混合現實技術在智能制造專業群的實訓教學應用研究★

李 優

（山西工程職業學院教務部， 山西 太原 030009）

0 引言

隨著虛擬顯示技術和硬件算力不斷迭代升級，整合優化AR 和VR 技術的混合現實技術（MR）帶給用戶更加貼近實際的感官體驗，各行各業的技術轉型也紛至沓來[1]。高職教學更加強調學生專業技術能力的培養，傳統實訓教學存在可視性和靈活性不足的問題，教學效果不夠理想，智能制造專業群相關技術類課程的實訓教學尤為明顯，將混合現實技術應用于實訓教學，將有效提升教學質量。

1 MR 技術應用概述

混合現實（Mixed Reality，MR）是AR 技術的升級，通過現代計算機技術、圖像處理技術、人機交互技術和顯示設備共同作用，實現物理實體和數字顯示對象在三維空間真實對應，將虛擬世界和真實世界融合成一個無縫銜接的虛實融合世界，實幻交織，用戶難以分辨真實世界與虛擬世界的邊界，用戶能夠感受到比VR 技術更加逼真實用的場景[2]。隨著工業4.0、智能制造等概念的推廣，混合現實技術因具備與真實環境、真實物體進行良好人機交互的特性，逐步成為提升生產力的重要工具[3]。在2023 上海國際車展中，寶馬集團的BMW i 數字情感交互概念車（Dee）與全彩E Ink 版BMW i 數字情感交互概念車展示了硬件與軟件相結合的全新可能性，先進的平視顯示系統和混合現實交互界面，共同組成了概念車的中央控制系統，其投影內容能夠覆蓋風擋玻璃的整個寬度，讓信息能夠在盡可能大的表面上顯示而無需使用任何輔助設備，這種MR 技術能夠充分調動不同感官，在車內創造沉浸式體驗。通過隱藏在儀表板上的Shy Tech傳感器，駕駛者可以自行決定在先進平視顯示系統上顯示的數字化內容以及內容的豐富程度，極大提升了駕駛樂趣，混合現實技術更是賦予了高職實訓課程教學無限可能[4]。

1.1 MR 技術的高職教育教學應用研究

將MR 技術應用于高職專業建設和人才培養，能有效推動現代職業教育的進一步深化改革，意義非凡[5]。黃聰[6]針對混合現實技術在軌道交通信號以及控制專業教學中的有效應用途徑展開分析，認為混合現實技術可應用于復雜的軌道交通信號設備工作原理、復雜的軌道交通信號設備部件裝配、復雜的軌道交通信號設備等內容模擬。楊曉龍[7]從機械設計和制造類課程傳統教學方式的效果、MR 技術應用于機械設計和制造類課程教學的優勢以及MR 技術應用于機械設計和制造類課程教學中存在的問題等角度進行混合現實技術在機械課程教學中的應用研究。康東[8]結合高職教育領域數字媒體技術專業特點，從技術發展、開發平臺、人才培養、教學環境搭建等角度分析了MR 技術應用于數字媒體專業的主要優勢，通過打造實驗實訓平臺，推動 “雙導向” 課程改革，對接產業學院等方面的實際應用，收到較好的效果。MR 技術可以將實訓教學內容虛擬化，并與教學現場的環境和實物疊加起來，通過虛實結合的方式輔助學生加深認識、強化實踐操作[9]。同時，虛擬化的實訓內容可以反復播放，有利于實現學生獨立學習的需求[10]。

1.2 智能制造專業群的實訓教學不足

智能制造專業涵蓋裝備制造各大領域，各型設備種類繁多、型號龐雜，不同院校又具備不同的專業側重或辦學優勢，實訓條件參差不齊。尤其是智能制造生產線一般成體系、配套建設，高校的實訓設備受限于空間、資金等要素多采用等比例模型仿建，在營造企業真實的生產場景方面也存在先天缺陷；部分實訓設備能夠使用企業的生產設備，但是日常教學多出于安全和生產要素等客觀條件考量經常空轉或靜態展示，達不到工程實際要求；加之機械制造技術迭代升級迅速，學校實訓室建成后往往至少使用十余年時間，隨著時間延長實訓設備的技術先進性愈發不足，教學內容難以同步企業實際；由于大部分設備每學期只在實訓周才運行一段時間，全年工作時間有限，設備老化破損較快，學生實訓體驗真實感、現場感不足，教學效果大打折扣。混合現實技術具有技術升級靈活、空間利用率高、仿真體驗度好等顯著優勢，將其應用于智能制造專業群的實訓課程教學可有效彌補傳統實訓設備的短板，切實從激發學生學習興趣、促進辦學降本增效、模擬企業生產環境等角度提升實訓教學效果。

2 MR 技術在液壓與氣動實訓中的應用

液壓與氣動技術存在工作壓力高、工況較差等缺點，學習時可通過原理圖、結構圖、視頻、動畫等多媒體素材理解各類傳動元件和系統的工作原理，大部分學校實訓以液壓系統仿真和操作實訓臺為主，學生只能看到執行元件的動作結果，但是對液體的壓力、流量和流速等參數的認識則僅僅停留在課本層面。例如，煤礦綜采工作面使用的液壓系統工作壓力達31.5 MPa、流量達1 000 L/min，大部分學校實訓設備難以實現如此高壓大流量的大型生產場景，且實訓存在安全隱患，對學校管理、教師能力素質等方面都提出較高要求，而煤礦企業一般生產期間不允許參觀實習，不具備現場實習的條件，傳統實訓內容包括：液壓元件的拆裝、回路的連接、液壓系統的設計與仿真等，學生在理解流體的流場分布、元件的動力學特性、常見故障分析、液壓系統等核心要素時難度較大，尤其是高壓工況下各類元件表現出來的工作性能和易發生的故障點，教學效果不理想。使用混合現實技術可充分發揮其可視性強的優點，在實訓操作臺完成實體操作的同時適時配以各元件內部配合關系、流體動態流場分布云圖、多媒體介紹、語音提示注意事項等內容，讓學生能夠生動形象的看到系統內部的工作情況，理解理論課教學未掌握的知識難點。

將MR 技術應用于液壓與氣動實訓可充分發揮其模擬性強、顯示質量優、交互方式自然等優勢，能夠結合實訓設備為學生提供更加真實的實訓體驗，有效改善傳統的教學形式和實訓方式。液壓與氣動實訓項目一般包括：液壓元件的拆裝、動作回路的連接、故障診斷與排除、系統仿真等內容，學生拆裝液壓元件時可借助各類元件的原理圖、結構圖、三維實體等虛擬圖像快速完成任務，可促進學生對結構較復雜的液壓閥等元件的理解；動作回路的實訓學生僅能完成管路與元件的連接，然后操作按鈕完成液壓缸或馬達動作，使用MR 技術可同步顯示流體在管路內的流動情況，結合計算機輔助分析技術充分反應流體間、流體與固體元件間、固體元件間的相互作用關系，能夠顯著增加學生對液壓系統的工作原理，幫助學生構建基于整體工況分析的專業理念；學生在故障診斷時只能根據經驗結論推導分析，實訓過程較為枯燥，將混合現實技術應用于該模塊，可更加形象生動的顯示相應故障機理，大幅提高學生學習興趣和效率。此外，實訓內容最大的不足是難以模擬企業生產實際，尤其是負載變化引起的各類元件工作性能變化問題，造成學生就業后發現工作實際與學習內容存在差異，而日常教學很難為學生營造真實生產場景的條件，通過MR 技術可實現遠程場景交互，且不受空間限制，能夠有效緩解校企融合不足的影響。此外，還可充分應用MR技術擴展實訓內容，搭建混合現實實訓仿真平臺，培訓液壓課程教師掌握平臺實訓項目開發技術，借助虛擬顯示技術根據專業側重靈活開展實訓，針對行業技術更新還可及時調整實訓項目，這是相較于傳統實訓設備實訓項目固定、拓展性差最強的技術優勢。

3 MR 技術在焊接技術實訓中的應用

焊接技術實訓是一門以學習金屬材料焊接加工原理、焊接設備、焊接工藝為主的實踐性課程，主要任務是學習各種焊接加工原理，認識典型焊接設備和工藝，重點掌握手工電弧焊、冷焊、氬弧焊、氧氣乙炔焊（割）、等離子切割的操作要領。由于焊接技術具有高溫高壓和危害氣體等屬性，實訓的過程中要避免觸電、機械傷害、爆炸、燙傷和等工傷事故，能讓學員在高度仿真的模擬環境下進行焊接技能的高效訓練，采用混合現實技術開發訓練模擬器可以讓學生能夠感受到真實的焊接過程，同時有效地和周圍真實的環境進行互動，讓學生處于高度逼真的環境中，促進學生全身心投入到當前的任務中，結合傳統實訓設備可充分發揮其可視性強、安全度高等特點，幫助學生在安全高效完成實訓的同時彌補傳統實訓的不足。

基于混合現實、大數據及人工智能等現代化信息技術開發焊接教學設備，突出 “虛實結合” 的主要特點，目標是解決實際訓練中操作難度大 “做不好” 、危險性高 “做不到” 、耗材難買 “做不了” 的實訓項目，具備數據采集、智能專家輔助模塊和量化考核評價系統等先進獨特的教學功能，使學員能夠獲得在傳統教學實踐過程中難以量化的精確焊接培訓指導，打造高度開放、高度逼真、可交互、沉浸式的虛實一體實訓環境。提供智能制造專業群相關專業化場景體驗，并能在生產場景中體驗企業實際應用的焊接工藝和操作流程，學生可以在虛擬的場景中根據AI 語音指導規范操作，幫助學生養成正確的操作習慣，通過觀看不同焊接設備、焊接方法的教學視頻學習實訓技術，最后根據操作記錄和焊接結果與標準進行對比評分。與傳統焊接技術實訓相比，學生可以在虛擬焊接設備上反復練習，直至掌握操作技能為止，系統同步演示焊接過程焊縫、溫度場、熔池等的形成過程，全方位、多角度的展示教學內容，既能為學校削減教學成本，又能激發教師和學生的創新思維。

4 MR 技術在數控技術實訓中的應用

數控技術實訓的目標是學習實踐典型零件的加工工藝和程序編制，理解數控車和數控銑機床的基本工作原理，能熟練掌握較復雜零件的編程、數控系統的常規操作，并能加工常見軸類、盤類零件，能夠對機床設備進行日常維護保養，部分專業還要求具備機床調試能力，目標是培養 “懂工藝、會編程、精操作、能維護” 的智能制造專業人才。數控技術的主要不足是加工過程中受切削液、加工空間、人身安全等因素限制而難以準確掌握零件的加工狀態，使用混合現實技術開發自動數控虛擬仿真平臺可有效緩解這個問題，該平臺能夠為學生提供實踐操作機會，幫助學生在虛擬環境中學習和掌握自動數控平臺的操作技能，操作項目涵蓋：虛擬機床操作、編程和調試、加工和測量、機床故障診斷與維護，從而提高學生的實踐能力和操作熟練度。這種實踐操作的培訓方式可以減少機床設備的損耗和耗材消耗，同時提供更安全、可控和靈活的學習環境。此外，還可開發平臺的教學演示和展示功能，讓學生直觀地了解和理解自動數控系統的工作原理和操作過程，教師可以通過虛擬仿真演示不同加工操作、工具路徑和切削過程，幫助學生更好地理解數控技術的概念和原理，并結合數控機床通信技術向學生引進智能制造生產單元的工作原理和模式。

基于混合現實技術開展數控技術實訓，可以整合優質教學資源，根據實訓項目進行三維實體建模，按照加工工序模擬即時畫面，深度融合1+X 數控專業技能證書考核和評價，做好 “學、練、演、考、評” 實訓全過程，結合機床加工實際打造沉浸式、高度仿真、可交互的實訓教學平臺。混合現實技術應用于數控技術實訓有效解決了場地受限、實訓場景單一、加工過程可視性不足、存在安全隱患等問題，實訓平臺容錯度高、可視性好、針對性強、性價比高。學生可以放心使用設備，以錯誤操作為反饋改進實訓方案，為實訓完成的總結、講評和改進優化積累素材，并且不用付出 “代價” ；MR 技術構建的虛實場景通過對加工實訓過程的造型和還原，將最真實的加工狀態呈現在眼前，達到身臨其境的效果；混合現實技術還可以變化和形成各種場景和環境，教師可根據教學需要自由選擇場景，還可針對實訓需求結合實際靈活創造出需要的場景，有效提高實訓質量；實訓平臺不受場景和空間限制的特點，幫助學生實訓時能夠多視角、多場景、多維度的精細化觀察加工零件，且電子設備可重復多次使用，學習成本相對較低，還能夠實現多人在線學習，確保學習進度同步，實現協同聯訓、隨到隨學、隨學隨考的功能。

5 MR 技術在機電設備故障診斷與維修實訓中的應用

機電設備故障診斷與維修實訓的主要任務是幫助學生掌握機電設備中機、液、電裝置的基本結構、故障診斷與維修的方法，使學生初步掌握正確使用和維護機電設備的能力和技能，具備典型機電設備故障診斷和排除能力。機電設備種類型號繁多，學校一般挑選常規典型設備進行實訓，而智能制造專業群專業分布較廣，實訓存在針對性不強的問題；實訓時一般不對設備進行拆裝，僅通過儀器設備采集技術參數或基于典型現象分析得出結論，學生無法觀察到設備內部的真實情況，存在可視性差的問題，將MR 技術應用于該實訓可有效補齊以上短板。

以混合現實技術為技術支撐，搭建機電設備故障診斷與維修實訓平臺，基于故障樹分析法查找診斷機電設備故障點，故障樹最頂層為頂端事件，如故障癥狀、設備問題等；最底層為底端事件，體現故障排除后的結果；中間多層為中間事件，體現故障排除過程中的各類故障點。聯結故障樹層級的邏輯關系是因果關系或并列關系，位于中間層與底層的故障原因是因，位于頂層的故障癥狀是果。實訓平臺能夠通過計算機技術生成三維建模模式，多方位多角度展示實訓設備的組成結構以及零件，尤其適用于實訓室不便容納的大、重型設備，通過三維展示模型表現了設備各個部件的透視構造，學生可實時了解目標結構在設備中的作用效果，對故障點有著最為直觀生動的認知，從而快速查找確定故障問題；設置可檢索圖鑒數據庫，學生在檢索欄中輸入關鍵字就可以從配套數據庫中調出相對應的圖鑒資源——該部件的造型、結構、零件的圖片采集與文本介紹，還可使用虛擬顯示技術與教學內容相結合，剪輯成視頻或動畫，幫助學生補充夯實專業理論知識，增進學生對實訓設備理論知識的認識。

6 結語

混合現實技術作為互聯網時代的新型技術，將其應用在智能制造專業群的實訓教學能夠明顯增強學生的學習興趣，助力實訓教學高質量發展，對于推動職業教育教學改革有著巨大的實踐意義。