虛擬拆裝在CAI創新實踐中的教學應用研究

王迪 高翔 朱紅波 李凡 徐春霞

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以SolidWorks Composer為虛擬仿真平臺開發一套多級離心泵的虛擬拆裝系統。利用三維實體軟件創建多級離心泵零部件模型并利用約束關系配合成裝配體，將模型導入到虛擬仿真平臺上，借助工業現場設備的作業指導書，將正確拆裝流程圖開發成人機交互功能。學生通過操作可對多級泵進行虛擬拆裝，進一步加深設備內部裝配關系和結構原理，同時教師對多級離心泵的拆裝流程作出正確評價，且保證拆裝人員安全和減少設備損耗等問題。

[關? ? 鍵? ?詞]? SolidWorks Composer;多級離心泵;實踐教學;虛擬拆裝;創新

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）09-0122-02

離心泵的拆裝是高職教育“化工設備維修技術專業”的核心課程——“化工泵的運行維護與檢修”實踐教學中的重要組成部分。在課程實踐教學中，通過拆裝離心泵實體，熟悉了解泵體的正確拆裝流程以提高維修操作技能，但在后續的實踐教學中往往遇到一系列問題，諸如：由于課堂教學人數較多，工位數量有限的問題;由于設備反復拆裝造成零部件不可逆修復問題;學生操作規程錯誤，造成人身安全問題;對于常規實踐課程消極怠慢，不主動不積極等，此時傳統實踐教學急需改進。而隨著國家鼓勵大眾創新，提倡高校創新成果轉化，利用CAI（Computer Aided Instruction）——計算機輔助教學方法進行創新實踐，對傳統教學模式改革已迫在眉睫。2010年高職國家級精品課也明確評審指標：應建立虛擬仿真教學環境如虛擬工廠、虛擬工位、虛擬項目等，通過優化教學過程，提升教學效果[1]。本文作者將基于Solidworks Composer的虛擬仿真平臺用于多級離心泵的實踐教學中，形成一種新型的計算機輔助授課模式，即“CAI系統+實踐教學”。

一、CAI教學特點

姜大源[2-3]認為職業教育不僅要為社會培養高素質技術技能人才，也要承載學生滿足自我個性和形象思維的需求。我國領導人也多次提到，“大眾創新、萬眾創業”要堅持改革創新，通過創新引領就業、創業，作為教學引領者，教師更亦如此。當代職業教育的教學模式不斷創新，充分借助全新的信息技術作為媒介進行交流互動，利用計算機設計豐富教學模式是當前教學改革趨勢。CAI（Computer Aided Instruction）計算機輔助教學模式是利用計算機的人機互動對話，通過對圖像、文字、動畫等多種媒體技術進行教學的呈現和傳遞，并將其整合成交互性強的多媒體課件，以完成現代化教學的一種方式[4]。在CAI情境模式下，每一位學生都可以在模擬環境中進行虛擬學習，提高實踐教學效果。由于互聯網技術的迅猛發展，不斷涌現出新的教學形式，如網絡精品課程、微課、慕課、智慧職教云課堂等網絡教學，而通過設計軟件和信息平臺開發交互式課件是當前迫切的任務。

二、以多級離心泵虛擬拆裝為例

泵是用來輸送流體并給其增加能量的機械。泵的應用特別廣泛，種類繁多，在石油、化工、鋼鐵、船舶、農業、城市給排水等行業有廣泛的應用。多級離心泵是由兩個或兩個以上葉輪串聯工作而成，具有揚程高、流量均勻等特點，有文獻指出[5]多級離心泵的使用率約占泵使用總數的一半。在CAI教學中，通過展示多級離心泵的3D模型，設置截面剖視圖、局部透明度讓學生更清晰設備的裝配關系及結構原理。結合現場設備作業指導書，讓每一位學生對其3D模型在虛擬環境中進行拆裝，使其對設備內部結構及拆裝流程有更深刻的認識，最終達到較好的學習效果。

（一）虛擬展示設計

隨著信息技術的發展，三維虛擬展示將以其獨有的魅力取代傳統二維展示。三維虛擬展示以計算機媒體為依托，對產品展示具有全面性和體驗性等特征[6]。虛擬展示也將成為實踐性教學的重要組成部分，利用虛擬展示，它充分調動了人的視覺，讓學生一目了然。如多級離心泵簡圖如圖1所示，主要由吸入段、吐出段、泵體、儀表、閥門、電機、開關等幾部分組成。在進行虛擬展示時，其內部構件可進行階梯剖、可視化等設置如圖2所示，可以清晰中段、導輪、葉輪、密封環、密封墊片的內部裝配關系，最終生成的不僅僅是一個正確拆裝流程的視頻文件，還可以生成互聯網格式文件，將虛擬展示動畫發布于網上，學生課后也可以通過網站訪問，借助虛擬展示從視覺上獲取所需要的各種信息。

（二）虛擬現實設計

虛擬現實技術通過信息化手段模擬現實環境，將多源信息、三維視景、個人行為高度融合的系統仿真，具有極強的真實性和交互性。虛擬拆裝系統允許每一位學生根據自己不同的視角設計出拆裝方案，對比作業指導書，及時發現問題并糾正。例如圖3、圖4分別是學生虛擬拆卸多級泵的軸承組件、平衡盤裝置，拆卸步驟一目了然，最終生成exe文件上交。通過虛擬操作過程提高了計算機操作水平和創新能力，激發學生的求知欲和參與實踐教學活動的熱情，當前克拉瑪依職業技術學院機械工程系也成立了3D創新興趣小組[7]，借助虛擬現實平臺，師生共建開發新實訓項目，協助企業完成設備DQ改造展示。

三、結論

加強實踐性教學，培養技能型人才更有助于高職學生就業、創業，結合CAI虛擬仿真教學是當今職業教育探索發展的必然趨勢。較傳統機泵拆裝實踐課程教學模式，虛擬拆裝有如下幾方面的優點;

1.虛擬展示，提高教學效果。通過典型設備的3D模型剖視圖、局部放大圖、透明度顯示、動畫流程設置，使實踐性教學呈現和傳遞的知識更加豐富，讓學生更清晰設備內部的裝配關系和結構原理，加深了學生對學習內容的理解。

2.虛擬拆裝，提高操作水平。通過對計算機操作可實現3D模型的渲染、標識、縮放、旋轉、拆解、組裝等工作，完成個性化拆裝任務，提高學生對設備結構的認知效果，培養學習主動性和空間想象力，有效提升了整個課堂的教學效果。

3.節約成本，安全有保障。虛擬拆裝模型不存在設備維護保養及損耗等問題。虛擬拆裝，不受時間、地點等物理因素的限制，更重要的是用戶可以通過互聯網平臺進行操作。

參考文獻：

[1]蔣燕.基于虛擬企業的精品課程資源庫建設方案探索[J].中國職業技術教育，2013（32）：57-60.

[2]姜大源.完善職業教育和培訓體系：現狀、愿景與當務[J].中國職業技術教育，2017（34）：25-34.

[3]姜大源.職業教育學研究新論[J].職業技術教育，2007，28（15）：54-56.

[4]張俊蘭，劉雪玲.目前高校多媒體CAI教學模式淺析[J].山西高等學校社會科學學報，2002（4）：92-93.

[5]王琿.多級離心泵設計及其結構特性分析[D].大連：大連工業大學，2016.

[6]王軍良，解宇鵬，王仲勛，等.基于SolidWorks Composer的齒輪泵虛擬設計與展示[J].佛山科學技術學院學報（自然科學版），2018，36（6）：42-47.

[7]王迪，孫立強，李凡，等.高職課外實施“興趣小組”的實踐與研究[J].教育現代化，2019，6（62）：290-292.

◎編輯 曾彥慧