探討《液壓與氣動技術(shù)》課程虛擬仿真實訓(xùn)資源的開發(fā)與應(yīng)用

林喜娜 劉凱 石磊 王志隨

【摘要】本文以客觀事實為依據(jù)，本著"以服務(wù)為宗旨、以就業(yè)為導(dǎo)向"的職業(yè)教育辦學(xué)方針，全面提高學(xué)生素質(zhì)和能力。探討了借助虛擬仿真技術(shù)和三維建模技術(shù)建設(shè)優(yōu)化虛擬實訓(xùn)資源。解決了項目教學(xué)過程中實訓(xùn)資源相對缺乏，促進了主動式、協(xié)作式、研究型、自主型學(xué)習(xí)，形成開放、高效的新型實訓(xùn)教學(xué)模式的重要途徑。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；項目教學(xué)；工學(xué)結(jié)合；

一、概述

《液壓與氣動技術(shù)》是高職機械類專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課，應(yīng)用性很強，在機械類的各個專業(yè)如機械制造及自動化、機電一體化、數(shù)控等專業(yè)都占有十分重要的地位，是專業(yè)課中的重點課程。這門課程不僅理論性強，而且具有很強的實踐性，與企業(yè)的生產(chǎn)實際聯(lián)系緊密。

從我國職業(yè)教育的實際出發(fā)，堅持理論聯(lián)系實際，通過課程組成員的國外學(xué)習(xí)和國內(nèi)交流，針對《液壓與氣動技術(shù)》理論與實踐結(jié)合緊密的特點，在實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中逐步引入"項目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動"的理念，但是在項目教學(xué)過程中存在一個瓶頸問題：實訓(xùn)資源相對缺乏，加上上課時間可訓(xùn)練的時間有限，限制了同學(xué)們課后實訓(xùn)練習(xí)。

針對這一現(xiàn)實問題，在新一輪的課程建設(shè)中，借助虛擬技術(shù)和三維建模技術(shù)，實現(xiàn)《液壓與氣動技術(shù)》實訓(xùn)教學(xué)資源立體化、動態(tài)化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化，建設(shè)虛擬實訓(xùn)環(huán)境，解決了項目教學(xué)過程中實訓(xùn)資源相對缺乏，促進了主動式、協(xié)作式、研究型、自主型學(xué)習(xí)，形成開放、高效的新型實訓(xùn)教學(xué)模式的重要途徑。

二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，為其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持，使人們的生活、工作和學(xué)習(xí)變得更加快捷和方便。虛擬實訓(xùn)是現(xiàn)代職業(yè)教育中必不可少的一種形式，在教育領(lǐng)域應(yīng)用必將得到進一步的開發(fā)與應(yīng)用。現(xiàn)就國內(nèi)外研究現(xiàn)狀敘述如下：

將虛擬實訓(xùn)運用于運動技能方面的研究由來已久。早在1985年，訓(xùn)練籃球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已被開發(fā)。訓(xùn)練者戴上特制的手套和眼鏡，在虛擬的空間里練習(xí)投球。與在真實環(huán)境中相比，在虛擬的空間里練習(xí)投球有其顯著的特點及優(yōu)勢。如模仿真實世界中球的運動軌跡，并控制其運行的速度以適應(yīng)訓(xùn)練者的訓(xùn)練進程。開始時，球下落的速度非常緩慢，以便使訓(xùn)練者看清球運行的路線，找出偏差，調(diào)整自己的動作。隨著訓(xùn)練者投籃準確率的提高，球速也開始加快，直到球速與現(xiàn)實中的完全相同。最終，訓(xùn)練者掌握了投籃技巧，并且這與在真實的世界里練習(xí)的效果沒有多大區(qū)別。后來美國Michigan大學(xué)虛擬實驗室的學(xué)生開發(fā)了一套運用于足球訓(xùn)練的系統(tǒng)--Virtual Football Trainer。這套系統(tǒng)為使用者提供了一個近乎真實的訓(xùn)練場景，非常適合訓(xùn)練足球隊員的實戰(zhàn)能力。

虛擬實訓(xùn)在國內(nèi)的研究主要集中在高校和職業(yè)院校應(yīng)用。例如，北京航空航天大學(xué)計算機系是最早進行虛擬現(xiàn)實研究、最具權(quán)威的單位之一，研發(fā)了用于飛行員訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實演示系統(tǒng)，研究了虛擬環(huán)境中的物理特性的表示和處理并提出相關(guān)算法和實現(xiàn)方法。北京科技大學(xué)鐘延烔教授研制的VR-4的汽車駕駛模擬器，模擬仿真各種路況上進行駕駛技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，產(chǎn)生逼真的效果。VR-4可以提供多項教練場的正常條件下無法提供的訓(xùn)練項目，如惡劣天氣

下的訓(xùn)練，跟隨前車的訓(xùn)練等。

三、虛擬實訓(xùn)資源的開發(fā)

實訓(xùn)資源相對缺乏，加上上課時間可訓(xùn)練的時間有限，限制了同學(xué)們課后實訓(xùn)練習(xí)。

因此，在立體化教學(xué)資源的建設(shè)，主要解決實訓(xùn)資源的相對缺乏及如何引導(dǎo)學(xué)生完成實踐任務(wù)，并留有足夠的時間完成各個環(huán)節(jié)的學(xué)生綜合評價問題。

針對項目化的教學(xué)內(nèi)容，通過虛擬技術(shù)Solidworks composer軟件創(chuàng)建虛擬實訓(xùn)資源，借助于多媒體教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生完成教學(xué)過程。在立體化實訓(xùn)教學(xué)資源的建設(shè)中，為保證與工業(yè)現(xiàn)場的一致性，采用三維建模技術(shù)，按照實際元件的圖紙尺寸建立立體元件庫，結(jié)合實際的實驗平臺建立元件調(diào)用和系統(tǒng)構(gòu)建平臺。三維液壓仿真設(shè)備與真實的YCS-A液壓實驗臺的結(jié)構(gòu)及工作原理完全一樣的功能，可以仿真操作、任意拆裝、任意設(shè)置故障、排除故障，所有的設(shè)備元器件及儀器儀表能夠根據(jù)其相應(yīng)的物理屬性實時做出反應(yīng)，就跟學(xué)生操作真實實驗設(shè)備的效果一樣，達到學(xué)生動手實驗實訓(xùn)的目的。對比現(xiàn)有課程資源主要進行四項轉(zhuǎn)化：

1、二維圖片立體化，改變傳統(tǒng)教學(xué)圖片的展示，將液壓實驗臺和氣壓實驗臺及液壓與氣壓的所有元件通過實地測量，然后借助Solidworks軟件進行建模，渲染，使更加形象、逼真。

2、靜態(tài)過程動態(tài)化，改變液壓和氣壓元件工作過程的靜態(tài)分析，借助Composer軟件對已建好的實驗臺及模型進行拆裝動畫及回路的拆裝及工作原理的動畫，通過機構(gòu)仿真和動畫技術(shù)實現(xiàn)靜態(tài)過程的動態(tài)化，完成二維到三維再到動畫的轉(zhuǎn)換。如圖1所示：

3、系統(tǒng)機構(gòu)可視化，通過Solidworks軟件剖視、透明等技術(shù)，將工作臺及所有的液壓元件的結(jié)構(gòu)及工作過程完全展示，每一個液壓元件都是透明可見，將一些簡單的液壓回路，在虛擬的實驗臺上進行搭建，可以交互操作。如圖2所示：

4、教學(xué)實訓(xùn)資源網(wǎng)絡(luò)化，所有的實訓(xùn)教學(xué)資源均為電子文件，借助于網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)遠程實訓(xùn)教學(xué)和自學(xué)環(huán)節(jié)的虛擬仿真實驗平臺。

四、虛擬實訓(xùn)資源的應(yīng)用推廣

1、運用現(xiàn)代教育技術(shù)，計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)等充分發(fā)揮各種媒體的優(yōu)勢，將各種相互作用、相互聯(lián)系的媒體和資源有機地整合，形成了立體化、網(wǎng)絡(luò)化、精品化教學(xué)實訓(xùn)資源庫。立體化實訓(xùn)教學(xué)資源的實施，深化了校企合作的教學(xué)模式；克服了教材形式的單一性，提高了其實用性，滿足了現(xiàn)代學(xué)習(xí)者個性、自主性和實踐性的要求。既充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，又充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，創(chuàng)建了有利于大學(xué)生素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式；

2、教學(xué)實訓(xùn)資源既為教師備課提供了規(guī)范而有彈性的參考，又為教師實施教學(xué)提供了完善便于操作的技術(shù)支持。資源庫的教學(xué)素材豐富且新穎，既增加了教學(xué)的容量，充實、拓寬了教學(xué)內(nèi)容，增強了教學(xué)的時代感，又提供了比較完整的教學(xué)解決方案，最大限度滿足了教學(xué)要求。同時改進了教學(xué)方法和教學(xué)手段，使教學(xué)中抽象、難以理解的內(nèi)容變的生動直觀，達到黑板授課不可比擬的效果，從而突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式。建構(gòu)了有利于大學(xué)生素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式。

3、為學(xué)生提供了良好的學(xué)習(xí)平臺。為學(xué)生提供了一個具有科學(xué)性、先進性、易操作的網(wǎng)上學(xué)習(xí)環(huán)境。增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的信息量，有利于學(xué)生課外學(xué)習(xí)的輔導(dǎo)，使教學(xué)活動實現(xiàn)了從信息的單向（教師對學(xué)生）傳遞向雙向（師生之間）乃至更廣的范圍（生生之間、教師之間、教師與社會之間）交換傳遞的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了交互教學(xué)及人機結(jié)合、師生結(jié)合、課內(nèi)外結(jié)合，大大提高了教學(xué)效率和效果。為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供多樣的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具，有助于啟迪學(xué)生的形象思維，提高學(xué)習(xí)效率。完善教學(xué)實訓(xùn)室的建設(shè)與管理。

五、結(jié)束語

根據(jù)高職教育的培養(yǎng)模式，全面提高學(xué)生素質(zhì)和能力。以信息技術(shù)的有效應(yīng)用為突破口，建設(shè)立體化實訓(xùn)教學(xué)虛擬實訓(xùn)資源，改造提升傳統(tǒng)教學(xué)，加快信息技術(shù)應(yīng)用。大力開發(fā)數(shù)字化專業(yè)教學(xué)資源庫，應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，豐富教學(xué)形式、提高教學(xué)效果，促進優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間。拓展學(xué)習(xí)時空， 結(jié)成學(xué)習(xí)同盟， 化解學(xué)習(xí)難點，提高學(xué)習(xí)成效。從而推動《液壓與氣動技術(shù)》課程的改革與發(fā)展，為現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)做出貢獻。

參考文獻

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