虛擬仿真技術在實訓教學中的應用研究

靳紀軍 李雪琴 劉冬冬 郭衛(wèi)萍 馬少華

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，虛擬仿真技術逐漸地進入人們的生活，在大部分領域都得到了應用。近年來，虛擬仿真技術在教學過程中也得到了廣泛應用。教師通過虛擬仿真教學可以讓抽象的物體變得具體，讓模擬場景出現(xiàn)在課堂，減少對現(xiàn)場的依賴。比較高危險的實習也可以通過模擬場景來完成。本著高效、具體、便捷、安全的優(yōu)點，本文對虛擬仿真技術在實訓教學中的應用進行探討。

關鍵詞：虛擬仿真技術;實訓教學;應用研究

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0141-02

我校有很多課程都需要理論和實踐交叉學習，但是修井作為一門交叉學科，即使教師講授了很多高質量的理論知識，由于學生缺少修井的實踐操作環(huán)節(jié)，對學生日后的綜合能力發(fā)展是極其不利的。類似修井學科的實踐需要去到有油田、有井的地方，而且現(xiàn)場操作存在一定的安全隱患。而通過虛擬仿真教學技術可以演示運行一些復雜的過程，學生在學校里面就可以親身的感受生產(chǎn)一線的場景氛圍，完成與現(xiàn)場一致的各種實踐訓練。通過虛擬技術教學，學生可以實現(xiàn)在校內便捷高效的學習，對理論的理解也可以更加深刻，還能避免一些危險操作。虛擬仿真教學對于學生的創(chuàng)新能力和理解能力的提高也具有一定的促進作用。虛擬技術在教學中的使用可以幫助節(jié)省教學實踐空間，節(jié)省教學經(jīng)歷和金錢，對傳統(tǒng)的教學模式也有一定的打擊。下文對虛擬仿真技術在實訓教學中的應用進行研究。

1 加強3D教學技術的研究

修井學科需要運用到很多的工具，例如，檢測工具、打撈工具、刀具型切割工具、倒扣工具、套管刮削補接類工具、鉆孔類工具等等。傳統(tǒng)課堂教師都是直接拿取實物工具或者模型給學生直觀的觀察并講解工具的使用和結構。但是修井的大部分工具由于拆除難度大等問題很難帶到課堂給學生觀察，內部結構和使用方式通過PPT也比較難讓學生理解。通過虛擬仿真技術，工具的結構和使用方法就可以很直觀地表達出來，解決了工具無法帶入教學課堂的問題，提升教學的質量和效率。因此，相關人員應該多加強3D教學技術的研究，可以通過開發(fā)三維動畫滿足教學的要求。3D動畫的內容應該包括工具的結構、使用原理、安裝等講解。為了保持工具的逼真程度，3D技術的工具三維模型應該按照工具進行1：1的建模，讓工具更加的逼真，太大太小都不符合實訓的標準。在講解工具的時候，注意字體的配備、擺放位置，必要時候應該根據(jù)圖文配備相關的解說詞。講解工具的時候應該使用標準的普通話，確保課堂的標準性。為了視頻的清晰，視頻的輸出采用mp4或者avi格式[1]。虛擬仿真技術要想在教學中得到精確完美的運用，必須要加強3D教學技術的研究，讓場景更加的逼真，學生能夠融入逼真的場景當中。

2 學生分組合作，教師輔助學習

大學的學習講究的是學生的自主性。在采用虛擬技術進行修井學科的學習時，教師需要幫助學生發(fā)揮他們的自主學習性，培養(yǎng)他們的自覺自律能力。不能再采用傳統(tǒng)的教師講課-學生聽的模式，這種模式的學習已經(jīng)不再適用于目前現(xiàn)代化教育的發(fā)展。教師可以采用學生分組學習法，讓學生在組里面自學討論。教師再對學生自學的不全面的地方進行詳細的講解，發(fā)揮虛擬仿真技術和工具利用的最大效果。例如，教師可以提前把教學的內容和教學的重點告訴學生，讓學生在小組里面自主討論自主學習。在學生自主學習的過程中給他們配備相應的學習任務，可以每個小組講解1～3個工具的使用方法、原理等，其他小組可以對講解小組存在不足的地方進行補充。教師在聽小組講解以后，針對小組講解得不全面的地方繼續(xù)進行補充。這樣的學習方式可以調動學生的積極性，明確學生的主體地位。由于是學生自主討論學習的結果，學生也會對工具有更深一步的理解。這也需要學生掌握部分仿真虛擬技術的信息，在講解的時候可以把虛擬仿真技術運用到學習中來。總之，在虛擬仿真教學技術中教師要確保學生的主體地位，并起到輔助的作用。

3 設計相關阻礙，引導學生創(chuàng)新思考

在學生掌握了相關工具的使用和原理以后，教師可以利用仿真模擬技術設計一些在施工過程中可能會出現(xiàn)的問題，讓學生自主思考，運用創(chuàng)新思維去解決問題[2]。根據(jù)具體的學習情況來創(chuàng)設情境，例如，可以設計震擊工具掉進井內，讓學生操作仿真設備將其打撈上來。學生在分好的小組內進行討論，想出解決方案并記錄下來。在學生日后的學習中，有故障和突發(fā)事故，教師可以通過設計障礙，可以鍛煉學生的應變能力，發(fā)散學生的思維能力和創(chuàng)新能力。如果不設置阻礙的話，學生只會按部就班的根據(jù)教師講述的知識進行運用，導致發(fā)生意外的時候找不到相應的解決方法。在課堂上，教師需要加強學生的討論，引導學生進行思考，活躍課堂的氛圍。

4 加強學生的實訓能力

學生分成小組，小組內討論出相關的工具類型并設計出來。教師指導學生進行工具的設計，并對工具進行進一步的加工。利用虛擬仿真技術和模型設備進行現(xiàn)場的實際操作，驗證工具是否具有作用。學生在這個過程中也可以鍛煉創(chuàng)新思維和動手能力。根據(jù)虛擬仿真技術的情景性，建立虛擬的采油，修井的場景，展示修井或者采油的逼真場景內容，讓學生有身臨其境的感覺。教師在實訓的階段，運用虛擬仿真技術輔助學生學習，加強對學生的指導以及與學生多加溝通交流。學生在虛擬仿真技術中可以調控空間的場景，使用工具的大小、材料等，加強學生的實訓能力。教師根據(jù)學生在實訓中的表現(xiàn)，找到他們不足的地方，并及時對學生的錯誤進行糾正和指導。

5 加強虛擬仿真技術的設備開發(fā)

為了讓學生能夠在虛擬仿真技術中體驗到現(xiàn)場逼真的情境，那么仿真虛擬技術的開發(fā)必須要滿足人類的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官。因此。虛擬仿真技術的設備開發(fā)也要嚴格謹慎。建模設備需要用到計算機和3D掃描儀，學校還要配備高清逼真的顯示設備，比如模擬的頭盔、眼睛全方位顯示器、終端和大屏幕的液晶光匣眼鏡，洞穴式顯示系統(tǒng)等，讓學生可以處于逼真的模擬情境中進行學習。為了讓學生的體驗更加真實，還需要運用到三維立體聲和語音識別讓學生的聽覺也融入模擬的場景當中。在實踐操作的時候，需要用到交互設備，比如數(shù)據(jù)手套、力矩球、操作桿、觸覺裝置等。讓學生可以全身心的投入仿真虛擬技術當中，加強學生對學科的學習[3]。

相關的軟件技術對于虛擬仿真教學也十分的重要。學校還需要設置虛擬仿真教學管理系統(tǒng)，教師和學生可以通過在線教育隨時進行交流。虛擬仿真教學系統(tǒng)只有學校的教師和學生可以登入使用，需要設置一定的權限和密碼。保護教師和學生的個人信息、學校的資料、教學資源等。教師和學生通過虛擬仿真教學系統(tǒng)還可以完善翻轉課堂的教學，方便高效又快捷。虛擬仿真實訓識圖和構造軟件也需要得到完善。需要把二維圖紙和三維模型融合在一起，對相關的場景，工具等細節(jié)進行展示，學生可以在三維圖像中對抽象的理論有更好的理解，教師的教學也會更加的輕松高效。除此之外，虛擬仿真教學模式還需要相關的繪圖軟件，例如Autocad、3Dmax、Sketchup、Photoshop等設計軟件。

Solodworks是一款三維的設計軟件，它不僅功能強大而且組件類型多，對于新手也很適用，技術也符合現(xiàn)代教學的發(fā)展。其可以使用全動感的用戶界面，動態(tài)界面十分的完整，并且可以通過鼠標進行簡單的控制，方便教師教學使用。教師或者管理員可以簡單高效的管理整個界面的設計和使用步驟，設計數(shù)據(jù)和參數(shù)也可以得到使用。對于CAD文件可以方便地管理，給教學資源準備強大的貯存空間。而且在教學的過程中，教師可以把二維的設計圖轉變成三維的實體設計，方便教師的教學工作。教師根據(jù)自己教學的學科，找到相關的虛擬仿真技術來適應自己的課程教學內容，加強仿真技術設備的開發(fā)[4]。

6 虛擬仿真技術在教學中的應用

虛擬仿真技術的實訓要根據(jù)專業(yè)的特性來進行開發(fā)，在教學的時候確保虛擬仿真的交互性和實訓性。教師通過虛擬仿真技術來講解教材的內容，學生可以更好地明白教材上的理論。學生通過實訓來完成相關的操作內容，因此，虛擬仿真技術融合教學必須具備延續(xù)性、實用性和高效性，使虛擬仿真模擬技術可以用于石油類學科的實訓。教師可以把教學的實訓變成游戲，讓學生在游戲通關中學到實訓的知識。例如，教師可以先對學生講解實訓操作的步驟和要求，學生需要通過闖關和比賽的方式進行通關。通過仿真虛擬技術，在學中玩，在玩中學以便更好地提高學習的效果。可以分成兩個學生進行比賽，虛擬仿真系統(tǒng)對學生每次的通關實訓進行打分，超過標準的分數(shù)才能進入下一關的學習。最后，學生通關的整體成績通過仿真虛擬系統(tǒng)顯示出來。教師通過系統(tǒng)分析出來的分數(shù)對學生進行指導，解決學生在通關過程中出現(xiàn)的問題。同學的工具使用是否正確，身姿是否標準，步驟有沒有出錯等問題，教師要詳細地告訴學生，避免學生再次出錯。學生也可以反應在仿真虛擬通關的過程中，系統(tǒng)的不足和弊端，教師可以及時的進行調整和改進，滿足學生的要求，提高虛擬仿真的效果[5]。即便現(xiàn)在的PPT和flash教學已經(jīng)融入了很多教學的課堂，但是這些設備給出來的圖形都是二維的，比較單一，難以進行全方位的觀察。虛擬仿真系統(tǒng)可以根據(jù)相關的課程，設置圖畫的基本信息、軸測圖、透視圖、剖析面等。還可以把物體進行隨意的拆分和疊加。虛擬仿真系統(tǒng)中的模型界面可以相互的轉換，提高學生對抽象圖形的理解能力和空間思維能力。

7 加強虛擬仿真技術的交互性

一個完整的虛擬仿真系統(tǒng)需要應用開發(fā)的平臺，包括硬件開發(fā)和軟件開發(fā)平臺。圖像的生成處理和應用對象的虛擬顯示需要硬件和軟件開發(fā)平臺。例如VRP虛擬現(xiàn)實平臺，具有完全自主知識產(chǎn)權并直接面向三維美工[6]。不僅可以用在城市規(guī)劃、室內設計、工業(yè)仿真、古跡復原、道路橋梁設計，還可以利用在房地產(chǎn)銷售、旅游教學、石油挖掘、水利電力和地質災害方面。無論是哪一個學科或者專業(yè)的教學都可以采用VRP來加強交互實踐教學。虛擬仿真教學的目的除了增進課堂的質量以外，還為了避免某些高校的設備不足的缺失，學生可以通過仿真虛擬技術進行實訓。利用仿真虛擬技術進行實訓的話，教師和學生可以在實訓的過程或者課后討論課程問題和操作性問題，高效快捷。通過新型的學習，提高學生對學習的興趣，鍛煉學生的創(chuàng)新思維，確定學生的主體地位。

8 結束語

科學技術和社會不斷地進步，虛擬仿真技術的使用也逐漸地融入人們的生活當中。教育也需要跟進時代的步伐，在教學中融入虛擬仿真技術對教學效果和質量有很大的幫助，它可以解決很多傳統(tǒng)教學模式的問題。本文從加強3D技術的研究和探討、學生分組教師輔助、設計阻礙引導學生思考、加強學生實訓能力、加強虛擬仿真技術設備的開發(fā)、虛擬仿真在教學中的應用、加強虛擬仿真技術的交互性這幾個方面進行探討。虛擬仿真技術在教學中的使用，加強了實訓教學的安全性，讓學生可以在課堂直接體驗逼真的場景。并且在一定程度上鍛煉學生的思維能力，創(chuàng)新能力。在教學中融入虛擬技術是一種教學的進步，其滿足社會發(fā)展的需求。但是模擬仿真技術在教學中的發(fā)展還存在些許不足，需要專業(yè)人員繼續(xù)在研究的路上下工夫，促進教學的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 郝翠霞，葉暉.工業(yè)機器人實訓課程的虛擬仿真教學研究[J].實驗技術與管理，2018，35（6）：144-146.

[2] 楊中興.虛擬仿真實訓系統(tǒng)在實訓教學中的應用研究[J].遼寧高職學報，2018，20（2）：40-43.

[3] 向孌，陳亮.電站虛擬仿真技術在高職實踐性教學中的應用[J].集成電路應用，2019（5）：91-92.

[4] 劉冬冬，馬建民，曲本全，等.采油實訓教學中仿真技術的改革與創(chuàng)新[J].課程教育研究，2019（1）：241.

[5] 楊柳.虛擬仿真技術在4G技術課程教學應用中的實踐與探索[J].數(shù)碼世界，2018（6）：322.

[6] 馬國光，何金蓬.虛擬仿真在LNG技術卓越人才培養(yǎng)中的應用與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（1）：185-188.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】