基于MR技術的軋制仿真實訓應用研究★

李 優，陳清勝，白雪清，孫 穎

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

引言

教學實訓設備在高等職業教育的日常教學中起到十分重要的作用，旨在培養學生具備良好的專業技能，助力學生理解理論知識，然而現有的軋制仿真實訓設備存在可視性較差、局限性較大，實訓設備成本較高、日常消耗大，實訓內容理論性強、理解難度大等缺點。為此，本文研究基于MR技術的軋制仿真實訓應用。

1 MR技術概述

混合現實（MR）技術是借助先進的計算機技術、圖像處理技術、人機交互技術和顯示設備，為現實世界、虛擬世界與用戶之間搭起一個能夠進行交互反饋的信息回路，生成一個新的具有真實性、互動性的可視化環境[1]。在此環境中，物理（現實）對象和數字（虛擬）對象共存并實時自然交互[2]。谷歌公司于2019年推出了Google Glass企業版增強現實眼鏡，微軟公司推出了Hololens2新款混合現實眼鏡，主要針對協同工作、輔助學習、虛擬設計等市場領域。混合現實領域的Magic Leap公司于2018年推出了混合現實眼鏡Magic Leap One，被視為微軟混合現實眼鏡的強有力競爭對手。

國內首屆MR全息技術教學應用研討會于2020年12月28日在廣州開幕，在此研討會上，共同探討、推進MR技術在課堂教學中的應用，從最前沿的MR技術應用角度出發，探索高效、智能、全息信息化教學模式，構建虛實交互、虛實遠程交融、跨空間和跨場景的教育教學新模式，促進以學習者為中心的個性化學習，推動課堂教學向混合學習模式轉型，提升院校信息化建設水平，提升專業內涵建設，提高人才培養質量，利用新技術，找準落腳點，探索、踐行新技術與智慧教育深度融合之道[3]。

2 軋制仿真實訓存在的問題

在軋制仿真實訓室可以進行鋼坯方向轉動操作、夾鋼機操作、除鱗操作、軋機壓下操作，學生可以完成壓下規程輸入、手動控制軋機輥縫、自動控制軋機輥縫等操作。目前，在實訓過程中主要存在以下問題：

2.1 實訓設備可視性較差，存在局限性

目前，實訓方式是學生按照實訓計劃操作手柄控制虛擬工件，學生可在實訓室大屏幕上根據流程圖看到當前實訓狀態，這對學生來說，實訓只是按要求完成了操作，初步了解了鋼鐵軋制的過程，實訓印象不深，而且鋼鐵企業軋制設備更新速度快，而實訓室使用的仿真模擬設備還是十多年前鋼鐵企業使用的設備。由于實訓室屏幕尺寸較小，顯示的實訓設備、場景等內容有限，實訓過程可視性較差，指向性不強，學生并不清楚每一步操作與實際工作過程中軋鋼設備、工件動作的詳細對應關系，與企業實際工況差距較大，實訓效果一般，對學生畢業參加工作后的實際指導意義不大。此外，軋鋼設備體積龐大，實訓室想要真實再現工廠生產過程基本不可能。因此，探索一種既節約空間又能完美再現鋼鐵軋制過程的實訓方式顯得尤為必要。

2.2 實訓設備成本較高，日常消耗大

自實訓室成立以來，每學期平均實訓學生300余人次1 000余實訓課時，而只有2臺設備可供使用，加之學生使用過程中不注意保護，導致搖桿、手柄等操作工具損耗大，設備經歷十余年教學使用老舊不堪，實訓設備和仿真軟件都亟待維修更新。近年來由于種種原因，一直未能予以維護，而學院具有深厚的冶金專業底蘊，軋制仿真實訓作為冶金專業學生培養核心技能的必備環節，具有舉足輕重的地位。

2.3 實訓內容理論性強，理解難度大

鋼鐵軋制過程專業理論性較強，對學生的知識儲備和專業素養要求較高，而學生普遍基礎較差，理論性強且枯燥的專業知識對學生吸引力較弱，學習的主觀能動性不足。實訓的作用是在學生學習完理論知識后通過實踐增進學生的理解，而實際情況卻是學生理論學習掌握情況較差，“欠賬”較多，需要通過實訓大量填補學習漏洞，這就將壓力轉移到實訓一側。目前的情況是，實訓設備的可視性弱、理論性強，而且實訓時間較短，內容安排較多，學生實訓存在走馬觀花現象，相當于學生學習完理論知識后又轉入下一個理論性強的環節，對學生而言實訓結束僅僅是按照實訓計劃完成了一遍操作，實訓效果一般，對理論課的指導輔助作用不大，未到達實訓教學安排的初衷。

3 基于MR技術的軋制實訓應用

在混合現實全息教學應用中，以工作過程為導向，利用百分百模擬企業生產環境幫助用戶在實訓過程中培養關鍵職業能力，呈現給學生更加直觀、真實的訓練內容，促成這種“實訓過程中的職業學習”新體驗式的學習模式，不僅可保證學生實習的安全性，更可提高學生掌握技能的速度和效率。

基于現有軋制仿真實訓平臺，使用MR技術研發一套軋制仿真實訓全息教學平臺，推進軋制仿真實訓室全面升級改造，智能全景展示鋼鐵軋制實際生產車間情景，內容新穎、互動豐富，并結合實際的教學實訓需求，把學生置身于現場車間親身感受就業后的工作流程、工作內容以及工作規則等，通過良好的人機交互功能實現操作人員控制鋼件動作完成實訓任務。

在全息教學模式下，通過對鋼坯、夾鋼機、軋機等工件和設備建立準確完整的三維模型，結合鋼件的軋制工藝從軋鋼設備的結構認知、外觀檢查到部件測量、參數調節、故障維修等專業技能等方面構建學習體系，實現知識的一體化、動態化和具有真實感的表達方式，讓學生在實訓中鍛煉專業技能、鞏固掌握理論知識，把學生的課堂參與互動性提高到100%、平均技能水平提高80%以上，努力實現教學效果較傳統模式有質的提升。軋制仿真實訓室主要被用于學生掌握鋼鐵軋制技術、競賽集訓、社會和企業人員職業培訓、1+X職業技能資格認定等，在對原有實訓項目進行增強的基礎上新增設冷軋板帶鋼、高速線材、型材生產仿真實訓。

MR技術在軋鋼專業學生實訓的應用更具獨特性和適應性，在傳統教學方法與手段難以滿足教學需要的情況下，以混合現實形式展示的虛擬與現實相結合，其立體化視覺體驗效果將會提高學生的學習興趣，以MR技術構建鋼鐵實際軋制生產場景，能更清晰地模擬冷軋板帶鋼、高速線材生產、型材生產等過程，使學生置身于現場車間親身感受工作情景、工作內容以及工作規則等，實訓效果將得到大幅提升。平臺能夠豐富和完善現有教學手段，消除原有仿真系統可視性差、指向性不清的缺點，在不占用教學空間的前提下擴大了學生的實訓視野，讓學生置身于企業生產一線，全身心地投入到實訓學習和實踐當中。通過在軋鋼工程專業開展應用MR技術的軋制仿真實訓試點，吸收總結平臺和實訓建設運營過程中的經驗教訓，為推廣該項技術的全面應用提供可借鑒、可復制的樣板案例。

4 MR技術的應用意義

4.1 提升實訓效果

MR技術可以通過3D虛擬場景把鋼鐵企業的生產設備與軋制仿真實訓室現有設備緊密結合起來，且不受空間限制，能夠開設多種不同生產產品、工藝的軋制實訓內容，學生實訓時可以看到每步操作對應鋼件發生的變化、主要軋鋼設備的工作狀態，并實時給出相應參數和知識點，輔助學生理解每步操作的工作原理。在MR實訓環境中，實訓氛圍輕松有趣，學生不會因操作失誤造成人身事故，同時降低對軟硬件設備的要求。該環境能為學生提供直觀真實的學習體驗，能提供真實鋼鐵企業生產環境的沉浸感和臨場感，學生能切實感受到實際工作的氛圍，實現真實的體驗式學習目標，大幅提高學生掌握知識原理和專業技能的效率，對提高學生職業技能、促進學生理解專業理論具有重要作用。同時，虛擬場景顯示的三維情景可以按用戶意圖旋轉，這是其他類型教學方法不具有的優勢，在幫助學生理解一些生硬干澀、理論性強的知識點方面更加形象具體，再輔以教師的專業講解，使學生掌握知識點的興趣和可能性大幅增加，有效緩解了知識講授過程中教師的壓力和難度。

4.2 助力三教改革

將MR技術應用于實訓教學，有助于改善學生學習方式、提升教學質量，強大的交互系統可以為學生學習創造巨大的學習空間，極大地激發學生的學習興趣和動力，同時為教師和學生學習體驗設計提供了更多教育機會，在教材和教法上可以排列組合出多種教學模式，使得無論是教師還是學生都有了更多選擇。對于一門實踐性很強的冶金專業學科——軋鋼工程技術，傳統的實踐教學方式容易使學生過分依賴教師，學生自主學習的興趣不高，而基于MR技術開發的虛擬實驗系統，在虛擬環境下實現軋鋼設備系統的控制，能夠讓學生不受時間、地點的限制進行教學實驗，同時具有較高的安全性，可以減少實驗室建設成本，提高學生自主學習能力。由于MR技術為存在于虛擬空間，當企業的生產設備和技術更新時學校可以及時修改模擬系統，做出相應調整，而不需要更換實訓設備，可為學校縮減開支和時間，保證實訓內容保持與一流鋼鐵企業最新技術一致，避免學生就業后不能快速適應工作環境的尷尬現象。同時，混合的課堂虛擬環境為教師提供了一個標準化、低風險、有針對性的技能實踐場所，有助于鍛煉教師課程教授、課堂管理等方面的技能，反思教學過程、增強教學信心[4]。

探索出將MR技術應用于高職軋鋼工程技術課程的實現途徑和主要內容，總結并歸納出MR技術與高職鋼鐵軋制課程的有機融合策略及其評價方法，為其他專業開展基于MR技術的課程教學模式改革提供借鑒。利用廣大師生在不斷的實訓教學過程中產生典型的學習、交流和優化案例，并且不斷動態調整更新，最終形成不受時間與空間約束的實時共享案例資源，總結得出共享型教學應用模式，把這種模式創新性地應用于軋鋼工程技術其他課程建設，最終將這種成功經驗推廣到其他專業的課程建設，為新時代教材、教法改革提供可推廣復制的樣板案例。

5 結語

以MR技術為支持開展實訓教學任務，能夠豐富和完善現有教學手段，賦予教師更多的教學方式和教學選擇，消除原有仿真系統可視性差、指向性不清的缺點，在不占用教學空間的前提下擴大了學生的實訓視野，讓學生置身企業生產一線，全身心地投入到實訓學習和實踐當中，高仿真度的實訓模式能夠促進學生快速具備和掌握符合新時代社會主義接班人和建設者的職業素養和專業技能。