基于游戲闖關(guān)式自動(dòng)化技術(shù)3D仿真教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)研究

閻偉 周照君 張紅午

摘要：以3D場景構(gòu)建的游戲闖關(guān)式自動(dòng)化技術(shù)仿真教學(xué)軟件設(shè)計(jì)，選擇技術(shù)領(lǐng)域典型實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)為一個(gè)大的游戲關(guān)卡，按照任務(wù)點(diǎn)設(shè)計(jì)出若干個(gè)子任務(wù)-小的關(guān)卡。學(xué)習(xí)者在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成知識點(diǎn)和技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)，取得相應(yīng)的“闖關(guān)積分”，闖關(guān)晉級后取得對應(yīng)課程線上階段的學(xué)習(xí)成績。仿真教學(xué)軟件的研究目的是充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)在組織、實(shí)施、評價(jià)中靈活度好、重復(fù)性強(qiáng)、成本較低的優(yōu)勢，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其實(shí)踐能力進(jìn)一步提升。

關(guān)鍵詞：游戲闖關(guān);虛實(shí)結(jié)合;自動(dòng)化技術(shù);仿真教學(xué)軟件

1 研究目的

1.1 我國職業(yè)教育和實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，我國職業(yè)教育行業(yè)的發(fā)展規(guī)模已居全球首位。2019年全國中等職業(yè)學(xué)校有1.01萬所，在校生1576.47萬人;全國高職（專科）院校1423所，在校生人數(shù)達(dá)到1249.7萬。職業(yè)院校的實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)通常是以人才培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)科知識體系、專業(yè)建設(shè)為綱領(lǐng)，以學(xué)生和社會人才技能培訓(xùn)和提升為宗旨。實(shí)踐教學(xué)是職業(yè)院校培養(yǎng)學(xué)生技能的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生在校學(xué)習(xí)認(rèn)知驗(yàn)證的重要手段。

傳統(tǒng)的教學(xué)中，一般是教師先進(jìn)行授課，學(xué)生再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作。專業(yè)課教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，存在著一些相對危險(xiǎn)、抽象的實(shí)驗(yàn)和操作環(huán)節(jié)，我們考慮先通過虛擬仿真系統(tǒng)來傳遞信息，學(xué)生先通過上機(jī)學(xué)習(xí)和模擬實(shí)驗(yàn)，熟悉操作工序和規(guī)范后，再完成具體的實(shí)踐操作，這樣可以避免因直接參與實(shí)驗(yàn)、操作的失誤，而產(chǎn)生危險(xiǎn)、損傷人身、損壞儀器或設(shè)備的情況發(fā)生。

1.2 國內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)用狀況

國內(nèi)外開發(fā)和經(jīng)營虛擬仿真教學(xué)軟件的公司不計(jì)其數(shù)，適合高校使用的較多，但適合職業(yè)院校使用的卻很少，尤其是電氣自動(dòng)化技術(shù)方面的比較少。

（1）3D模擬仿真系統(tǒng)是虛擬仿真系統(tǒng)的一種呈現(xiàn)方式。國外對于3D模擬仿真平臺的研究，主要集中在用戶感知、虛擬場景界面和場景支撐。與發(fā)達(dá)國家相比，我國在這方面的研究還存在一些差距。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要分為虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）三類。VR是模擬的虛擬世界，AR是一種“虛實(shí)結(jié)合”的技術(shù)，它在真實(shí)環(huán)境上疊加虛擬世界，MR融合虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)用性特征，無縫對接虛擬與真實(shí)世界。

（3）數(shù)字孿生（數(shù)字雙胞胎）也可以被稱為“數(shù)字鏡像”“數(shù)字雙胞胎”，比如一個(gè)工廠的廠房和生產(chǎn)線，在沒有建造之前，可先完成數(shù)字化模型。在虛擬的空間中，對工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)，二者繼續(xù)進(jìn)行信息交互。

以上都屬于虛擬仿真系統(tǒng)，目前在我國職業(yè)教育領(lǐng)域和智能制造、自動(dòng)化技術(shù)等專業(yè)教學(xué)中顯現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，不僅能提供必要的信息，還能使情境化教學(xué)和學(xué)習(xí)無處不在。

2 研究內(nèi)容

虛實(shí)結(jié)合理念是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)對實(shí)景進(jìn)行模擬和仿真，是一種新型的人-機(jī)界面方式，正逐步應(yīng)用在教育領(lǐng)域。它可以創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供自由、靈活的教學(xué)方式。基于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指使用儀器、設(shè)備、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，利用場地、環(huán)境的布置，模仿出真實(shí)的工作環(huán)境、動(dòng)作要求、工作程序、技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行模擬生產(chǎn)、教學(xué)訓(xùn)練、工業(yè)設(shè)計(jì)和鑒定考核等的綜合過程。

自動(dòng)化技術(shù)仿真教學(xué)軟件把“學(xué)生為主體、技能培養(yǎng)為核心”作為設(shè)計(jì)理念，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的基本原則，根據(jù)地域、學(xué)校、學(xué)科、專業(yè)分布和學(xué)校的持續(xù)發(fā)展、教學(xué)改革需求、經(jīng)費(fèi)等進(jìn)行整體規(guī)劃，構(gòu)建具有高度真實(shí)感、直觀性和精確性的職業(yè)教育3D游戲互動(dòng)平臺，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的仿真教學(xué)系統(tǒng)與企業(yè)生產(chǎn)-自動(dòng)化技術(shù)培訓(xùn)的有機(jī)結(jié)合。

以3D場景構(gòu)建的自動(dòng)化技術(shù)仿真教學(xué)軟件設(shè)計(jì)，選擇技術(shù)領(lǐng)域安裝工藝方面典型實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)為一個(gè)大的游戲關(guān)卡，在這個(gè)大的游戲關(guān)卡內(nèi)，按照任務(wù)點(diǎn)設(shè)計(jì)出若干個(gè)實(shí)訓(xùn)子任務(wù)-小關(guān)卡。學(xué)習(xí)者需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)知識和模擬實(shí)訓(xùn)的學(xué)習(xí)，取得相應(yīng)的“闖關(guān)積分”，實(shí)現(xiàn)過關(guān)晉級后，進(jìn)而取得對應(yīng)課程線上階段的學(xué)習(xí)成績。仿真教學(xué)軟件可以創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景、教師演示、學(xué)生仿真操作和工藝考核四個(gè)模塊。仿真操作模塊采用“游戲闖關(guān)”進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)者取得相應(yīng)的“闖關(guān)積分”實(shí)現(xiàn)過關(guān)晉級。工藝考核模塊是針對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)和訓(xùn)練成效的檢驗(yàn)及考取職業(yè)資格證書而設(shè)計(jì)。

通過系統(tǒng)化構(gòu)建的虛實(shí)結(jié)合仿真教學(xué)軟件，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)組織、實(shí)施、評價(jià)中，靈活度好、重復(fù)性強(qiáng)、成本較低的優(yōu)勢，讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為進(jìn)入實(shí)踐實(shí)習(xí)的先導(dǎo)、作為崗位實(shí)習(xí)的部分替代，提升仿真教學(xué)的針對性和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力和技能水平得以提高。

3 研究過程

3.1 電氣自動(dòng)化3D仿真教學(xué)軟件

（1）模型資源庫包含Labs的模型資源庫的查看功能，Creator的模型資源庫還包括模型資源管理功能。用戶可新建、編輯或刪除模型的參數(shù)、圖片等數(shù)據(jù)。

（2）多媒體資源庫包含Labs的多媒體資源庫的查看功能，Creator的多媒體資源庫還包括多媒體資源管理功能。用戶可上傳、編輯或刪除多媒體資源。例如教師可根據(jù)教學(xué)需求，上傳教學(xué)資源。

（3）功能包括場景開發(fā)，根據(jù)教學(xué)需求，重新開發(fā)編輯實(shí)訓(xùn)場景，并保存到平臺。可設(shè)置設(shè)備損壞故障，線路短路、斷路、程序點(diǎn)位錯(cuò)位等故障，由學(xué)生使用相應(yīng)的工具去排除故障。考核設(shè)置可為每個(gè)任務(wù)設(shè)置相應(yīng)的考核內(nèi)容。設(shè)計(jì)軟件融入學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)元素，以場景化呈現(xiàn)電工作業(yè)人員從接到指令、作業(yè)過程、收工整理等工作流程，對接人物、任務(wù)場景的工作和考核內(nèi)容。

3.2 電工技術(shù)仿真教學(xué)資源平臺

（1）模型資源庫搭建了場景類、設(shè)備類、工具類、導(dǎo)線類、材料類等5類資源模型。在模型資源庫上可進(jìn)行工具、器材和工藝3D模型查看，可自由拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放模型;支持設(shè)備、工具、線纜等不同型號的選型使用。

（2）多媒體資源庫可提供圖片類、視頻類、動(dòng)畫類、文本類、課件類資源模型。進(jìn)入模型資源庫，可在線打開或下載資源進(jìn)行查看;也可按實(shí)訓(xùn)模塊分類進(jìn)行篩選查看。

（3）功能包括設(shè)備認(rèn)知，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備、工具和工藝材料3D模型展示;可拆解、顯示和隱藏設(shè)備零件模型和模型標(biāo)簽。

（4）三維場景漫游瀏覽，可實(shí)現(xiàn)自由改變視角角度，不同場景的任意切換。包括不同常見設(shè)備在不同特定場景環(huán)境的匹配安裝，場景提供工具選擇使用，支持不同工具自動(dòng)匹配不同的使用場景和使用對象。故障調(diào)試支持設(shè)備、線路單點(diǎn)調(diào)試，支持常用虛擬儀器儀表的場景檢測使用。

（5）電工安全常識軟件模塊主要以學(xué)習(xí)資源嵌入虛擬場景進(jìn)行認(rèn)知性學(xué)習(xí)。電工技術(shù)軟件模塊主要以學(xué)習(xí)電工基本技能為主。室內(nèi)照明線路的配線軟件模塊是以學(xué)習(xí)照明線路的配線方法為主，學(xué)生選擇不同的實(shí)訓(xùn)場景，選擇不同的設(shè)備、工具、線纜和輔料完成操作工藝、管線敷設(shè)工藝、設(shè)備安裝接線及故障處理。

4 仿真教學(xué)軟件的特點(diǎn)

基于我國職業(yè)教育和職業(yè)院校的特點(diǎn)，此次設(shè)計(jì)的仿真教學(xué)軟件資源共享平臺能夠體現(xiàn)教學(xué)過程各個(gè)方面，是把教學(xué)過程系統(tǒng)化的一個(gè)平臺。建設(shè)資源共享平臺的實(shí)施，分為教、學(xué)、練、考、評五個(gè)環(huán)節(jié)。

教--資源平臺可以將電氣工程或電工作業(yè)場景一步步分解，從安裝、調(diào)試、維護(hù)詳細(xì)展示，并顯示對應(yīng)工序的工藝和規(guī)范。學(xué)生可以系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)知識，提前增加工作的經(jīng)驗(yàn)值。

學(xué)——資源平臺以移動(dòng)式的學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行建設(shè)，配合學(xué)生的移動(dòng)終端。教師通過后臺數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。

練——資源平臺以3D場景呈現(xiàn)出生動(dòng)的工程現(xiàn)場，學(xué)生可進(jìn)行情境化安裝、拆卸、調(diào)試或編程，模擬訓(xùn)練和操作訓(xùn)練可對接未來工廠或企業(yè)崗位的操作項(xiàng)目。

考和評——資源平臺可以讓學(xué)生分組安排設(shè)計(jì)、安裝、裝配和驗(yàn)證，熟悉和體驗(yàn)未來工廠、企業(yè)崗位之間的協(xié)作過程，并通過結(jié)果驗(yàn)證，完成對未來工作任務(wù)的考核和工作質(zhì)量的評判，提前熟悉和掌握企業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)訓(xùn)質(zhì)量的考評環(huán)節(jié)。

以3D場景構(gòu)建的自動(dòng)化技術(shù)仿真教學(xué)軟件設(shè)計(jì)，以任務(wù)為主線，長期優(yōu)化、提煉有效于教學(xué)過程的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，融合游戲設(shè)計(jì)的核心元素，將經(jīng)驗(yàn)、角色、關(guān)卡、等級等融入任務(wù)實(shí)施中，使仿真教學(xué)的過程不失嚴(yán)肅性，又增加了趣味性，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5 結(jié)論

采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系和仿真教學(xué)軟件，對于不太側(cè)重技能訓(xùn)練的高校教學(xué)和社會技能型學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)，可增強(qiáng)培訓(xùn)效果，為社會技術(shù)服務(wù)方面提供高效、優(yōu)質(zhì)、便捷的條件。

將虛實(shí)結(jié)合的自動(dòng)化技術(shù)3D仿真教學(xué)軟件應(yīng)用于教學(xué)，能解決教師用語言表述抽象的操作工藝、教師操作演示局限性等弊端。使用計(jì)算機(jī)直觀地、近距離地呈現(xiàn)給學(xué)生，通過情景融入、游戲闖關(guān)等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生的興趣、提高其主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的積極性。按照“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展需求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方法，推進(jìn)虛實(shí)結(jié)合的仿真教學(xué)系統(tǒng)資源平臺建設(shè)和應(yīng)用研究，不斷提升新時(shí)代職業(yè)教育現(xiàn)代化水平。

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