可視化學習、模擬和考核的壓縮機虛擬仿真教學系統應用

摘 要 為解決壓縮機仿真系統不能模擬不同工作參數條件下壓縮機工作過程和性能，學生的學習程度不能考核和評價，難以滿足教學使用的問題，將壓縮機虛擬拆卸、虛擬裝配、數值模擬、培訓教學等元素有機結合，解決在擬真的場景中限制實現學生自主裝配實驗裝置的技術難題，實現壓縮機拆裝過程、工作過程、零部件的運動和壓縮機在不同工作參數下狀態的虛擬可視化，并實現學生自主學習和練習、教師考核與評價的適應集成，同時幫助學生了解壓縮機性能特點和影響因素，為優化設計壓縮機提供基礎。該系統可以大大提升學生對壓縮機零部件拆裝和工作過程學習的體驗感，拓展自主操作和思考的空間，幫助學生深入理解和掌握壓縮機結構與工作原理，培養學生的創新意識和能力。

關鍵詞 壓縮機；虛擬仿真教學系統；實驗；可視化學習；實踐教學；仿真

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0045-04

0 引言

隨著信息技術的快速發展和廣泛應用，教學與信息技術正在實現廣泛和深層次的融合，虛擬仿真教學系統在教育信息化背景下應運而生。虛擬仿真教學系統是以虛擬現實技術為基礎，綜合運用多媒體、三維建模、人機交互、傳感器、人工智能等多種技術手段[1]構成虛擬環境，高度仿真虛擬教學空間、實驗教學設備、實驗教學流程等，以完成實驗教學內容，達到實驗教學目標，拓展教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提升實驗教學的質量[2]。

近年來，全球頂尖研究機構、高校（如哈佛大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校等）都在大力開展虛擬仿真實驗室教學的研究。我國也在“加快數字化發展，建設數字中國”的背景下，深化高等教育綜合改革，利用信息技術豐富教育教學手段和模式，打造富有科技感的虛擬仿真平臺，推進科研教學資源共享化和教育信息數字化[3-6]。很多高校的教學改革把重心放在第一課堂為主的教學內容、課程體系改革上，這是提高學生素質的主渠道，但會限制學生創新精神和實踐能力的培養。把虛擬現實等現代信息技術與課堂教學深度融合，可以提升機械類課程教學水平、豐富線上教學形式，實現虛擬看真機械、網上做練習和思維創新，有效解決傳統教學中“看不到”“練不了”“學不好”的問題。

1 壓縮機教學現狀

1.1 壓縮機教學的局限性

壓縮機作為一種通用機械，在化工、能源、制冷工業和交通運輸等領域有著廣泛的應用，成為廣大科研院校機械和化工相關專業的必學基礎知識之一。由于壓縮機占用實驗室空間較大，采購、維護需要花費較多的資金，大多數單位通過實習讓學生在工廠了解壓縮機，即使實驗室配備壓縮機用于實踐教學，也會受到設備數量的限制，學生無法深入學習和掌握機械內部的復雜結構與工作原理，導致教學效率低、成本高。此外，機械課程多年傳統的講授方法是將壓縮機內部結構通過書本上的圖片和課堂中的多媒體進行展示，學生容易產生視覺、聽覺和情緒上的疲勞，導致學習效果不佳，不利于培養學習興趣和創新能力。與略顯枯燥的課堂教學相比，市面上風靡的各種游戲卻可以讓學生玩起來不知疲倦，沉迷其中。游戲的本質是讓玩家進入特定場景，參與其過程。研究表明，人們對于親身經歷或者模擬的內容可以記住90%。

1.2 虛擬仿真技術與壓縮機教學相融合的必要性

將虛擬仿真技術應用到具有復雜結構的壓縮機教學與培訓中，為學生學習提供直觀且有效的方式，讓學生參與其中，可以激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識。因此，設計壓縮機虛擬仿真教學系統，通過虛擬環境直觀展示壓縮機的結構部件、零部件拆裝過程、不同參數條件下的工作狀態，學生可以掌握壓縮機的結構與功能，分析壓縮機性能影響因素，提出對壓縮機優化和創新的思路。通過可視化學習、模擬和考核等功能模式的設計實現知識的學習、掌握與考核，利用教師管理系統協同指導學生的學習、評價學生的學習程度，有利于培養學生的學習能力、實踐能力和創新能力。當前，現有技術中尚未見到將壓縮機不同參數下的工作狀態進行可視化分析，以及將以上各種功能集成化的教學系統，本研究在壓縮機虛擬拆裝、工作過程可視化和學習模式方面都有鮮明的特色，可以為其他設備和機械虛擬仿真教學系統的開發提供建設思路與技術基礎，具有廣泛的需求和現實的教育意義。

2 虛擬仿真技術與壓縮機教學的融合分析

虛擬仿真的作用是替代或補充傳統教學，具有交互性、真實性等特點。壓縮機的教學主要側重學生對壓縮機結構、原理等的學習與鞏固，以及學習效果評價，需要利用虛擬仿真技術高效實現三維模型與編程語言的交互，方便對規則進行編寫和控制，用到的理論及關鍵技術主要包括虛擬技術的開發工具和過程模擬的理論計算。

2.1 場景與管理模塊構建技術

虛擬學習的使用者需要通過電子設備的屏幕在一定的場景下完成操作，所以虛擬實驗的開發工具應有強大的編輯功能。jMonkeyEngine3（jME3）是生成快速現代3D游戲的引擎，可以構建高性能的場景圖，繼承了Java應用跨平臺的特性，且是開放源代碼的。jME3支持跨平臺、跨設備；jME3應用可以發布在Windows、Mac和Linux系統上，也可以發布在Android和iOS系統上；jME3支持AR和VR技術所需的外圍新設備。壓縮機虛擬仿真教學系統在jME3場景下建立，利用NiftyGUI，與jME3整合在一起作為系統默認的GUI（圖形用戶界面）工具。為方便觀察和操作，通過jME3中材質的透明通道設置和渲染，實現壓縮機局部透明顯示；通過jME3中攝像機空間節點的移動和旋轉，實現第一人稱視角的縮放、旋轉變化效果。學生管理模塊采用Java Web的典型三層架構搭建。教師通過瀏覽器訪問學生管理模塊時，與表現層的視圖程序人機交互，通過數據模型向數據庫讀取或寫入數據。

2.2 拆裝序列規劃算法

壓縮機結構和拆裝比較復雜，規劃合理且靈活的多種組合拆裝序列，建立合適的拆卸序列規劃算法的圖數據結構，是拆裝序列規劃算法的關鍵。本文將零部件映射到壓縮機的圖節點上，利用圖的深度優先搜索算法查找待拆裝零部件圖節點，根據該圖節點是否有指向子節點（子節點非空）的指針判斷能否拆卸；根據該圖節點裝配標記和是否有雙親指針判斷能否裝配，實現壓縮機模型上所有的零部件拆裝功能。為了更好地實現虛擬拆裝的教學培訓效果，方便學生使用，設計實現子拆卸、子裝配功能，即單獨對單個零部件進行拆裝和結構展示。學生可以在壓縮機零部件拆裝模塊開展壓縮機的虛擬拆裝操作，當拆裝順序錯誤時，系統通過提示矯正學生的操作，能夠引導學生向正確的拆裝操作進行，因為操作序列的靈活性，學生有更大的自主操作和思考的空間。學生通過自主操作系統所設置的攝像機靠近與疏遠，放大零件細節，有利于觀察。當鼠標點擊確認拆或裝某個零部件后，系統會根據拆裝序列判斷該零部件當前是否允許拆裝：若符合拆裝序列，則零部件被拆卸或裝配，發生相應的拆卸或裝配行為；若不符合拆裝序列，則系統提示拆裝順序錯誤，發生拆裝順序錯誤的行為。選擇子拆卸或子裝配等子操作時，學生客戶端程序會清除原有零部件空間節點和圖節點，根據子類的相關信息，重新加載該子類的零件，重構圖數據結構等，每個具備子拆裝功能的壓縮機部件攜帶一個獨立的圖數據結構。虛擬拆裝模塊的設計大大提升了學生對壓縮機零部件復雜結構、復雜拆裝順序等拆裝過程的體驗感，增強了自主操作能力，開闊了思考空間。

2.3 壓縮機工作過程模擬仿真

壓縮機工作過程模擬及可視化功能是指在虛擬環境下，學生可以在界面改變進氣溫度、排氣壓強、轉速等參數，仿真不同變量下壓縮機工作過程及內部零部件運動情況，并模擬壓縮機排氣溫度、排氣量、軸功率等性能曲線，所有不同參數下壓縮機的狀態都在壓縮機教學系統上可視化，根據以上內容分析不同參數對壓縮機狀態和性能影響，有利于深入理解壓縮機工作原理和對壓縮機的創新設計。本系統壓縮機工作過程模擬及可視化分析的實現原理是通過熱力學模型計算不同狀態下的壓縮機工作參數，通過二維界面展示壓縮機工作參數，利用壓縮機三維模型的空間坐標變化（包含轉動、擺動與位移）對壓縮機的運動過程和熱力學過程進行仿真。

3 壓縮機虛擬仿真教學系統的應用實踐

3.1 壓縮機結構拆裝學習和評價應用

學生在學習模式下學習時，壓縮機在虛擬環境中進行零部件自動拆卸、裝配和工作過程的演示，演示過程中可以轉動攝像機，從不同視角觀察壓縮機。演示過程中能夠隨時控制演示過程的暫停、繼續、停止和退出。

練習模式下，學生通過鼠標點擊操作，自由練習拆裝過程，進一步熟悉壓縮機的拆裝工藝和壓縮機工作操作，通過子拆裝熟悉各個零部件的結構和功能，通過子工作模擬熟悉壓縮機吸氣、壓縮、排氣過程機械零部件的運動規律。

考試模式下，學生進行零部件拆裝和工作過程模擬與分析的操作，測試過程中系統沒有任何提示，根據評價標準和學生操作情況給出每一項操作的分數，數據傳輸模塊將測試情況上傳服務器。教師通過瀏覽器訪問學生管理模塊，了解學生的綜合得分、拆卸得分、裝配得分、工作模擬得分，如圖1所示，分別根據綜合得分、拆卸得分、裝配得分、工作模擬得分進行區間查詢及降序排列，掌握所有學生的壓縮機零部件拆裝模塊及壓縮機工作過程模擬和分析的學習情況。

3.2 壓縮機工作原理和過程仿真學習應用

為解決現有壓縮機仿真系統只有零部件簡單拆裝功能，不能模擬不同工作參數條件下壓縮機工作過程和性能并實現可視化的問題，本系統在不同工作參數條件下，將壓縮機工作過程、零部件的運動情況和壓縮機性能曲線可視化，通過空間節點Node的綁定、位移、旋轉等操作，對壓縮機工作時的運動進行仿真，展示壓縮機的實際操作過程，使用者能夠動態地觀察壓縮機的工作狀態，了解壓縮機工作時改變工作參數對壓縮機的影響，幫助學生深入分析壓縮機性能影響規律并進一步對壓縮機參數進行優化。學生可以在可視化界面上，通過粒子特效的顏色和空間坐標變化模擬氣體的溫度與運動狀態，如圖2和圖3所示。壓縮機性能隨工作參數調整時的變化可以在顯示界面上看到，如圖4所示。壓縮機教學系統可以看到隨著工作參數變化，壓縮機教學系統性能的變化特點，比如從圖5可以看到工作參數變化時壓縮機的軸功率的值和變化趨勢，這對學生了解壓縮機性能、參數變化對性能的影響規律以及對壓縮機的優化設計都是非常重要的。

3.3 壓縮機虛擬仿真教學系統的拓展應用

壓縮機虛擬仿真教學系統可以應用于科學研究。采用3D Max或SolidWorks軟件對所研究的壓縮機進行三維模型建模，根據壓縮機虛擬仿真教學系統的圖數據結構，將所建模型零部件映射到對應的圖節點，可以建立不同設計尺寸的壓縮機系統。調整工作參數，動態仿真不同參數條件下壓縮機內部零部件運動，并分析壓縮機性能曲線，為新型壓縮機的研究和設計提供參考。

壓縮機虛擬仿真教學系統還可以應用于大學生創新活動。學生可以設計各種概念型壓縮機或設備，通過繪圖軟件建立新的壓縮機或其他設備的三維模型，在本壓縮機教學系統所設計的架構下建立模型零部件的圖數據結構，并將零部件映射到對應的圖節點，建立各種新型設備的教學系統。

4 結束語

本系統將壓縮機虛擬拆卸、虛擬裝配、數值模擬、培訓教學等元素有機結合，解決了在擬真的場景中限制實現學生自主裝配實驗裝置的技術難題，對于培養學生學習能力、實踐能力和創新能力有極大的價值。平臺允許教師根據實踐教學需要，預先裝配流程正確或錯誤的化工廠，訓練學生設計、裝配或拆卸化工廠的工程實踐能力，使學生通過可視化學習、模擬與考核三模式熟練掌握壓縮機拆裝、工作原理和創新設計，解決以往只能從書本圖片了解相關內容的問題，利用理論結合虛擬仿真實際為基礎，更好地掌握相關機器的知識。當前市場缺少帶有模擬功能的壓縮機拆裝教學系統，國內各大仿真公司還沒有可以滿足教學要求的壓縮機虛擬仿真教學系統，本系統能夠全面幫助學生深入理解和掌握壓縮機結構與工作原理，培養學生創新意識和能力，提高課堂效率和效果，節約壓縮機教學費用，在大專院校和科研院所相關專業的壓縮機學習方面具有很大的實用價值，有著廣泛的需求和現實的教育意義。

5 參考文獻

[1] 劉華，黃秋玉，孫喜妹.近十年國內虛擬仿真技術在課程教學中應用的可視化分析[J].中國教育技術裝備，2023（3）：4-7，14.

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[4] 時愛菊，張坤，牟少敏.無機化學虛擬仿真實驗室的應用與探索[J].山東化工，2020，49（8）：217-218.

[5] 楊云濤，高慧.新工科背景下船體裝配實訓虛擬仿真教學探討[J].中國教育技術裝備，2022（8）：44-47.

[6] 李瀾，王吉.高等學校虛擬仿真實驗教學現狀及趨勢研究[J].中國教育技術裝備，2022（19）：18-21，25.

*項目來源：北京理工大學教育教學重點項目“化工設備與機械課程虛擬轉配和創新設計仿真系統的研發與應用”（項目編號：2021CGJG009）。

作者簡介：李昕、鄧文生、彭炯，副教授。