基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的研究與應(yīng)用

朱思虎

摘 要：將智能虛擬技術(shù)應(yīng)用于噴涂教學(xué)中是工學(xué)一體化教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。對于汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)，學(xué)生能掌握汽車噴涂方法，在實際的課程教學(xué)與企業(yè)要求的技能水平還有很大差距，學(xué)生在短時間內(nèi)不能有效地掌握汽車噴涂的技能。為了進(jìn)一步提升學(xué)生的汽車噴涂技能水平，對智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中進(jìn)行研究。首先，介紹了智能虛擬噴涂教學(xué)的理論基礎(chǔ)。其次，闡述了汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)的開展與存在的問題。再次，基于智能虛擬噴涂教學(xué)的工學(xué)一體化教學(xué)模式設(shè)計，最后對其效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：工學(xué)一體化 智能虛擬 噴涂教學(xué)

1 引言

本文探討基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的研究與應(yīng)用。工學(xué)一體化教學(xué)作為一種革新教育的探索，不僅符合社會發(fā)展的需求，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。隨著科技的不斷進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛。而基于智能算法的虛擬噴涂參數(shù)優(yōu)化技術(shù)則能夠有效地提升虛擬噴涂教學(xué)的效果。

在本文中，首先介紹智能虛擬噴涂教學(xué)的理論基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)涵義、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。接著，深入探討工學(xué)一體化教學(xué)的開展與不足，包括在汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)開展與教學(xué)中的不足。在此基礎(chǔ)上，介紹基于智能虛擬噴涂教學(xué)的工學(xué)一體化教學(xué)模式設(shè)計，包括了基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中優(yōu)勢，工學(xué)一體化教學(xué)的設(shè)計思考，工學(xué)一體化教學(xué)的過程設(shè)計，智能虛擬噴涂在工學(xué)一體化教學(xué)過程，教學(xué)案例與效果分析。最后，由此歸納總結(jié)出本文的結(jié)論。

本文為教育工作者和相關(guān)研究者提供一些新思路和實踐經(jīng)驗，以促進(jìn)智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。結(jié)果表明，智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)在工學(xué)一體化教學(xué)中具有顯著的教育效果和廣泛的應(yīng)用前景。綜上所述，智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的應(yīng)用為教育技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和新方法。

2 智能虛擬噴涂教學(xué)的理論基礎(chǔ)

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)涵義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬環(huán)境是基于計算機技術(shù)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，這種虛擬的環(huán)境是通過由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像，產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境。感知是指理想的通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知，感知環(huán)境與事物的內(nèi)在變化與發(fā)生“交互”作用。自然技能是人的身體運動，如跑步，眨眼等一切身體動作。通過計算機來運算與參與者的一系列動作與之匹配的數(shù)據(jù)，計算機中去生成一個綜合可感知的人工環(huán)境，并對用戶的輸入作出實時響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。虛擬現(xiàn)實具備三種特征，包括“沉浸性”、“交互性”和“創(chuàng)想性”。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各行各業(yè)都用具有十分廣泛的應(yīng)用和重要的現(xiàn)實意義。如在地理信息系統(tǒng)、虛擬醫(yī)學(xué)工程、航空航天等方面都有應(yīng)用。其中基于VR技術(shù)的虛擬仿真技術(shù)是實現(xiàn)智能虛擬技術(shù)的代表，在教學(xué)上也得到了廣泛的應(yīng)用。是實現(xiàn)智能虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以將真實的操作過程通過計算機生成并呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生在沒有實際的噴涂操作設(shè)備的情況下，能夠深入了解噴涂加工的流程和技術(shù)要領(lǐng)。需要收集真實噴涂加工過程的數(shù)據(jù)和操作記錄，利用數(shù)學(xué)模型和計算機技術(shù)，將這些數(shù)據(jù)和操作記錄轉(zhuǎn)換為虛擬噴涂場景。讓學(xué)生通過虛擬場景對噴涂加工技術(shù)進(jìn)行實際操作和學(xué)習(xí)，不僅可以減少對實際物品和實驗設(shè)備的需求，還能讓學(xué)生在安全條件下進(jìn)行實驗，提高噴涂實訓(xùn)的效率。

3 汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)的開展與存在的問題

3.1 汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)開展

汽車噴涂課程之前采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，先理論后實踐，導(dǎo)致理論實踐脫節(jié)，學(xué)生不能很好掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。為了提升學(xué)生的操作能力，汽車噴涂教學(xué)按照工學(xué)一體化教學(xué)進(jìn)行開展，以企業(yè)工作過程構(gòu)建教學(xué)過程。按照工學(xué)一體化教學(xué)資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估等六個環(huán)節(jié)開展教學(xué)任務(wù)。資訊環(huán)節(jié)，提出本次的工作任務(wù)，完成相應(yīng)的知識點學(xué)習(xí)，掌握汽車噴漆的作用與工作原理。計劃環(huán)節(jié)，學(xué)生查閱相關(guān)資料與相關(guān)視頻制定計劃。決策環(huán)節(jié)，小組匯報學(xué)習(xí)任務(wù)操作方案，教師引導(dǎo)各組完善計劃。實施環(huán)節(jié)，各小組按照計劃進(jìn)行操作，教師進(jìn)行巡回指導(dǎo)，及時糾正學(xué)生不規(guī)范操作。檢查環(huán)節(jié)，按照企業(yè)作業(yè)要求檢查學(xué)習(xí)情況與任務(wù)完成效果。評價環(huán)節(jié)，小組同學(xué)進(jìn)行小組討論自評、互評、師評。

3.2 汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)中的存在的問題

汽車噴涂工學(xué)一體化教學(xué)提升了學(xué)生對知識技能的掌握，但是在開展汽車噴漆工學(xué)一體化課程教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)有不足之處，主要存在的問題表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，在安全環(huán)保方面，學(xué)生是初學(xué)者，還沒有形成較強的安全環(huán)保意識，可能由于操作不規(guī)范導(dǎo)致對環(huán)境和人體產(chǎn)生危害。第二，在教學(xué)成本方面，對剛開始學(xué)習(xí)噴涂的學(xué)生來說，沒有掌握噴涂技能，需要反復(fù)地訓(xùn)練，無形當(dāng)中就會浪費大量的涂料與板件從而增加成本。第三，學(xué)生的操作技能不能有效提升方面，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，噴涂在走槍手法上非常嚴(yán)謹(jǐn)，如在噴槍調(diào)節(jié)、握槍姿態(tài)、噴槍的角度距離速度等都直接影響最終的噴涂效果，學(xué)生在進(jìn)行噴涂訓(xùn)練時很難形成操作技能或者需要很長時間的鍛煉。第四，學(xué)生在學(xué)習(xí)思維上受到一定局限性，對操作的技巧不能快速理解掌握，老師針對噴涂手法進(jìn)行講解，學(xué)生還是不知道自己的操作誤區(qū)在什么地方。第五，在教學(xué)手段方面，老師能運用教學(xué)視頻，現(xiàn)場設(shè)備等開展教學(xué)，學(xué)生能按照講解內(nèi)容進(jìn)行操作，但是學(xué)生在控制噴漆的距離、噴槍的速度和噴槍的角度等方面很難把控，教師不能直觀將操作數(shù)據(jù)在學(xué)生面前展現(xiàn)出來。第六，在考核方面，老師也只能觀看學(xué)生的操作過程與噴涂的結(jié)果進(jìn)行打分，在噴槍的噴射角度、噴槍的噴射距離、噴槍的移動速度等這些關(guān)系細(xì)節(jié)不易進(jìn)行考核，或者只能主觀評價。這些細(xì)節(jié)是學(xué)生掌握噴漆技能的關(guān)鍵。

4 基于智能虛擬噴涂教學(xué)的工學(xué)一體化教學(xué)模式設(shè)計

4.1 基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中優(yōu)勢

智能虛擬課堂的特點及優(yōu)勢：利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，可以彌補學(xué)校教學(xué)經(jīng)費的不足，降低教學(xué)成本，避免真實操作帶來的危險，學(xué)生可以多次探究實驗提升技能水平；提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，創(chuàng)造多樣化學(xué)習(xí)情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，打破時間空間局限，引領(lǐng)開展創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生可視化思維發(fā)展。采用智能虛擬噴涂，可以將學(xué)生置身于仿真環(huán)境中實踐與模擬實驗，提高實驗效果與安全。讓學(xué)生在仿真環(huán)境中開展高效的技能訓(xùn)練，能夠讓學(xué)生感受到真實的噴涂操作過程，促進(jìn)學(xué)生全身心地學(xué)習(xí)，使學(xué)生可以進(jìn)行真實感較強的虛擬噴涂實驗，提升其操作技能與對噴涂工藝的理解。智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)的實踐應(yīng)用能夠極大地促進(jìn)學(xué)生對噴涂工藝與噴涂過程的認(rèn)識。

4.2 基于智能虛擬噴涂在工學(xué)一體化教學(xué)的設(shè)計思考

利用智能虛擬噴涂是解決教學(xué)中存在的不足與掌握噴漆技能的關(guān)鍵。工學(xué)一體化教學(xué)以引導(dǎo)學(xué)生深入研究，自主學(xué)習(xí)，不斷探索問題的解決方法，核心思想是通過綜合性和實踐性的學(xué)科知識來培養(yǎng)學(xué)生解決問題的綜合能力，具有提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的優(yōu)點。在噴涂工學(xué)一體化教學(xué)中存在環(huán)境污染與人體傷害、教學(xué)成本較高、操作技能不能有效提升和考核不精確等。這些問題是存在的，也是可以解決的，關(guān)鍵在于教學(xué)設(shè)計的方法和手段。采用智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)作為一種新型的教學(xué)手段，解決在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的環(huán)境污染與人體傷害、教學(xué)成本較高、操作技能不能有效提升、考核不精確等問題。智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)可以極大地提高噴涂的精度和效率，通過學(xué)習(xí)虛擬噴涂的過程，學(xué)生可以加深對實際噴涂加工過程的理解。智能虛擬噴涂教學(xué)為工學(xué)一體化教學(xué)帶來了新的思路，在教學(xué)設(shè)計中要通過智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生提供了更加高效和優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗，提升教學(xué)實踐應(yīng)用和教學(xué)效果。

4.3 基于智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)的過程設(shè)計

教師在設(shè)計工學(xué)一體化課程教學(xué)時應(yīng)該充分考慮數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。結(jié)合智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中優(yōu)勢，根據(jù)工學(xué)一體化教學(xué)任務(wù)特點，合理運用智能虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備有機融入資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估等六個教學(xué)環(huán)節(jié)。以代表性學(xué)習(xí)任務(wù)底涂層涂裝中的空氣噴槍的使用為例：第一，資訊環(huán)節(jié)，利用智能虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識，如噴槍的結(jié)構(gòu)認(rèn)識，噴槍漆量調(diào)節(jié)旋鈕，噴槍氣壓調(diào)節(jié)旋鈕，風(fēng)帽，噴槍扇幅調(diào)節(jié)旋鈕，噴槍校正按鈕，噴槍連接等知識；掌握汽車噴涂的作用與工作原理。第二，計劃環(huán)節(jié)，可以根據(jù)智能虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備顯示與正在訓(xùn)練項目的相關(guān)輔助提示功能作制定計劃。如最佳噴涂壓力的調(diào)整，最佳噴幅圖形的調(diào)整，最佳出漆量的調(diào)整，調(diào)整霧束的方向，霧化質(zhì)量的檢查等。第三，決策環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生根據(jù)智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)演練修訂自己的計劃。第四，實施環(huán)節(jié)，各小組同學(xué)在虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備上進(jìn)行練習(xí)，及時地調(diào)整糾正技能操作，快速地掌握噴涂走槍手法，空氣噴槍與工件表面的角度，空氣噴槍與被涂表面的正確距離，空氣噴槍移動的速度，空氣噴槍扳機的控制，噴涂邊緣的搭接。第五，檢查環(huán)節(jié)，回放學(xué)生在虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備上的手部動作、移動速度、行走角度、距離等重要數(shù)據(jù)，判斷學(xué)習(xí)情況與任務(wù)完成效果。第六，評價環(huán)節(jié)，可以利用虛擬噴涂教學(xué)設(shè)備對操作過程中的整個噴涂過程參數(shù)，直觀地了解自己的不足。

5 教學(xué)案例與效果分析

5.1 教學(xué)實例

為驗證智能虛擬噴涂在工學(xué)一體化教學(xué)過程中運用的有效性，針對課程“汽車噴漆”中的“噴槍使用”這一工作任務(wù)，開展教學(xué)示范驗證。將授課班級同學(xué)隨機分成A、B兩個小組，A組同學(xué)在沒有使用智能虛擬噴漆設(shè)備的條件下進(jìn)行一體化教學(xué)，B組同學(xué)在有使用智能虛擬噴漆設(shè)備的條件下進(jìn)行一體化教學(xué)。通過對學(xué)習(xí)效果的統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)A組同學(xué)明顯低于B組。其原因是B組同學(xué)在各教學(xué)環(huán)節(jié)中得到了智能虛擬噴漆設(shè)備支持，提升了操作技能水平。以噴槍使用為例，具體教學(xué)步驟如圖1所示。

5.2 效果分析

通過智能虛擬噴涂教學(xué)在工學(xué)一體化教學(xué)中的應(yīng)用實踐。學(xué)生在工學(xué)一體化學(xué)習(xí)任務(wù)中使用智能虛擬噴涂系統(tǒng)更容易掌握噴槍使用，學(xué)生可以更好地理解噴槍使用原理和噴槍操作技能。同時，學(xué)習(xí)過程安全環(huán)保，降低培訓(xùn)成本。對環(huán)境和人體都無任何傷害，整個培訓(xùn)過程綠色環(huán)保。無任何涂料或板件的消耗，大幅節(jié)省培訓(xùn)物力成本。學(xué)習(xí)更為便捷，可以通過智能虛擬噴涂系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)查閱信息，也可以將相關(guān)噴涂知識的文檔資料拷貝到系統(tǒng)，學(xué)生可以隨時查閱，學(xué)生可以跟隨“引導(dǎo)噴槍”進(jìn)行噴涂手法訓(xùn)練。多種噴涂板件可選，可以提供汽車車身上常見板件進(jìn)行噴涂訓(xùn)練。實時輔助顯示，3D噴涂錄像可分享及學(xué)習(xí)。學(xué)生進(jìn)行噴涂操作訓(xùn)練時，系統(tǒng)會監(jiān)控學(xué)生操作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為的圖形化提示學(xué)生，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的提示及時糾正自己的操作動作。系統(tǒng)可以按照學(xué)生操作形成錄像，可分享可回看，也可對比噴涂訓(xùn)練。動態(tài)設(shè)定任務(wù)、效果可評估。教師可以設(shè)定不同任務(wù)與不同參數(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果可直接在系統(tǒng)上精確直觀反饋，老師可以根據(jù)整個操作過程對學(xué)生追蹤評定。

6 結(jié)語

在噴涂課程工學(xué)一體化教學(xué)中運用智能虛擬噴涂教學(xué)來提升學(xué)生的綜合能力具有重要的應(yīng)用價值。通過研究發(fā)現(xiàn)，智能虛擬噴涂教學(xué)可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。在教學(xué)中智能虛擬技術(shù)扮演了重要的角色，可以更直觀地展現(xiàn)噴涂加工的操作流程與操作細(xì)節(jié)，讓學(xué)生更深入地理解噴涂加工的原理和方法。在學(xué)習(xí)噴涂加工的流程和技術(shù)要領(lǐng)時，學(xué)生可以通過虛擬場景操作噴涂設(shè)備，觀察噴涂的效果和輸出參數(shù)，并對不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而深入了解不同參數(shù)對噴涂效果的影響，為學(xué)生提供了更好的操作指導(dǎo)，實現(xiàn)更高效、更精確地噴涂加工過程。通過與工學(xué)一體化教學(xué)的整合，采用智能虛擬噴涂教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)可以有效改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生的實際操作能力也得到了提升，提高了學(xué)生的操作水平和綜合能力。這些成果和經(jīng)驗凸顯了本研究的重要意義，為今后在工學(xué)一體化教學(xué)中的教學(xué)改革提供了借鑒。

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