虛擬仿真技術(shù)解決實訓教學痛點：以承德石油高專焊接實訓為例

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(承德石油高等專科學校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

隨著科技發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被應用于各個領(lǐng)域中。當前國內(nèi)許多高校教師[1-3]將VR、AR等虛擬仿真技術(shù)引入到實訓教學中，極大的提高了教學質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)融入課堂后，既豐富了教學載體，又促進教學內(nèi)容被學生理解和接收。許多學者[4-5]分析總結(jié)了傳統(tǒng)焊接實訓教學中存在的問題。本文以AR虛擬仿真技術(shù)為例，闡述其在解決教學痛點中的應用。

1 教學痛點分析

在焊接實訓教學中存在的諸多痛點中，最主要有三點：

1)操作過程不易觀察，技術(shù)要領(lǐng)難糾正

焊接操作要求全程戴面罩，加上視角局限性，操作者很難觀察整個過程中技術(shù)參數(shù)變化，如弧長、工作角、運條速度等。這些技術(shù)參數(shù)對焊接質(zhì)量至關(guān)重要，由于無法直觀感受，糾正起來需要大量實踐，耗費大量人力。

2)焊接材料消耗大，投入大量成本

焊接技術(shù)的掌握，需要大量操作，材料消耗巨大，需要投入大成本。以簡單的平敷焊為例，該技術(shù)的掌握，至少需要幾十根甚至上百根焊條。

3)環(huán)境惡劣，容易產(chǎn)生人身傷害

焊接操作環(huán)境惡劣，會產(chǎn)生高溫飛濺物、弧光、煙塵等。即使在安全防護工具下操作，仍然不可避免的出現(xiàn)燒傷、燙傷、弧光打眼、熱輻射等危害。

2 仿真技術(shù)在教學中應用

SOLDAMATIC是西班牙公司SEABERY旗下利用增強現(xiàn)實進行虛擬焊接培訓的產(chǎn)品。目前，SOLDAMATIC是世界唯一一款增強現(xiàn)實虛擬焊接設備。SOLDAMATIC通過與德國焊接協(xié)會(DVS)、德國焊接學會(GSI)、美國焊接協(xié)會(AWS)共同制定權(quán)威的培訓標準，打造了基本可涵蓋所有焊接應用的課程。以平板V型坡口平焊對接為例，將虛擬仿真技術(shù)應用到教學中。

首先，教師通過教師端軟件設置課程內(nèi)容，包括母材成分、對接方式、焊條型號，運條方法、焊接長度等，如圖1。然后，教師可根據(jù)教學考查要求，設置過程技術(shù)考核參數(shù)如弧長、工作角、運條速度等。最后，學生練習。每次練習結(jié)束后，系統(tǒng)會根據(jù)教師設置的過程技術(shù)考核參數(shù)給予打分。每個考核參數(shù)均有分值說明，學生可以直觀的觀察到該技術(shù)參數(shù)在操作中的變化，如圖2。系統(tǒng)也會視頻記錄整個操作過程，方便回看，查找不足。這樣，學生的下次操作時有明確的改正點，技術(shù)的掌握與提高更快。

3 結(jié)果與討論

以平板v型坡口平焊對接為例，比較傳統(tǒng)教學與當前融入虛擬仿真技術(shù)后教學質(zhì)量變化情況。融入虛擬仿真技術(shù)教學是指學生通過虛擬練習，達到一定分值(也就是對技術(shù)參數(shù)掌握一定程度)后，在進行真正的實踐。由于授課時間不能改變，僅能從學生成績、物料消耗、受傷害程度上進行評價。

表1為傳統(tǒng)教學(班級1-3)和融入仿真教學(班級5-7)學生成績數(shù)據(jù)。比較發(fā)現(xiàn)，在班級平均人數(shù)相當條件下，融入仿真教學后，學生成績明顯好于傳統(tǒng)教學，優(yōu)秀率與良好率顯著提升。這說明經(jīng)過仿真練習后，學生對技術(shù)要領(lǐng)有了一定的認識。通過仿真訓練，學生可以通過仿真系統(tǒng)評價指標圖，發(fā)現(xiàn)操作參數(shù)與設定參數(shù)存在的差距與不足，進而糾正，再經(jīng)過反復練習后，強化肌肉記憶，在實操中更容易上手，因此，成績明顯提升。

表1 學生成績數(shù)據(jù)

表2為傳統(tǒng)教學(班級1-3)和融入仿真教學(班級5-7)學生物料消耗數(shù)據(jù)。比較發(fā)現(xiàn)，在班級平均人數(shù)相當條件下，融入仿真教學后，焊條消耗每班平均消耗8.7包，低于傳統(tǒng)教學的10.7包，鋼板消耗由10.7塊/班降低到7.7塊/班。一方面，在同樣學習時間條件下，仿真訓練的融入占據(jù)了一定的實操時間；一方面，仿真訓練中，焊條、鋼板都是虛擬的，并非真正的消耗。更重要的是，學生通過仿真練習，技術(shù)掌握更好，減少了焊條的損壞，使用率更高，焊縫成型效果更好，鋼板的空間利用率更大。結(jié)合前面學生成績，不難得出：在同樣學習時間條件下，融入仿真教學不僅提高了學生成績還節(jié)約了焊接耗材。

圖3統(tǒng)計了6個班級學生燒燙傷、打眼人次數(shù)。不難發(fā)現(xiàn)，仿真訓練的融入極大的減少了學生受傷害程度。傳統(tǒng)教學由于操作時間相對較長，學生對技術(shù)要領(lǐng)掌握不足，出現(xiàn)燒燙傷、打眼的概率更大。虛擬仿真訓練中，學生即使出現(xiàn)不正當操作，出現(xiàn)的傷害也是“假象”。通過這種“假象”，學生更清楚自身出現(xiàn)的錯誤，這樣就可以降低甚至避免實操中出現(xiàn)類似問題，從而減少傷害事故的發(fā)生。

表2 焊條、鋼板消耗情況

4 結(jié)論

通過比較融入虛擬仿真教學與傳統(tǒng)教學在學生成績、物料消耗、傷害程度的教學數(shù)據(jù)，不難得出結(jié)論：虛擬仿真教學的融入，解決了操作過程不易觀察，技術(shù)要領(lǐng)難糾正問題，學生成績明顯提升；焊條消耗大大降低，節(jié)約了成本；學生的實習環(huán)境得到了改善，受到傷害的概率有所降低。虛擬仿真技術(shù)的融入不僅解決了焊接實訓中的痛點，還豐富了教學內(nèi)容。學生通過虛實結(jié)合練習，對技術(shù)要領(lǐng)的掌握理解更加快捷高效。