是教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)的重要手段。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生發(fā)揮對電子產(chǎn)品的興趣及特長，主動挖掘軟件的操作方法對減速器的拆裝步驟、方法、要求，以及對機(jī)械零件及傳動相關(guān)知識點(diǎn)理解和掌握得更加透徹，促進(jìn)達(dá)到本課程的知識目標(biāo)。在評分系統(tǒng)及小組PK比賽任務(wù)的驅(qū)動下，學(xué)生也提高了學(xué)習(xí)的主動性，加強(qiáng)了合作交流能力和發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力。當(dāng)拆裝步驟有誤，系統(tǒng)會提示出錯，直到學(xué)生能夠規(guī)范操作，才能進(jìn)行下一步驟，學(xué)生在使用和學(xué)習(xí)過程中感受到了規(guī)范操作的重要性，加強(qiáng)了工程意識及勤學(xué)苦練、不怕吃苦，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，促進(jìn)達(dá)成本課程的知識、能力目標(biāo)及素質(zhì)目標(biāo)，有效促進(jìn)了三有課堂的實(shí)現(xiàn)。以下列舉該系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)械課程的齒輪傳動項(xiàng)目中的具體實(shí)施方法。

3.1.1 齒輪傳動的類型與其軸系位置關(guān)系問題。該知識點(diǎn)是學(xué)生初步認(rèn)識齒輪傳動時(shí)的教學(xué)難點(diǎn)，可以考慮結(jié)合減速器拆裝模擬仿真系統(tǒng)來突破。教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模擬仿真系統(tǒng)，熟悉圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器及蝸桿減速器箱蓋的拆卸步驟及要領(lǐng)，并觀察仿真系統(tǒng)中不同類型的齒輪傳動的結(jié)構(gòu)與位置關(guān)系，之后以小組為單位操作減速器實(shí)體設(shè)備，直觀感受、觀察并辨析齒輪的不同結(jié)構(gòu)類型、齒輪傳動的工作原理以及軸線間的相互位置關(guān)系，將抽象的理論知識與模擬仿真、實(shí)體操作相結(jié)合，既能降低在沒有完全掌握操作要領(lǐng)時(shí)直接操作實(shí)體設(shè)備帶來零件的損壞的可能性，也能提高授課效率，有助于突破教學(xué)難點(diǎn)

3.1.2 齒輪傳動的傳動比計(jì)算問題。齒輪傳動比的計(jì)算是工程實(shí)際中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，也是任務(wù)實(shí)施過程中的教學(xué)重點(diǎn)。雖然傳動比的計(jì)算簡單，只涉及齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、比值關(guān)系等，但學(xué)生的數(shù)學(xué)計(jì)算水平普遍不高，甚至有個(gè)別學(xué)生有抵觸心理，不愿在抽象問題中突破自己，就會無法理解傳動比與降速、升速之間的聯(lián)系。因此，簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算也會成為教學(xué)難點(diǎn)。教師可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模擬仿真系統(tǒng)的模擬運(yùn)行模塊，調(diào)節(jié)不同的輸入轉(zhuǎn)速，觀察輸出軸轉(zhuǎn)速的變化，從而理解傳動比的含義和減速器的工作原理，并可以在此環(huán)節(jié)運(yùn)用仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)游戲比拼，使基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生在好奇心的驅(qū)使下，進(jìn)入學(xué)習(xí)，并在同組同學(xué)的幫助下，共同完成傳動比的計(jì)算，理解其中的含義，為后續(xù)計(jì)算齒輪各部分尺寸奠定了一定的基礎(chǔ)，提高了信心。

3.1.3 識讀裝配圖的問題。裝配圖的識讀是機(jī)械制圖課的系統(tǒng)化及總結(jié)性內(nèi)容，也是學(xué)生對三視圖、零件圖、技術(shù)要求知識點(diǎn)的綜合能力的提升。由于其涵蓋知識點(diǎn)較多，圖樣較復(fù)雜，部分學(xué)生不易理解。教師可引導(dǎo)學(xué)生在觀察零件實(shí)物的基礎(chǔ)上，借助模擬仿真系統(tǒng)了解各零件的安裝位置及結(jié)構(gòu)特征，理解其功能原理、應(yīng)用，從而識讀裝配圖裝中的表達(dá)方法，分析視圖的名稱及投影方向，分清各零件安裝位置和結(jié)構(gòu)特征。

3.1.4 對照裝配圖完成減速器組件的裝配問題。裝配減速器是理論與實(shí)際相結(jié)合的重要體現(xiàn)，是學(xué)生提高實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，也是檢查學(xué)生能否學(xué)以致用將理論應(yīng)用于實(shí)踐的重要途徑。由于齒輪的裝配精度要求較高，對于實(shí)操能力稍弱的學(xué)生，沒有信心做好，不敢于嘗試。也有學(xué)生在裝配過程中忽視預(yù)緊力的要求，損壞螺紋連接件的情況時(shí)有發(fā)生。教師可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模擬仿真系統(tǒng)，獨(dú)立進(jìn)行從動齒輪組件裝配仿真練習(xí)，熟悉仿真環(huán)境，相互切磋裝配步驟，根據(jù)軟件提示謹(jǐn)記裝配要領(lǐng)及螺紋連接件預(yù)緊力的要求。為了使學(xué)生感受學(xué)習(xí)的趣味性，教師可運(yùn)用仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)小組PK游戲，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行模擬裝配的比拼，既能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也為后續(xù)的實(shí)際組裝奠定了基礎(chǔ)。仿真練習(xí)有效訓(xùn)練組裝的順序和流程和要求，可以再現(xiàn)所出現(xiàn)的錯誤，減少實(shí)際組裝時(shí)的差錯和零部件的磨耗、損壞，提高實(shí)際組裝的效率與質(zhì)量。并在游戲環(huán)節(jié)中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識與集體榮譽(yù)感。

線下教學(xué)實(shí)施過程中，教師、學(xué)生操作仿真系統(tǒng)，提升教學(xué)的直觀性，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和掌握，避免了教師演示實(shí)體模型而看不清楚的弊端。模擬仿真系統(tǒng)是在動手實(shí)操實(shí)體設(shè)備前的模擬操作，能有效避免因?qū)W生對操作要領(lǐng)掌握不夠或是不規(guī)范，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞情況。實(shí)體模型經(jīng)過多屆學(xué)生拆裝實(shí)踐操作后，有些已經(jīng)損壞，或者出現(xiàn)精度嚴(yán)重下降、裝配困難，或是實(shí)訓(xùn)設(shè)施數(shù)量不足等情況，用模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行演示教學(xué)，能夠起到節(jié)約成本的作用。結(jié)合圓柱齒輪減速器拆裝模擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生能夠自行探討其他兩種減速器的拆卸步驟，起到高效的示范作用，節(jié)省了教師再次講解拆卸步驟的教學(xué)時(shí)間，學(xué)生樂于接受，趣味性強(qiáng)，效果好。

3.2 線上教學(xué)

線上教學(xué)，在師生都沒有減速器實(shí)訓(xùn)設(shè)備的條件下，學(xué)生在手機(jī)、平板或電腦上安裝模擬仿真系統(tǒng)，教師通過屏幕共享，應(yīng)用軟件進(jìn)行演示教學(xué)。學(xué)生也可以在自己的設(shè)備上觀看與操作仿真軟件，對減速器整體及各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)的組成、工作原理、裝配關(guān)系，拆裝步驟等等方面，都有了直觀的感受和較深刻的理解。能夠有效解決機(jī)械課程在線上教學(xué)中因缺乏實(shí)物導(dǎo)致的枯燥、抽象等問題。

4 研究設(shè)想

4.1 優(yōu)化仿真系統(tǒng)新功能

積累仿真系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化仿真系統(tǒng)功能。如：增設(shè)減速器各零件裝配尺寸精度要求，裝配螺釘、螺栓時(shí)的預(yù)緊力要求等功能。增設(shè)同類型零件的選擇功能，比如滾動軸承類型、型號的選擇，齒輪類型、齒數(shù)的確定，傳動比計(jì)算等功能。

4.2 探索VR、AR相關(guān)技術(shù)接口研究

借助Unity3D對VR的強(qiáng)大支持做進(jìn)一步的研發(fā)，配套VR眼鏡和體感設(shè)備在已建立的場景中進(jìn)行交互。模擬仿真系統(tǒng)畢竟是在虛擬環(huán)境下，真正的實(shí)踐能力仍需通過學(xué)生動手操作減速器設(shè)備來鍛煉和提高。此仿真系統(tǒng)支持虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)也就是“VR”、“AR”的實(shí)現(xiàn)。在虛擬環(huán)境下，模擬現(xiàn)實(shí)世界中減速器各個(gè)零件的重力，也就是每個(gè)零件都可以根據(jù)設(shè)定的材料及尺寸生成重力要素，學(xué)生在“VR”、“AR”虛擬環(huán)境中拿起各個(gè)零件操作時(shí)，有更加真實(shí)的減速器拆裝實(shí)踐體驗(yàn)。

4.3 探索線上仿真實(shí)驗(yàn)室平臺的研究

本文僅針對減速器拆裝實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目進(jìn)行研究，本課程及相關(guān)課程還有大量的理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可開發(fā)建立綜合性線上“仿真實(shí)驗(yàn)室”平臺，將相關(guān)課程的仿真項(xiàng)目集中在該平臺上，并添加配套的評價(jià)系統(tǒng)，為師生交互、線上線下混合式教學(xué)等提供信息化教學(xué)資源，切實(shí)推進(jìn)職業(yè)院校中仿真項(xiàng)目及實(shí)訓(xùn)設(shè)備相融合的應(yīng)用水平。

5 結(jié)束語

隨著虛擬仿真、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，以及職業(yè)學(xué)校教學(xué)改革步伐的加快，虛擬仿真系統(tǒng)與實(shí)訓(xùn)設(shè)備的有機(jī)結(jié)合應(yīng)用在教學(xué)過程中的優(yōu)勢逐步凸顯，既能創(chuàng)設(shè)模擬的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，節(jié)省時(shí)間和成本，增強(qiáng)安全可靠性，又能考評結(jié)合、提升教學(xué)效果和學(xué)生的操作技能，提升教學(xué)有趣、有用和有效性。