計算機虛擬技術在工科類教學中的應用

劉海波

[摘 要] 完備的教學實訓設備是提高學生職業能力的有效保障，而受到場地、學生數量、資金等因素的制約，特別是對一些工科類專業而言，一般實訓室只能滿足部分課程項目的訓練，想要滿足完整的教學和科研需求，則要以投入大量資金為基礎。

[關 鍵 詞] 虛擬技術；液壓傳動；工科類教學

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）05-0170-01

當前，隨著就業形勢的改變和我國對職業教育的大力推進，越來越多的學生和家長意識到，只有熟練掌握一門專業技能，在就業時才能得到用人單位的認可。各高校也在為增強學生實踐能力投入了大量人力和財力。完備的教學實訓設備是提高學生職業能力的有效保障，而受到場地、學生數量、資金等因素的制約，特別是一些工科類專業，一般實訓室只能滿足部分課程項目的訓練，想要滿足完整的教學和科研需求，則要以投入大量資金為基礎。所以，并不是所有學校都能及時、保量地進行設施設備的添置。因此，利用計算機建立虛擬實訓教室，就是對傳統實訓室實操項目的一個有效補充。

本人當前工作所在學校，開設了汽車、建筑、道橋工程等多個相關專業，很多工科專業均開設了液壓傳動技術課程。針對構建液壓實訓室費用高、元器件多、占地面積大的特點，我院對液壓傳動課程進行教學改革，通過各專業教師的合作，現已開發出計算機液壓傳動虛擬教室系統，并應用在課程教學中，取得了良好的效果。

液壓傳動技術課程是高校機械類、近機械類專業一門非常重要并且實踐性很強的專業技術課程，掌握液壓元件的內部結構和工作原理、合理的分析液壓基本回路和典型系統，是學好液壓傳動課的基礎。如何讓學生在仿真的環境下理解和掌握各元件內部結構和工作過程，對教學目標的完成和技能的培養起著至關重要的作用。

為了滿足實驗要求并減少不斷購買新元件、新設備的資金投入，將液壓元件的結構、原理用計算機虛擬技術表現出來是教學改革的一種新的嘗試，合理開發虛擬仿真技術可以有效地提高教學效果、降低投入成本、強化學生職業素質的培養。通過接近于工程實際的綜合訓練能較好地滿足當前創新型實踐教學和能力培養的要求，是目前高校教學改革的一個重要發展方向。

虛擬技術能生動形象地表現教學內容，有效地營造一個跟隨技術發展的教學環境。基于網絡的虛擬教室具有教學時空的無限性和人機優勢互補性，具有智能化、更形象逼真等優點，可以將教學與實驗結合起來，能實現以學生為主體的教學。同時通過先進的計算機技術，還可以把不同教學內容按教學目標的要求組成一個有機的整體，極大地增加了授課的信息量，提高了課堂教學的效率和教學質量。這種網絡化的實驗教學方式，可以使傳統的實驗在時間和空間上得到擴展。

構建虛擬技術平臺的意義在于：液壓傳動技術仿真學習平臺堅持以學生為主體、教師為主導的原則，盡可能使設計的界面便于操作和使用，學習內容形象直觀，避免學習過程的枯燥。

課程改革所利用的虛擬仿真技術及液壓傳動技術仿真學習平臺具有以下特點：（1）為學生提供便利詳盡的學習資源，可最大限度地實現各專業學習的共享；（2）該平臺存儲了豐富的實驗項目，學生可以系統地完成該技術的學習；（3）學習者可以根據自身需求有選擇地安排學習環節，將大大提高教學和學習效率。

課程改革涉及的主要技術性能指標有：（1）可應用Solidworks軟件構建三維動畫及拆裝過程；動畫部分運用Flash CS軟件構建液壓元件原理動畫和油路及系統動畫；運用Camtasia studio軟件完成原理視頻的處理；應用Unity3D建立虛擬場景、制作虛擬拆裝交互程序；用moodle搭建網絡交互式教學環境。（2）平臺系統包含三維模型庫、平面原理庫、視頻庫及學習自檢系統。（3）具有無紙化考試功能，可以考查學生知識、技能的掌握情況，自動評分。

在直接經濟效益方面，以2015年9月至2015年12月和2016年3月至2016年7月，在我院汽車修理和工程機械專業應用液壓傳動技術仿真學習平臺節支情況進行計算：兩屆汽車修理和工程機械專業學生通過應用該平臺，實驗設備購買節支3.80萬元，實驗損耗節支0.78萬元，教師指導費用節約0.52萬元，教師培訓節支0.48萬元。三項合計為3.80+0.78+0.52+0.48=5.58萬元。在過去的一年里，我院年輕教師和汽車專業的部分學生應用該學習平臺學習液壓傳動技術課程，不僅節約了時間，同時節約了相應的培訓費用。

本項課改項目還具有入門難度低、設備費用低、應用領域廣的優點。此項目并不局限于液壓課程，其他工科類課程均可以通過計算機虛擬技術進行實訓場景的模擬。

隨著IT技術的發展，互聯網已深度融入工作生活的方方面面，各種虛擬技術也日新月異，VR、AR虛擬技術也進一步應用到工業、民用領域。仿真學習平臺作為一種新的教育形式，具有重要的意義，通過接近于工程實際的綜合訓練，較好地滿足了當前創新型實踐教學和能力培養的要求，同時可以減少不斷購買新元件、新設備的資金投入，對有效地提高教學效果、強化學生職業素質的培養、提升教師的能力等都起到了非常積極的作用，是高校教學改革的一個重要發展方向，并呈現出廣闊的發展前景。

參考文獻：

[1]張靜，肖明.開放式虛擬結合的實驗教學模式的研究與探索[J].中國電力教育，2014（36）.

[2]吳旭.基于虛擬現實技術的職業學校網絡課程中實訓室建設[J].科技傳播，2011（6）.