交互式虛擬仿真系統在機械課程中的教學研究與實現

夏婉莉

北京鐵路電氣化學校 北京 100000

引言

機械基礎課程是工科類中職學校各專業學生必修的專業基礎課，學好該課程可為后續學習各類專業課程打下良好基礎。中職學生對與該課程相關的數學、物理的基礎知識儲備相對薄弱，缺乏對機械設備的直觀認識和操作經驗，導致在理解機械基礎概念和原理，分析機械零件結構和計算數值時存在困難，也給機械課程的教學目標的達成帶來阻力，因此，嘗試在機械課程教學中應用虛擬仿真系統。

1 減速器拆裝虛擬仿真系統的研究背景

2021年9月，教育部印發了《職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設指南》，為切實推進虛擬現實與人工智能等信息技術在職業教育中的應用水平，仿真技術與實訓設備的深度融合，職業教育的高質量發展等方面提供了有力指引[1]。同時體現了虛擬仿真系統在職業院校課程改革中的重要作用。虛擬仿真系統在多門課程的教學中都起到了顯著的教學效果。我國對職業教育改革的力度逐年加大，也對職業院校的實訓條件，硬件及軟件設施提出了更高的要求，相關技術在中職教學實踐中的研究需求也逐步增大。

交互式虛擬仿真系統是一種基于計算機技術的模擬系統，能夠模擬現實世界的各種場景，在生產、醫療、教育等多個領域中，都得到了廣泛應用。比如：在教育領域中，交互式虛擬仿真系統可以用來進行模擬實驗和技能訓練，尤其是在中職教育教學中，更加注重實踐性和應用性，交互式虛擬仿真系統可以用來模擬各種實踐場景，學生在計算機設備上模擬操作，提高效率的同時，掌握相關流程與操作技能，也可以減少實際操作中的錯誤與風險。同時，交互式仿真系統能夠實現線上教學和學習，教師通過該系統進行實驗演示和教學，學生可以在不同的地點和時間參與到學習中來。

在眾多的機械理實一體實訓設備中，減速器裝置具有常見、常用、涵蓋的機械相關知識點較全面等優點，是《機械制圖與機械基礎》課程教學中的重要載體。減速器的拆裝實驗，是教學過程中進行理實一體化教學的重要環節，也是鍛煉提高學生的實踐能力及職業素養的重要途徑[2]。但是，目前減速器拆裝仿真系統在職業學校機械基礎課程中的應用并不多見。當前在中職院校普遍使用的虛擬仿真大多基于傳統CAD、CAM系統實現的以圖形圖像、視頻的形式為主，內容及形式都較為傳統甚至有些落后于時代的發展。

2 減速器拆裝模擬仿真系統的研究目標及方法

為提高《機械制圖與機械基礎》課程理實一體化教學效果與學生的動手能力，促進仿真技術與實訓設備的深度融合，根據多年在該課程中積累的關于教法和學法的材料、數據、經驗以及出現的問題、改進的方向，設計適合教與學，融趣味性、可操作性、嚴謹性于一體的人機交互式減速器拆裝模擬仿真系統，實現一級圓柱齒輪減速器的拆卸、安裝、模擬運行演示、計時、小組pk等功能[3]。該仿真包含三大模塊：減速器拆卸模塊、減速器裝配模塊、減速器模擬運行模塊。其具體功能為。

系統支持PC版本、Android版本和Web版本，使用鼠標和觸控進行減速機拆裝模擬；教師能夠演示、學生可以查看減速器模擬運行動畫，模擬運行時，可調節并顯示輸入軸的多級轉速；學生可以對減速器及其主動齒輪軸組件、從動齒輪軸組件進行裝配練習，系統能夠按照規定步驟對學生操作順序進行糾正，并記錄學生操作的總耗時。裝配過程中，系統自動提示裝配要求，如螺紋連接件的預緊力等；學生可以對減速器及其主動、從動組件進行拆卸練習，系統能夠按照規定步驟對學生操作順序進行糾正，并記錄學生操作的總耗時；系統可根據學生的拆裝成績進行自動排名。拆裝成績包含出錯率、用時等統計。

3 減速器拆裝仿真系統在教學中的應用與成效

3.1 線下教學

學生通過電腦、PAD、安卓手機等終端進入虛擬仿真場景，對場景中的減速器的各個部件進行組裝或拆卸操作，系統判定組裝或拆卸的步驟是否符合規范，同時系統將實時記錄評價數據，如：學生操作正確率、操作時間等數據，是教學過程中實現信息化教學的重要手段。在學習過程中，學生發揮對電子產品的興趣及特長，主動挖掘軟件的操作方法對減速器的拆裝步驟、方法、要求，以及對機械零件及傳動相關知識點理解和掌握得更加透徹，促進達到本課程的知識目標。在評分系統及小組PK比賽任務的驅動下，學生也提高了學習的主動性，加強了合作交流能力和發現問題與解決問題的能力。當拆裝步驟有誤，系統會提示出錯，直到學生能夠規范操作，才能進行下一步驟，學生在使用和學習過程中感受到了規范操作的重要性，加強了工程意識及勤學苦練、不怕吃苦，認真嚴謹的工作作風，促進達成本課程的知識、能力目標及素質目標，有效促進了三有課堂的實現。以下列舉該系統應用到機械課程的齒輪傳動項目中的具體實施方法。

3.1.1 齒輪傳動的類型與其軸系位置關系問題。該知識點是學生初步認識齒輪傳動時的教學難點，可以考慮結合減速器拆裝模擬仿真系統來突破。教師引導學生運用模擬仿真系統，熟悉圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器及蝸桿減速器箱蓋的拆卸步驟及要領，并觀察仿真系統中不同類型的齒輪傳動的結構與位置關系，之后以小組為單位操作減速器實體設備，直觀感受、觀察并辨析齒輪的不同結構類型、齒輪傳動的工作原理以及軸線間的相互位置關系，將抽象的理論知識與模擬仿真、實體操作相結合，既能降低在沒有完全掌握操作要領時直接操作實體設備帶來零件的損壞的可能性，也能提高授課效率，有助于突破教學難點

3.1.2 齒輪傳動的傳動比計算問題。齒輪傳動比的計算是工程實際中的設計重點，也是任務實施過程中的教學重點。雖然傳動比的計算簡單，只涉及齒數、轉速、比值關系等，但學生的數學計算水平普遍不高，甚至有個別學生有抵觸心理，不愿在抽象問題中突破自己，就會無法理解傳動比與降速、升速之間的聯系。因此，簡單的數學計算也會成為教學難點。教師可引導學生運用模擬仿真系統的模擬運行模塊，調節不同的輸入轉速，觀察輸出軸轉速的變化，從而理解傳動比的含義和減速器的工作原理，并可以在此環節運用仿真系統設計游戲比拼，使基礎薄弱的學生在好奇心的驅使下，進入學習，并在同組同學的幫助下，共同完成傳動比的計算，理解其中的含義，為后續計算齒輪各部分尺寸奠定了一定的基礎，提高了信心。

3.1.3 識讀裝配圖的問題。裝配圖的識讀是機械制圖課的系統化及總結性內容，也是學生對三視圖、零件圖、技術要求知識點的綜合能力的提升。由于其涵蓋知識點較多，圖樣較復雜，部分學生不易理解。教師可引導學生在觀察零件實物的基礎上，借助模擬仿真系統了解各零件的安裝位置及結構特征，理解其功能原理、應用，從而識讀裝配圖裝中的表達方法，分析視圖的名稱及投影方向，分清各零件安裝位置和結構特征。

3.1.4 對照裝配圖完成減速器組件的裝配問題。裝配減速器是理論與實際相結合的重要體現，是學生提高實踐能力的重要環節，也是檢查學生能否學以致用將理論應用于實踐的重要途徑。由于齒輪的裝配精度要求較高，對于實操能力稍弱的學生，沒有信心做好，不敢于嘗試。也有學生在裝配過程中忽視預緊力的要求，損壞螺紋連接件的情況時有發生。教師可引導學生運用模擬仿真系統，獨立進行從動齒輪組件裝配仿真練習，熟悉仿真環境，相互切磋裝配步驟，根據軟件提示謹記裝配要領及螺紋連接件預緊力的要求。為了使學生感受學習的趣味性，教師可運用仿真系統設計小組PK游戲，學生以小組為單位進行模擬裝配的比拼，既能激發學習興趣，也為后續的實際組裝奠定了基礎。仿真練習有效訓練組裝的順序和流程和要求，可以再現所出現的錯誤，減少實際組裝時的差錯和零部件的磨耗、損壞，提高實際組裝的效率與質量。并在游戲環節中培養團隊意識與集體榮譽感。

線下教學實施過程中，教師、學生操作仿真系統，提升教學的直觀性，促進學生對知識的理解和掌握，避免了教師演示實體模型而看不清楚的弊端。模擬仿真系統是在動手實操實體設備前的模擬操作，能有效避免因學生對操作要領掌握不夠或是不規范，導致實訓設備的損壞情況。實體模型經過多屆學生拆裝實踐操作后，有些已經損壞，或者出現精度嚴重下降、裝配困難，或是實訓設施數量不足等情況，用模擬仿真系統進行演示教學，能夠起到節約成本的作用。結合圓柱齒輪減速器拆裝模擬仿真系統，學生能夠自行探討其他兩種減速器的拆卸步驟，起到高效的示范作用，節省了教師再次講解拆卸步驟的教學時間，學生樂于接受，趣味性強，效果好。

3.2 線上教學

線上教學，在師生都沒有減速器實訓設備的條件下，學生在手機、平板或電腦上安裝模擬仿真系統，教師通過屏幕共享，應用軟件進行演示教學。學生也可以在自己的設備上觀看與操作仿真軟件，對減速器整體及各個零部件的結構、傳動機構的組成、工作原理、裝配關系，拆裝步驟等等方面，都有了直觀的感受和較深刻的理解。能夠有效解決機械課程在線上教學中因缺乏實物導致的枯燥、抽象等問題。

4 研究設想

4.1 優化仿真系統新功能

積累仿真系統的開發和應用經驗，進一步優化仿真系統功能。如：增設減速器各零件裝配尺寸精度要求，裝配螺釘、螺栓時的預緊力要求等功能。增設同類型零件的選擇功能，比如滾動軸承類型、型號的選擇，齒輪類型、齒數的確定，傳動比計算等功能。

4.2 探索VR、AR相關技術接口研究

借助Unity3D對VR的強大支持做進一步的研發，配套VR眼鏡和體感設備在已建立的場景中進行交互。模擬仿真系統畢竟是在虛擬環境下，真正的實踐能力仍需通過學生動手操作減速器設備來鍛煉和提高。此仿真系統支持虛擬現實、增強現實也就是“VR”、“AR”的實現。在虛擬環境下，模擬現實世界中減速器各個零件的重力，也就是每個零件都可以根據設定的材料及尺寸生成重力要素，學生在“VR”、“AR”虛擬環境中拿起各個零件操作時，有更加真實的減速器拆裝實踐體驗。

4.3 探索線上仿真實驗室平臺的研究

本文僅針對減速器拆裝實驗仿真項目進行研究，本課程及相關課程還有大量的理實一體化實驗項目，可開發建立綜合性線上“仿真實驗室”平臺，將相關課程的仿真項目集中在該平臺上，并添加配套的評價系統，為師生交互、線上線下混合式教學等提供信息化教學資源，切實推進職業院校中仿真項目及實訓設備相融合的應用水平。

5 結束語

隨著虛擬仿真、人工智能技術的快速發展，以及職業學校教學改革步伐的加快，虛擬仿真系統與實訓設備的有機結合應用在教學過程中的優勢逐步凸顯，既能創設模擬的實訓環境，節省時間和成本，增強安全可靠性，又能考評結合、提升教學效果和學生的操作技能，提升教學有趣、有用和有效性。