基于MR技術(shù)的軋制仿真實訓(xùn)應(yīng)用研究★

李 優(yōu)，陳清勝，白雪清，孫 穎

（山西工程職業(yè)學院，山西 太原 030009）

引言

教學實訓(xùn)設(shè)備在高等職業(yè)教育的日常教學中起到十分重要的作用，旨在培養(yǎng)學生具備良好的專業(yè)技能，助力學生理解理論知識，然而現(xiàn)有的軋制仿真實訓(xùn)設(shè)備存在可視性較差、局限性較大，實訓(xùn)設(shè)備成本較高、日常消耗大，實訓(xùn)內(nèi)容理論性強、理解難度大等缺點。為此，本文研究基于MR技術(shù)的軋制仿真實訓(xùn)應(yīng)用。

1 MR技術(shù)概述

混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)是借助先進的計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)、人機交互技術(shù)和顯示設(shè)備，為現(xiàn)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(huán)境[1]。在此環(huán)境中，物理（現(xiàn)實）對象和數(shù)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(yè)版增強現(xiàn)實眼鏡，微軟公司推出了Hololens2新款混合現(xiàn)實眼鏡，主要針對協(xié)同工作、輔助學習、虛擬設(shè)計等市場領(lǐng)域。混合現(xiàn)實領(lǐng)域的Magic Leap公司于2018年推出了混合現(xiàn)實眼鏡Magic Leap One，被視為微軟混合現(xiàn)實眼鏡的強有力競爭對手。

國內(nèi)首屆MR全息技術(shù)教學應(yīng)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(shù)在課堂教學中的應(yīng)用，從最前沿的MR技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā)，探索高效、智能、全息信息化教學模式，構(gòu)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(zhuǎn)型，提升院校信息化建設(shè)水平，提升專業(yè)內(nèi)涵建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，利用新技術(shù)，找準落腳點，探索、踐行新技術(shù)與智慧教育深度融合之道[3]。

2 軋制仿真實訓(xùn)存在的問題

在軋制仿真實訓(xùn)室可以進行鋼坯方向轉(zhuǎn)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(guī)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(xùn)過程中主要存在以下問題：

2.1 實訓(xùn)設(shè)備可視性較差，存在局限性

目前，實訓(xùn)方式是學生按照實訓(xùn)計劃操作手柄控制虛擬工件，學生可在實訓(xùn)室大屏幕上根據(jù)流程圖看到當前實訓(xùn)狀態(tài)，這對學生來說，實訓(xùn)只是按要求完成了操作，初步了解了鋼鐵軋制的過程，實訓(xùn)印象不深，而且鋼鐵企業(yè)軋制設(shè)備更新速度快，而實訓(xùn)室使用的仿真模擬設(shè)備還是十多年前鋼鐵企業(yè)使用的設(shè)備。由于實訓(xùn)室屏幕尺寸較小，顯示的實訓(xùn)設(shè)備、場景等內(nèi)容有限，實訓(xùn)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(shè)備、工件動作的詳細對應(yīng)關(guān)系，與企業(yè)實際工況差距較大，實訓(xùn)效果一般，對學生畢業(yè)參加工作后的實際指導(dǎo)意義不大。此外，軋鋼設(shè)備體積龐大，實訓(xùn)室想要真實再現(xiàn)工廠生產(chǎn)過程基本不可能。因此，探索一種既節(jié)約空間又能完美再現(xiàn)鋼鐵軋制過程的實訓(xùn)方式顯得尤為必要。

2.2 實訓(xùn)設(shè)備成本較高，日常消耗大

自實訓(xùn)室成立以來，每學期平均實訓(xùn)學生300余人次1 000余實訓(xùn)課時，而只有2臺設(shè)備可供使用，加之學生使用過程中不注意保護，導(dǎo)致?lián)u桿、手柄等操作工具損耗大，設(shè)備經(jīng)歷十余年教學使用老舊不堪，實訓(xùn)設(shè)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(yè)底蘊，軋制仿真實訓(xùn)作為冶金專業(yè)學生培養(yǎng)核心技能的必備環(huán)節(jié)，具有舉足輕重的地位。

2.3 實訓(xùn)內(nèi)容理論性強，理解難度大

鋼鐵軋制過程專業(yè)理論性較強，對學生的知識儲備和專業(yè)素養(yǎng)要求較高，而學生普遍基礎(chǔ)較差，理論性強且枯燥的專業(yè)知識對學生吸引力較弱，學習的主觀能動性不足。實訓(xùn)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(xùn)大量填補學習漏洞，這就將壓力轉(zhuǎn)移到實訓(xùn)一側(cè)。目前的情況是，實訓(xùn)設(shè)備的可視性弱、理論性強，而且實訓(xùn)時間較短，內(nèi)容安排較多，學生實訓(xùn)存在走馬觀花現(xiàn)象，相當于學生學習完理論知識后又轉(zhuǎn)入下一個理論性強的環(huán)節(jié)，對學生而言實訓(xùn)結(jié)束僅僅是按照實訓(xùn)計劃完成了一遍操作，實訓(xùn)效果一般，對理論課的指導(dǎo)輔助作用不大，未到達實訓(xùn)教學安排的初衷。

3 基于MR技術(shù)的軋制實訓(xùn)應(yīng)用

在混合現(xiàn)實全息教學應(yīng)用中，以工作過程為導(dǎo)向，利用百分百模擬企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境幫助用戶在實訓(xùn)過程中培養(yǎng)關(guān)鍵職業(yè)能力，呈現(xiàn)給學生更加直觀、真實的訓(xùn)練內(nèi)容，促成這種“實訓(xùn)過程中的職業(yè)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(xiàn)有軋制仿真實訓(xùn)平臺，使用MR技術(shù)研發(fā)一套軋制仿真實訓(xùn)全息教學平臺，推進軋制仿真實訓(xùn)室全面升級改造，智能全景展示鋼鐵軋制實際生產(chǎn)車間情景，內(nèi)容新穎、互動豐富，并結(jié)合實際的教學實訓(xùn)需求，把學生置身于現(xiàn)場車間親身感受就業(yè)后的工作流程、工作內(nèi)容以及工作規(guī)則等，通過良好的人機交互功能實現(xiàn)操作人員控制鋼件動作完成實訓(xùn)任務(wù)。

在全息教學模式下，通過對鋼坯、夾鋼機、軋機等工件和設(shè)備建立準確完整的三維模型，結(jié)合鋼件的軋制工藝從軋鋼設(shè)備的結(jié)構(gòu)認知、外觀檢查到部件測量、參數(shù)調(diào)節(jié)、故障維修等專業(yè)技能等方面構(gòu)建學習體系，實現(xiàn)知識的一體化、動態(tài)化和具有真實感的表達方式，讓學生在實訓(xùn)中鍛煉專業(yè)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(xiàn)教學效果較傳統(tǒng)模式有質(zhì)的提升。軋制仿真實訓(xùn)室主要被用于學生掌握鋼鐵軋制技術(shù)、競賽集訓(xùn)、社會和企業(yè)人員職業(yè)培訓(xùn)、1+X職業(yè)技能資格認定等，在對原有實訓(xùn)項目進行增強的基礎(chǔ)上新增設(shè)冷軋板帶鋼、高速線材、型材生產(chǎn)仿真實訓(xùn)。

MR技術(shù)在軋鋼專業(yè)學生實訓(xùn)的應(yīng)用更具獨特性和適應(yīng)性，在傳統(tǒng)教學方法與手段難以滿足教學需要的情況下，以混合現(xiàn)實形式展示的虛擬與現(xiàn)實相結(jié)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(shù)構(gòu)建鋼鐵實際軋制生產(chǎn)場景，能更清晰地模擬冷軋板帶鋼、高速線材生產(chǎn)、型材生產(chǎn)等過程，使學生置身于現(xiàn)場車間親身感受工作情景、工作內(nèi)容以及工作規(guī)則等，實訓(xùn)效果將得到大幅提升。平臺能夠豐富和完善現(xiàn)有教學手段，消除原有仿真系統(tǒng)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(xùn)視野，讓學生置身于企業(yè)生產(chǎn)一線，全身心地投入到實訓(xùn)學習和實踐當中。通過在軋鋼工程專業(yè)開展應(yīng)用MR技術(shù)的軋制仿真實訓(xùn)試點，吸收總結(jié)平臺和實訓(xùn)建設(shè)運營過程中的經(jīng)驗教訓(xùn)，為推廣該項技術(shù)的全面應(yīng)用提供可借鑒、可復(fù)制的樣板案例。

4 MR技術(shù)的應(yīng)用意義

4.1 提升實訓(xùn)效果

MR技術(shù)可以通過3D虛擬場景把鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備與軋制仿真實訓(xùn)室現(xiàn)有設(shè)備緊密結(jié)合起來，且不受空間限制，能夠開設(shè)多種不同生產(chǎn)產(chǎn)品、工藝的軋制實訓(xùn)內(nèi)容，學生實訓(xùn)時可以看到每步操作對應(yīng)鋼件發(fā)生的變化、主要軋鋼設(shè)備的工作狀態(tài)，并實時給出相應(yīng)參數(shù)和知識點，輔助學生理解每步操作的工作原理。在MR實訓(xùn)環(huán)境中，實訓(xùn)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(shè)備的要求。該環(huán)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(yè)生產(chǎn)環(huán)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(xiàn)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(yè)技能的效率，對提高學生職業(yè)技能、促進學生理解專業(yè)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(zhuǎn)，這是其他類型教學方法不具有的優(yōu)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(yè)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(shù)應(yīng)用于實訓(xùn)教學，有助于改善學生學習方式、提升教學質(zhì)量，強大的交互系統(tǒng)可以為學生學習創(chuàng)造巨大的學習空間，極大地激發(fā)學生的學習興趣和動力，同時為教師和學生學習體驗設(shè)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(yè)學科——軋鋼工程技術(shù)，傳統(tǒng)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(shù)開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)軋鋼設(shè)備系統(tǒng)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(shè)成本，提高學生自主學習能力。由于MR技術(shù)為存在于虛擬空間，當企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)更新時學校可以及時修改模擬系統(tǒng)，做出相應(yīng)調(diào)整，而不需要更換實訓(xùn)設(shè)備，可為學校縮減開支和時間，保證實訓(xùn)內(nèi)容保持與一流鋼鐵企業(yè)最新技術(shù)一致，避免學生就業(yè)后不能快速適應(yīng)工作環(huán)境的尷尬現(xiàn)象。同時，混合的課堂虛擬環(huán)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(shù)應(yīng)用于高職軋鋼工程技術(shù)課程的實現(xiàn)途徑和主要內(nèi)容，總結(jié)并歸納出MR技術(shù)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(yè)開展基于MR技術(shù)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(xùn)教學過程中產(chǎn)生典型的學習、交流和優(yōu)化案例，并且不斷動態(tài)調(diào)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(jié)得出共享型教學應(yīng)用模式，把這種模式創(chuàng)新性地應(yīng)用于軋鋼工程技術(shù)其他課程建設(shè)，最終將這種成功經(jīng)驗推廣到其他專業(yè)的課程建設(shè)，為新時代教材、教法改革提供可推廣復(fù)制的樣板案例。

5 結(jié)語

以MR技術(shù)為支持開展實訓(xùn)教學任務(wù)，能夠豐富和完善現(xiàn)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(tǒng)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(xùn)視野，讓學生置身企業(yè)生產(chǎn)一線，全身心地投入到實訓(xùn)學習和實踐當中，高仿真度的實訓(xùn)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(shè)者的職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技能。