基于游戲闖關(guān)式自動化技術(shù)3D仿真教學軟件的設計研究

閻偉 周照君 張紅午

摘要：以3D場景構(gòu)建的游戲闖關(guān)式自動化技術(shù)仿真教學軟件設計，選擇技術(shù)領(lǐng)域典型實踐項目設計為一個大的游戲關(guān)卡，按照任務點設計出若干個子任務-小的關(guān)卡。學習者在規(guī)定的時間內(nèi)完成知識點和技能點的學習，取得相應的“闖關(guān)積分”，闖關(guān)晉級后取得對應課程線上階段的學習成績。仿真教學軟件的研究目的是充分發(fā)揮虛擬實驗在組織、實施、評價中靈活度好、重復性強、成本較低的優(yōu)勢，調(diào)動學生的學習興趣，促進其實踐能力進一步提升。

關(guān)鍵詞：游戲闖關(guān);虛實結(jié)合;自動化技術(shù);仿真教學軟件

1 研究目的

1.1 我國職業(yè)教育和實踐教學現(xiàn)狀分析

當前，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)達到1249.7萬。職業(yè)院校的實訓基地建設通常是以人才培養(yǎng)目標、學科知識體系、專業(yè)建設為綱領(lǐng)，以學生和社會人才技能培訓和提升為宗旨。實踐教學是職業(yè)院校培養(yǎng)學生技能的重要環(huán)節(jié)，實驗教學是學生在校學習認知驗證的重要手段。

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

1.2 國內(nèi)外虛擬仿真實驗系統(tǒng)在自動化專業(yè)應用狀況

國內(nèi)外開發(fā)和經(jīng)營虛擬仿真教學軟件的公司不計其數(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)實技術(shù)主要分為虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）三類。VR是模擬的虛擬世界，AR是一種“虛實結(jié)合”的技術(shù)，它在真實環(huán)境上疊加虛擬世界，MR融合虛擬現(xiàn)實的沉浸感和增強現(xiàn)實的實用性特征，無縫對接虛擬與真實世界。

（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，對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數(shù)傳給實際的工廠建設，二者繼續(xù)進行信息交互。

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、自動化技術(shù)等專業(yè)教學中顯現(xiàn)其應用價值，不僅能提供必要的信息，還能使情境化教學和學習無處不在。

2 研究內(nèi)容

虛實結(jié)合理念是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，運用計算機對實景進行模擬和仿真，是一種新型的人-機界面方式，正逐步應用在教育領(lǐng)域。它可以創(chuàng)設良好的學習環(huán)境，提供自由、靈活的教學方式。基于虛實結(jié)合的實驗教學是指使用儀器、設備、計算機虛擬技術(shù)，利用場地、環(huán)境的布置，模仿出真實的工作環(huán)境、動作要求、工作程序、技術(shù)指標，進行模擬生產(chǎn)、教學訓練、工業(yè)設計和鑒定考核等的綜合過程。

自動化技術(shù)仿真教學軟件把“學生為主體、技能培養(yǎng)為核心”作為設計理念，堅持“虛實結(jié)合、能實不虛”的基本原則，根據(jù)地域、學校、學科、專業(yè)分布和學校的持續(xù)發(fā)展、教學改革需求、經(jīng)費等進行整體規(guī)劃，構(gòu)建具有高度真實感、直觀性和精確性的職業(yè)教育3D游戲互動平臺，實現(xiàn)虛實結(jié)合的仿真教學系統(tǒng)與企業(yè)生產(chǎn)-自動化技術(shù)培訓的有機結(jié)合。

以3D場景構(gòu)建的自動化技術(shù)仿真教學軟件設計，選擇技術(shù)領(lǐng)域安裝工藝方面典型實踐項目設計為一個大的游戲關(guān)卡，在這個大的游戲關(guān)卡內(nèi)，按照任務點設計出若干個實訓子任務-小關(guān)卡。學習者需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成相關(guān)知識和模擬實訓的學習，取得相應的“闖關(guān)積分”，實現(xiàn)過關(guān)晉級后，進而取得對應課程線上階段的學習成績。仿真教學軟件可以創(chuàng)設教學情景、教師演示、學生仿真操作和工藝考核四個模塊。仿真操作模塊采用“游戲闖關(guān)”進行設計，學習者取得相應的“闖關(guān)積分”實現(xiàn)過關(guān)晉級。工藝考核模塊是針對學習者學習和訓練成效的檢驗及考取職業(yè)資格證書而設計。

通過系統(tǒng)化構(gòu)建的虛實結(jié)合仿真教學軟件，充分發(fā)揮虛擬實驗在實驗組織、實施、評價中，靈活度好、重復性強、成本較低的優(yōu)勢，讓虛擬仿真實驗作為進入實踐實習的先導、作為崗位實習的部分替代，提升仿真教學的針對性和學生的學習興趣，促進學生的實踐能力和技能水平得以提高。

3 研究過程

3.1 電氣自動化3D仿真教學軟件

（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)教學需求，上傳教學資源。

（3）功能包括場景開發(fā)，根據(jù)教學需求，重新開發(fā)編輯實訓場景，并保存到平臺。可設置設備損壞故障，線路短路、斷路、程序點位錯位等故障，由學生使用相應的工具去排除故障。考核設置可為每個任務設置相應的考核內(nèi)容。設計軟件融入學生職業(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、任務場景的工作和考核內(nèi)容。

3.2 電工技術(shù)仿真教學資源平臺

（1）模型資源庫搭建了場景類、設備類、工具類、導線類、材料類等5類資源模型。在模型資源庫上可進行工具、器材和工藝3D模型查看，可自由拖動、旋轉(zhuǎn)和縮放模型;支持設備、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、動畫類、文本類、課件類資源模型。進入模型資源庫，可在線打開或下載資源進行查看;也可按實訓模塊分類進行篩選查看。

（3）功能包括設備認知，可實現(xiàn)設備、工具和工藝材料3D模型展示;可拆解、顯示和隱藏設備零件模型和模型標簽。

（4）三維場景漫游瀏覽，可實現(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，支持不同工具自動匹配不同的使用場景和使用對象。故障調(diào)試支持設備、線路單點調(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習資源嵌入虛擬場景進行認知性學習。電工技術(shù)軟件模塊主要以學習電工基本技能為主。室內(nèi)照明線路的配線軟件模塊是以學習照明線路的配線方法為主，學生選擇不同的實訓場景，選擇不同的設備、工具、線纜和輔料完成操作工藝、管線敷設工藝、設備安裝接線及故障處理。

4 仿真教學軟件的特點

基于我國職業(yè)教育和職業(yè)院校的特點，此次設計的仿真教學軟件資源共享平臺能夠體現(xiàn)教學過程各個方面，是把教學過程系統(tǒng)化的一個平臺。建設資源共享平臺的實施，分為教、學、練、考、評五個環(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、維護詳細展示，并顯示對應工序的工藝和規(guī)范。學生可以系統(tǒng)化的學習知識，提前增加工作的經(jīng)驗值。

學——資源平臺以移動式的學習模塊進行建設，配合學生的移動終端。教師通過后臺數(shù)據(jù)，實時掌握學生的學習動態(tài)。

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

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

以3D場景構(gòu)建的自動化技術(shù)仿真教學軟件設計，以任務為主線，長期優(yōu)化、提煉有效于教學過程的實訓任務，融合游戲設計的核心元素，將經(jīng)驗、角色、關(guān)卡、等級等融入任務實施中，使仿真教學的過程不失嚴肅性，又增加了趣味性，不斷激發(fā)學生的學習興趣。

5 結(jié)論

采用虛實結(jié)合的實踐教學體系和仿真教學軟件，對于不太側(cè)重技能訓練的高校教學和社會技能型學員進行培訓，可增強培訓效果，為社會技術(shù)服務方面提供高效、優(yōu)質(zhì)、便捷的條件。

將虛實結(jié)合的自動化技術(shù)3D仿真教學軟件應用于教學，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。使用計算機直觀地、近距離地呈現(xiàn)給學生，通過情景融入、游戲闖關(guān)等環(huán)節(jié)的設計，引導學生的興趣、提高其主動參與學習的積極性。按照“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展需求，運用現(xiàn)代信息技術(shù)改進教學方法，推進虛實結(jié)合的仿真教學系統(tǒng)資源平臺建設和應用研究，不斷提升新時代職業(yè)教育現(xiàn)代化水平。

參考文獻：

[1] 陳璐.高職院校實踐教學管理系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].成都：電子科技大學，2013.

[2] 張玲，李麗，王春華，等.基于課程體系的實驗平臺綜合實訓的改革探討[J].中國繼續(xù)醫(yī)學教育，2019，11（36）：3-6.

[3] 張金磊，張寶輝.游戲化學習理念在翻轉(zhuǎn)課堂教學中的應用研究[J].遠程教育雜志，2013，31（1）：73-78.

[4] 趙威揚，鐘掖，余萱，等.基于實訓環(huán)境建設信息技術(shù)專業(yè)人員實訓平臺項目設計[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（22）：150-152，155.

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